VERFAHREN ZUR VERBRENNUNG EINES BRENNSTOFFS IN EINER GASTURBINE SOWIE ENTSPRECHENDE GASTURBINE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom verdichteter Luft, welcher eine Gasturbine von einem Verdichterteil zu einem Turbinenteil durchströmt, wobei der Brennstoff dem Strom im Verdichterteil zugeführt und zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil verbrannt wird. Die Erfindung betrifft auch eine entsprechende Gasturbine.

[0002] Ein derartiges Verfahren und eine derartige Gasturbine gehen hervor aus dem US-Patent 2,630,678.

[0003] Eine Gasturbine mit einem Verdichterteil, einer Ringbrennkammer und einem Turbinenteil, wobei der Verdichterteil einen Strom verdichteter Luft liefert, der in der Ringbrennkammer mit Brennstoff versetzt wird, worauf anschließend der Brennstoff entzündet und verbrannt wird, und wobei der Strom nach erfolgter Verbrennung dem Turbinenteil zugeführt wird, geht hervor aus der EP 0 590 297 A1. In dieser Schrift wird die Gasturbine als "Gasturbogruppe", der Verdichterteil als "Verdichter" und der Turbinenteil als "Turbine" bezeichnet. Die unterschiedliche Bezeichnungsweise ist zurückzuführen auf eine uneinheitliche Verwendung des Begriffs "Gasturbine" in der Fachwelt. Als "Gasturbine" kann sowohl eine Turbine im eigentlichen Sinne, also eine Kraftmaschine, die aus einem Strom erhitzten Gases mechanische Energie extrahiert, als auch eine Einheit aus einer Turbine im eigentlichen Sinne nebst Brennkammer oder Brennkammern und Verdichterteil bezeichnet werden. In vorliegendem Zusammenhang wird unter einer "Gasturbine" stets eine Einheit verstanden, die neben einer Turbine im eigentlichen Sinne, vorliegend stets als "Turbinenteil" bezeichnet, zumindest noch einen zugehörigen Verdichterteil umfaßt.

[0004] In der DE-A-847 091 ist ein Heißluftstrahltriebwerk mit einer Brennkammer beschrieben, bei der ein geringer Teil von Verbrennungsluft durch die Brennkammer geführt und der größte Teil der Verbrennungsluft an der Brennkammer vorbeigeführt und stromab mit dem Abgas der Brennkammer wieder vermischt wird. Die Verbrennung wird so ausgeführt, daß das Abgas gegenüber der nicht verbrannten Verbrennungsluft allenfalls einen geringen Druckunterschied aufweist. Dafür sind für die durch die Brennkammer strömende Verbrennungsluft zusätzliche Verdichterstufen vorgesehen. Die Zuführung von Brennstoff kann vor oder nach diesen zusätzlichen Verdichterschaufeln erfolgen.

[0005] Beispiele für Brenner, die in einer Gasturbine einsetzbar sind, sind der EP 0 193 838 B1, dem US-Patent Re. 33896, der EP 0 276 696 B1 und dem US-Patent 5,062,792 entnehmbar. Eine Brennkammer in Form einer Ringbrennkammer mit einer Vielzahl von kreisringförmig angeordneten Brennern ist in der EP 0 489 193 A1 beschrieben.

[0006] Weitere Hinweise zur Ausgestaltung einer zwischen einem Verdichterteil und einem Turbinenteil einer Gasturbine anzuordnenden Verbrennungseinrichtung gehen hervor aus den US-Patenten 2,755,623; 3,019,606; 3,701,255 und 5,207,064. Diese Hinweise umfassen Ausführungen zur Realisierung von Verbrennungseinrichtungen, in denen ein Strom verdichteter Luft mit einem Drall geführt wird, wobei gegebenenfalls auch die Verbrennung in diesem drallbehafteten Strom stattfindet. Auch sind diesen Dokumenten Hinweise zu Komponenten entnehmbar, insbesondere zu Flammenhaltern, die einen Verbrennungsprozeß stabilisieren sollen.

[0007] Eine wichtige Quelle für thermodynamische Verluste ist der zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil, also über demjenigen Bereich der Gasturbine, wo der Strom verdichteter Luft durch Verbrennung eines Brennstoffs erhitzt wird, auftretende Druckverlust, der bedingt ist durch den bislang stets betriebenen hohen baulichen Aufwand zur Realisierung einer Verbrennungseinrichtung in Form einer oder mehrerer Brennkammern. Gewisse Ansätze zur Verringerung des Aufwands sind bekannt; insbesondere geht aus der bereits erwähnten EP 0 590 297 A1 eine sogenannte "Ringbrennkammer" hervor, in der der Strom einen Drall, der ihm in dem Verdichterteil aufgeprägt wird, während der Verbrennung des Brennstoffs beibehalten soll, so daß sich am Einlaß des Turbinenteils ein herkömmlicher feststehender Schaufelkranz, mit dem ein zum Betrieb des Turbinenteils erforderlicher Drall erst aufgebaut werden müßte, erübrigt. Auch wird verwiesen auf das eingangs genannte US-Patent 2,630,678, nach dem die Zuführung von Brennstoff bereits im Verdichterteil erfolgen kann.

[0008] Die Steigerung der spezifischen Leistung, das heißt der von der Gasturbine abgegebenen Leistung pro Einheit an mit dem Brennstoff zugeführter Energie, erfordert neben den bereits erwähnten Maßnahmen zur Verbesserung des in der Gasturbine ablaufenden thermodynamischen Prozesses eine Steigerung der Turbineneintrittstemperatur, das heißt der Temperatur des Stroms nach Verbrennung des Brennstoffs und beim Eintritt in den Turbinenteil. Diese Turbineneintrittstemperatur ist begrenzt durch die Belastbarkeit der Komponenten des Turbinenteils, die gegeben ist insbesondere durch die Belastbarkeit der verwendeten Werkstoffe und die eventuell vorgesehenen Maßnahmen zur Kühlung der Komponenten. Solche Maßnahmen finden üblicherweise ihre Grenze darin, daß für die Kühlung notwendige Luft aus dem Strom abgezapft werden muß und nicht mehr für die Verbrennung zur Verfügung steht. Ebenfalls von Bedeutung ist die Verteilung der Temperatur in dem Strom beim Eintritt in den Turbinenteil. Ist die Verteilung der Temperatur in dem Strom beim Eintritt in den Turbinenteil nicht gleichmäßig, womit bei jeder bisher realisierten Turbine zu rechnen ist, so bestimmt das Maximum der Temperatur in dem Strom die maximale Belastung der Komponenten des Turbinenteils und muß für dessen sicheren Betrieb somit unterhalb einer kritischen Grenze gehalten werden, wohingegen der Mittelwert der Temperatur in dem Strom maßgeblich ist für die Qualität des thermodynamischen Prozesses und insbesondere für diejenige mechanische Leistung, die der thermodynamische Prozeß bei gegebenem Primärenergieeinsatz liefern kann. Aus diesen Erwägungen folgt, daß die spezifische Leistung einer Gasturbine ohne Beeinträchtigung ihrer Lebensdauer gesteigert werden kann, wenn es gelingt, die Verteilung der Temperatur in dem Strom beim Eintritt in den Turbinenteil zu homogenisieren und somit den Mittelwert der Temperatur an das Maximum der Temperatur heranzuführen. Nach erfolgter Homogenisierung kann durch Steigerung des Primärenergieeinsatzes der Mittelwert der Temperatur des Stroms erhöht werden, bis die vorgegebene Belastbarkeit des Turbinenteils erreicht ist. Das Potential solcher Maßnahmen ist erheblich; eine Anhebung des Mittelwerts der Temperatur in dem Strom beim Eintritt in den Turbinenteil um etwa 10 °C kann eine Steigerung der spezifischen Leistung von mehr als 1 % erbringen. Herkömmliche Gasturbinen sind für solche Maßnahmen durchaus offen, denn die Differenz zwischen dem Maximum und dem Mittelwert der Verteilung der Temperatur im Luftstrom beim Eintritt in einen Turbinenteil liegt bei diesen Gasturbinen bei bis zu 100 °C.

[0009] Die Ursache für die inhomogene Verteilung der Temperatur in einem Strom in einer herkömmlichen Gasturbine liegt üblicherweise in der aufwendigen und inhärent inhomogenen Behandlung des Stroms und des Brennstoffs zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil. In besonderem Maße gilt dies dann, wenn der Strom in Teilströme unterteilt und mehreren Brennkammern oder mehreren einzelnen Brennern zugeführt wird; dies gilt auch in herkömmlichen Ringbrennkammern, die jeweils auf eine Unterteilung des Stroms weitgehend verzichten, aber immer noch mehrere und notwendigerweise voneinander beabstandete Brenner vorsehen, die den Strom erhitzen sollen.

[0010] Des weiteren ist zu berücksichtigen, daß in einer Gasturbine der Strom verdichteter Luft zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil, also dort, wo er durch Verbrennung eines Brennstoffs erhitzt wird, häufig ohne einen Drall geführt wird. Der wesentliche Grund dafür liegt darin, daß mit einer solchen Maßnahme die Geschwindigkeit des Stroms auf ein Minimum gebracht werden kann. Damit ist eine stabile Verbrennung des Brennstoffs am leichtesten zu gewährleisten, und die Flexibilität für die Ausführung von Brennern und dergleichen ist am höchsten. Die herkömmliche Praxis erfordert allerdings, daß am Ende des Verdichterteils Leiteinrichtungen vorgesehen sind, die dem Strom einen hinter der letzten rotierenden Verdichterstufe vorhandenen Drall entziehen, und auch der Turbinenteil muß an seinem Eintritt eine Leiteinrichtung aufweisen, die dem Strom einen zur Beaufschlagung der ersten rotierenden Turbinenstufe erforderlichen Drall verleiht. Insbesondere die Leiteinrichtung in dem Turbinenteil ist das thermisch am höchsten belastete Bauteil und muß entsprechend aufwendig ausgeführt werden; außerdem erfolgt bereits in dieser Leiteinrichtung eine teilweise Entspannung, und somit Temperaturabsenkung, des Rauchgases in dem Strom. Dementsprechend bestimmt nicht die erste rotierende Turbinenstufe die maximal mögliche Temperatur des Stroms, sondern die Leiteinrichtung am Eintritt des Turbinenteils, die allerdings dem Strom keine Energie extrahiert.

[0011] Die in den letzten beiden Absätzen vorgestellten Erwägungen sind von besonderer Bedeutung für moderne Gasturbinen, die stets dadurch gekennzeichnet sind, daß sie die durch die verwendeten Werkstoffe vorgegebenen Grenzen weitgehend ausschöpfen. Dies vor allem, um größtmögliche thermodynamische Wirkungsgrade zu erzielen. Gasturbinen für stationären Einsatz, welche Leistungen zwischen 100 MW und 250 MW aufweisen, haben Verdichterteile, welche gekennzeichnet sind durch Druckverhältnisse zwischen 16 und 30, entsprechend Temperaturen zwischen 400 °C und 550 °C am jeweiligen Verdichteraustritt, und stellen durch Verbrennung erhitztes Rauchgas bereit mit Temperaturen zwischen 1100 °C und 1400 °C. Alle genannten Temperaturen erfordern zur Auslegung der Verbrennungseinrichtungen und der Turbinenteile größtmögliche Sorgfalt und die weitgehende Ausschöpfung der durch die verwendeten Werkstoffe vorgegebenen Grenzen. Insbesondere sind auch die für Verdichteraustritte genannten Temperaturen als kritisch zu betrachten im Hinblick auf eine mögliche Selbstentzündung von zugeführtem Brennstoff.

[0012] Angesichts dieser Problematik beruht die Erfindung auf der Aufgabe, ein Verfahren sowie eine Gasturbine der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Verbrennung des Brennstoffs in dem Strom unter Gewährleistung einer möglichst gleichmäßigen Verteilung der Temperatur in dem Strom und unter Vermeidung von Verlusten ermöglichen.

[0013] Im Hinblick auf ein Verfahren wird zur Lösung dieser Aufgabe angegeben ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffes in einem Strom verdichteter Luft, welcher eine Gasturbine von einem Verdichterteil zu einem Turbinenteil durchströmt, wobei der Brennstoff dem Strom im Verdichterteil zugeführt und zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil verbrannt wird, wobei dem Strom beim Austreten aus dem Verdichterteil eine erste, mit einem verstellbaren letzten Leitrad am Austrittsende des Verdichterteils regelbare Strömungsrichtung aufgeprägt wird, welche zwischen Verdichterteil und Turbinenteil in eine zweite Strömungsrichtung transformiert wird, die einer Nenn-Strömungsrichtung entspricht, mit der der Strom unmittelbar einem ersten Laufrad des Turbinenteils zugeführt werden muß, wobei die erste Strömungsrichtung in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Gasturbine geregelt wird.

[0014] Dem Strom ist beim Austreten aus dem Verdichterteil eine erste Strömungsrichtung aufgeprägt, welcher durch die Verbrennung des Brennstoffs in dem Strom in eine zweite Strömungsrichtung transformiert wird, die einer Nenn-Strömungsrichtung entspricht, für die der Turbinenteil ausgelegt ist. Zum Verständnis dieses Merkmals ist zunächst zu bemerken, daß eine Erhitzung, wie sie insbesondere bei der Verbrennung des Brennstoffs erfolgt, die Strömungsrichtung verändert. Die Erhitzung bewirkt nämlich eine Erhöhung der Geschwindigkeit, mit der sich der Strom fortpflanzt, wobei sich allerdings nur eine Komponente der Geschwindigkeit in Fortpflanzungsrichtung des Stroms vergrößert. Die den Drall darstellende Komponente der Geschwindigkeit senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung kann durch die Erhitzung des Stroms naturgemäß nicht verändert werden. Aus diesem Grund sind unter Umständen gewisse Anpassungsmaßnahmen erforderlich, um die erste Strömungsrichtung, mit der der Strom aus dem Verdichterteil austritt, so einzustellen, daß die zweite Strömungsrichtung, die der Strom beim Eintritt in den Turbinenteil hat, bei einem durch die Geometrie des Turbinenteils vorgegebene Richtung, hier "Nenn-Strömungsrichtung" genannt, liegt. Wünschenswert ist es selbstverständlich, eine solche Einstellung nicht nur für einen Vollastbetrieb der Gasturbine sichergestellt zu wissen, sondern auch für Betriebszustände, bei denen eine geringere Leistung als die bei Vollast erzeugte Leistung entwickelt wird. Es ist daher eine Möglichkeit vorgesehen, die erste Strömungsrichtung, das heißt die Strömungsrichtung, mit der der Strom aus dem Verdichterteil austritt, in Abhängigkeit von einer thermischen Leistung, mit der durch die Verbrennung Wärme erzeugt wird, zu regeln. Es versteht sich, daß eine Regelung in Abhängigkeit von der thermischen Leistung im Ergebnis auch eine Regelung in Abhängigkeit von einer von der Gasturbine abgegebenen mechanischen Leistung ist. Der Verdichterteil umfaßt dazu ein letztes Leitrad, welches von dem Strom beim Austreten aus dem Verdichterteil durchströmt wird, und welches zur Variation der ersten Strömungsrichtung, mit der der Strom hinter dem letzten Leitrad strömt, verstellbar ist. Verstellbare Leiträder für Verdichterteile sind grundsätzlich bekannt, finden gemäß bisheriger Praxis allerdings ausschließlich Anwendung am Eintritt eines Verdichterteils und dienen der Einstellung des Einlaßquerschnitts, durch den Luft angesaugt wird. In diesem Rahmen dient das verstellbare Leitrad insbesondere zur Einstellung der Leistung, die von der Gasturbine abgegeben werden soll. Mit einem verstellbaren letzten Leitrad am Austrittsende eines Verdichterteils kann der Drall, mit dem der Strom den Verdichterteil verläßt, eingestellt werden, und dies insbesondere in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Gasturbine. Es ist dadurch möglich, den Drall des Stroms für jeden denkbaren Betriebszustand den Anforderungen, die der Turbinenteil an den Drall des Stroms stellt, anzupassen.

[0015] Im Sinne der Erfindung werden besondere Brenner, die gemäß herkömmlicher Praxis zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil angeordnet sind, vermieden, und es wird ein einziger Brenner realisiert, der sich über den gesamten Querschnitt des Stroms zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil erstreckt. Da eine Gasturbine üblicherweise bezüglich einer Längsachse rotationssymmetrisch ist, ist in der Regel auch der im Sinne der Erfindung realisierte Brenner rotationssymmetrisch um die Längsachse. Dieser Brenner wird realisiert, indem der Austritt des Verdichterteils selbst als Brenner ausgebildet wird; vom Einsatz einer herkömmlichen Brennkammer oder einer Anordnung mit mehreren herkömmlichen Brennkammern sowie vom Einsatz besonderer und voneinander beabstandeter Brenner wird abgesehen.

[0016] Man kann die erfindungsgemäß realisierte Anordnung, bei der der Austritt des Verdichterteils selbst als Brenner fungiert, somit als "integrierten Vormisch-Flächenbrenner" bezeichnen, da eine Verbrennung über die gesamte Querschnittsfläche des Stroms realisiert wird und die Komponenten des Brenners in den Verdichterteil integriert sind; aufgrund der Zuführung des Brennstoffs in den Verdichterteil ergibt sich eine Vormischung des Brennstoffs mit der Luft von selbst. Durch die Vormischung wird die Bildung einer gleichmäßigen Verteilung der Temperatur während und nach der Verbrennung sichergestellt, wobei aufgrund des Wegfalls ausgeprägter Temperaturmaxima auch der Entstehung von Stickoxid vorgebeugt wird.

[0017] Bevorzugtermaßen wird für eine intensive Vermischung des Brennstoffs mit dem Strom Sorge getragen, bevor es zu einer Entzündung und Verbrennung des Brennstoffs kommt.

[0018] Zur Entzündung des Brennstoffs in dem Strom sind vorzugsweise besondere, in den Strom gerichtete Pilotflammen in angemessener Anzahl vorgesehen; solche Pilotflammen können mit kleinen Brennern gebildet werden. Sie bewirken eine lokale Aufheizung und Entzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches, die sich schnell über den gesamten Strom ausbreiten kann.

[0019] Weiterhin bevorzugt ist es, daß der Strom nach der Vermischung mit dem Brennstoff verzögert wird. Eine derartige Verzögerung, die insbesondere in einem als Diffusor ausgebildeten Ringkanal zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil erfolgen kann, kann eine für eine stabile Verbrennung günstige Geschwindigkeit des Stroms einstellen. Gegebenenfalls kann diese Verzögerung auch in einem besonderen feststehenden Schaufelkranz erfolgen; an einem solchen Schaufelkranz können gegebenenfalls auch Einrichtungen zur Stabilisierung der Verbrennung angebracht sein.

[0020] Das Verfahren findet vorzugsweise Anwendung unter Benutzung eines Brennstoffs in Form eines brennbaren Gases, insbesondere Erdgas oder Kohlegas, wobei unter Kohlegas jedwedes brennbare gasförmige Produkt eines Kohlevergasungsprozesses zu verstehen ist.

[0021] Im Hinblick auf eine Gasturbine wird zur Lösung der gestellten Aufgabe angegeben eine Gasturbine zur Verbrennung eines Brennstoffes in einem Strom verdichteter Luft, welcher von einem Verdichterteil zu einem Turbinenteil strömt, mit einem Ringkanal zur Führung des Stromes sowie Düsen zur Zuführung des Brennstoffs zu dem Strom in dem Verdichterteil, bei welcher Gasturbine dem Strom beim Austreten aus dem Verdichterteil eine erste, mit einem verstellbaren letzten Leitrad am Austrittsende des Verdichterteils regelbare Strömungsrichtung aufgeprägt wird, welche zwischen Verdichterteil und Turbinenteil in eine zweite Strömungsrichtung transoformiert wird, die einer Nenn-Strömungsrichtung entspricht, mit der der Strom unmittelbar einem ersten Laufrad des Turbinenteils zugeführt werden muß, wobei die erste Strömungsrichtung in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Gasturbine geregelt wird.

[0022] Spezifische Vorteile und Wirkungen dieser Gasturbine erschließen sich aus den Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren, so daß sich an dieser Stelle entsprechende Ausführungen erübrigen.

[0023] Die Düsen sind vorzugsweise auf einem Leitrad in dem Verdichterteil angebracht und können insbesondere in feststehende Leitschaufeln, die wesentliche Bestandteile des Leitrades sind, integriert sein. Bevorzugtermaßen sind die Düsen in hohlen Leitschaufeln des Leitrades angebracht. Das Leitrad mit den Düsen ist insbesondere das vorletzte odere letzte, von dem Strom zu umströmende Leitrad, im Zusammenhang mit einer nachfolgend beschriebenen bevorzugten Weiterbildung, das vorletzte Leitrad. Eine solche Plazierung der Düsen gewährleistet bei gleichmäßiger Verteilung des Brennstoffes in dem Strom eine hohe Sicherheit gegen vorzeitige Entzündung des Brennstoffes, wie sie in Anbetracht der in einer modernenen Gasturbine am Verdichteraustritt herrschenden Temperatur wünschenswert ist.

[0024] Zur Stabilisierung der Verbrennung ist zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil vorzugsweise ein Flammenhalter angeordnet. Ein solcher Flammenhalter ist beispielsweise als Strömungshindernis ausgebildet und bewirkt, daß sich in dem Strom unmittelbar im Anschluß an den Flammenhalter ein Wirbel- oder Rückströmgebiet ausbildet. Ein solches Wirbelgebiet ist geeignet zur Ausbildung einer weitgehend ortsfesten Flamme, was zur Gewährleistung einer stabilen und vollständigen Verbrennung von Bedeutung sein kann.

[0025] Ebenfalls bevorzugt ist der Ringkanal zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil nach Art eines Diffusors erweitert. Diese Erweiterung muß nicht unbedingt gleichmäßig erfolgen, sondern kann gegebenenfalls mehr oder weniger sprunghaft sein. Solches führt zur Ausbildung einer Front in dem Strom, an der er sich deutlich verlangsamt und an der sich eine stabile Flamme bilden und erhalten kann; so kann der Diffusor als Flammenhalter wirken.

[0026] Weiterhin bevorzugt ist der Ringkanal zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil mit keramischen Hitzeschildelementen ausgekleidet, welche die von der Verbrennung ausgehende thermische Belastung bei geringem Kühlbedarf aufnehmen.

[0027] Die Gasturbine hat darüber hinaus einen Turbinenteil, in dem der Strom unmittelbar einem Laufrad zugeführt wird. Dies impliziert, daß der Strom in dem Ringkanal mit einem Drall geführt wird und daß die Verbrennung in diesem Strom stattfindet.

[0028] In diesem Zusammenhang ist der Turbinenteil besonders einfach gestaltet, da er an seinem Einlaß keines Leitrades bedarf, mit dem ein zum Betrieb der rotierenden Laufräder des Turbinenteils erforderlicher Drall erst aufgebaut werden müßte. Ein derartiges Leitrad am Eintritt des Turbinenteils ist nämlich eine der thermisch am höchsten belasteten Komponenten der Gasturbine mit einem entsprechend hohen Kühlbedarf, der herkömmlicherweise auf Kosten der zur Verbrennung bereitstehenden Luft gedeckt werden muß, sowie mit entsprechenden Anforderungen an den zur Herstellung zu verwendenden Werkstoff. In Anwendung der Erfindung kann daher eine besonders wirtschaftliche Gasturbine realisiert werden.

[0029] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung geht aus der Zeichnung hervor. Zur Herausstellung spezifischer Merkmale ist die Zeichnung teilweise schematisiert und/oder verzerrt ausgeführt. Es wird nicht geltend gemacht, daß die Zeichnung ein formgetreues Abbild einer real ausführbaren Gasturbine sei. Zur Ergänzung der aus der Zeichnung und ihrer zugehörigen Beschreibung erkennbaren Hinweise wird auf die zitierten Dokumente des Standes der Technik sowie das allgemeine Fachwissen des einschlägig tätigen Durchschnittsfachmanns verwiesen.

[0030] Die Figur zeigt eine Gasturbine 1 mit einem Verdichterteil 2 und einem Turbinenteil 3. Der Verdichterteil 2, der nur teilweise dargestellt ist, saugt aus der Umgebung der Gasturbine 1 Luft an, komprimiert sie und stellt sie als Strom 4 verdichteter Luft bereit. Dieser Strom 4 wird im Verdichterteil 2 mit Brennstoff 5 versetzt, wobei dieser Brennstoff 5 durch Düsen 6 zugeführt wird. Beim Austritt aus dem Verdichterteil 2 weist der Strom 4 eine erste Strömungsrichtung 7 auf, mit einer Geschwindigkeitskomponente, die senkrecht zu der Richtung, in der der Strom 4 sich fortpflanzt, gerichtet ist. Diese erste Strömungsrichtung 7 verändert sich unter Umständen, bis der Strom 4 den Turbinenteil 3 erreicht, wobei sich am Eintritt des Turbinenteils 3 eine zweite Strömungsrichtung 8 einstellt. Die Veränderung ist wesentlich bedingt durch die Verbrennung des Brennstoffs 5, die initiiert wird durch Pilotflammen 9, die zwischen dem Verdichterteil 2 und dem Turbinenteil 3 in den Strom 4 hineinragen. Die Pilotflammen 9 bilden sich an Brennstoff, der durch entsprechende Düsen 10 zugestellt wird. In der Regel wird es eine Mehrzahl oder Vielzahl von Pilotflammen 9 geben; der Übersicht halber ist nur eine der Pilotflammen 9 dargestellt. Am Eintritt des Turbinenteils 3 befindet sich nicht ein feststehendes Leitrad gemäß herkömmlicher Praxis, sondern unmittelbar ein Laufrad 11. Durch entsprechende Einstellung der zweiten Strömungsrichtung 8 kann nämlich auf ein Leitrad am Eintritt des Turbinenteils 3 verzichtet werden.

[0031] Die Zustellung des Brennstoffs 5 zu dem Strom 4 erfolgt durch die erwähnten Düsen 6, die sich an einem vorletzten Leitrad 12 des Verdichterteils 2 befinden. Die Düsen 6 sind insbesondere Mündungen von Kanälen in entsprechenden hohlen Leitschaufeln, die gemeinsam und ringförmig angeordnet das vorletzte Leitrad 12 bilden. Am Austritt des Verdichterteils 2 angeordnet ist ein letztes Leitrad 13, welches aus Leitschaufeln gebildet ist, die mit entsprechenden Verstelleinrichtungen 14 verstellbar sind. Damit kann je nach Betriebszustand der Gasturbine 1 die erste Strömungsrichtung 7 und damit die zweite Strömungsrichtung 8 eingestellt und insbesondere den Erfordernissen des Turbinenteils 3 angepaßt werden. Je nach Auslegung der Gasturbine 1 kann eventuell von einem Leitrad 12 am Austritt des Verdichterteils 2 abgesehen werden.

[0032] Um die Verbrennung des Brennstoffs 5 in dem Strom 4 zu stabilisieren, sind zwischen dem Verdichterteil 2 und dem Turbinenteil 3 Flammenhalter 15 vorgesehen. Auf die konkrete Ausführungsform dieser Flammenhalter 15 kommt es weniger an, zumal Flammenhalter in vielerlei Art im Stand der Technik bekannt sind und vorliegend Einsatz finden können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Flammenhalter 15 zum Beispiel ein fest verankerter Stab, der in einen Ringkanal 16, durch den sich der Strom 4 vom Verdichterteil 2 zum Turbinenteil 3 fortsetzt, hineinragt. Wichtig ist, daß sich hinter dem Flammenhalter 15 ein Wirbel ausbildet, an dem sich eine Flamme stabilisieren kann. Diese Funktion kann nicht nur von Stäben, sondern auch von anders gestalteten Bauelementen wahrgenommen werden.

[0033] Die Zuführung des Brennstoffs 5 zu den Düsen 6 und 10 erfolgt über entsprechende Brennstoffleitungen 17 und Brennstoffpumpen 18 aus einem Brennstoffvorrat 19. Der Brennstoffvorrat 19 kann irgendein Speicher sein, es ist aber auch denkbar, daß der Brennstoffvorrat 19 ein öffentliches Versorgungsnetz, insbesondere für gasförmigen Brennstoff wie Erdgas, ist. Auch denkbar ist, daß der Brennstoffvorrat 19 zu einer Anlage gehört, in der Kohle vergast und ein brennbares Vergasungsprodukt, nämlich Kohlegas, gewonnen wird, welches als Brennstoff der Gasturbine 1 dienen kann.

[0034] Zum Schutz gegen übermäßige thermische Belastung sind die den Ringkanal 16 bildenden Strukturen der Gasturbine 1 geschützt durch einen Hitzeschild, der beispielsweise gebildet wird mit keramischen Hitzeschildelementen 20. Derartige Hitzeschilde sind in vielerlei Arten im einschlägigen Stand der Technik bekannt, so daß an dieser Stelle weitere Ausführungen entbehrlich sind.

[0035] Die Erfindung betrifft eine Gasturbine sowie ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom verdichteter Luft, welcher eine Gasturbine von einem Verdichterteil zu einem Turbinenteil durchströmt, wobei der Brennstoff zwischen dem Verdichterteil und dem Turbinenteil verbrannt wird, wobei der Brennstoff dem Strom im Verdichterteil zugeführt wird. Die Erfindung ermöglicht eine wesentliche Vereinfachung des Aufbaus einer Gasturbine und bringt durch die Vermeidung von Druckverlusten und Reibungsverlusten auch wesentliche Vorteile im Hinblick auf die Thermodynamik des in der Gasturbine stattfindenden Energieumwandlungsprozesses mit sich.

Ansprüche

1. Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffes (5) in einem Strom (4) verdichteter Luft, welcher eine Gasturbine (1) von einem Verdichterteil (2) zu einem Turbinenteil (3) durchströmt, wobei der Brennstoff (5) dem Strom (4) im Verdichterteil (2) zugeführt und zwischen dem Verdichterteil (2) und dem Turbinenteil (3) verbrannt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Strom (4) beim Austreten aus dem Verdichterteil (2) eine erste, mit einem verstellbaren letzten Leitrad (13) am Austrittsende des Verdichterteils (2) regelbare Strömungsrichtung (7) aufgeprägt wird, welche zwischen Verdichterteil (2) und Turbinenteil (3) in eine zweite Strömungsrichtung (8) transformiert wird, die einer Nenn-Strömungsrichtung entspricht, mit der der Strom (4) unmittelbar einem ersten Laufrad des Turbinenteils (3) zugeführt werden muß, wobei die erste Strömungsrichtung (7) in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Gasturbine (1) geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Brennstoff (5) mit dem Strom (4) intensiv vermischt wird, bevor er verbrannt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Brennstoff (5) in dem Strom (4) an zusätzlich in den Strom (4) gerichteten Pilotflammen (9) entzündet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Strom (4) nach der Vermischung mit dem Brennstoff (5) verzögert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Strömungsrichtung (7) in Abhängigkeit von einer thermischen Leistung, mit der durch die Verbrennung Wärme erzeugt wird, geregelt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Brennstoff (5) ein brennbares Gas, insbesondere Erdgas oder Kohlegas, ist.

7. Gasturbine zur Verbrennung eines Brennstoffes (5) in einem Strom (4) verdichteter Luft, welcher von einem Verdichterteil (2) zu einem Turbinenteil (3) strömt, mit einem Ringkanal (16) zur Führung des Stromes (4) sowie Düsen (6) zur Zuführung des Brennstoffs (5) zu dem Strom (4) in dem Verdichterteil (2),
dadurch gekennzeichnet, daß dem Strom (4) beim Austreten aus dem Verdichterteil (2) eine erste, mit einem verstellbaren letzten Leitrad (13) am Austrittsende des Verdichterteils (2) regelbare Strömungsrichtung (7) aufgeprägt wird, welche zwischen Verdichterteil (2) und Turbinenteil (3) in eine zweite Strömungsrichtung (8) transformiert wird, die einer Nenn-Strömungsrichtung entspricht, mit der der Strom (4) unmittelbar einem ersten Laufrad des Turbinenteils (3) zugeführt werden muß, wobei die erste Strömungsrichtung (7) in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Gasturbine (1) geregelt wird.

8. Gasturbine (1) nach Anspruch 7, bei der die Düsen (6) auf einem Leitrad (12, 13) in dem Verdichterteil (2) angeordnet sind.

9. Gasturbine(1) nach Anspruch 8, bei der der Strom (4) in dem Verdichterteil (2) eine Vielzahl von Leiträdern (12,13) durchströmt und das Leitrad (12) mit den Düsen (6) das vorletzte oder letzte ist, welches der Strom (4) durchströmt.

10. Gasturbine (1) nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Düsen (6) in hohlen Leitschaufeln des Leitrades (12) angebracht sind.

11. Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, die einen zwischen dem Verdichterteil (2) und dem Turbinenteil (3) angeordneten Flammenhalter (15) aufweist.

12. Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der sich der Ringkanal (16) zwischen dem Verdichterteil (2) und dem Turbinenteil (3) nach Art eines Diffusors erweitert.

13. Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei der der Ringkanal (16) mit keramischen Hitzeschildelementen (20) ausgekleidet ist.

Claims

1. Method for combustion of a fuel (5) in a flow (4) of compressed air which passes through a gas turbine (1) from a compressor section (2) to a turbine section (3), the fuel (5) being fed to the flow (4) in the compressor section (2) and being burnt between the compressor section (2) and the turbine section (3),
characterized in that, when it emerges from the compressor section (2), the flow (4) is forced in a first flow direction (7), which can be controlled by an adjustable final stator disc (13) at the outlet end of the compressor section (2) and is transformed between the compressor section (2) and the turbine section (3) into a second flow direction (8) which corresponds to a nominal flow direction, in which the flow (4) must be supplied directly to a first rotor disc of the turbine section (3), with the first flow direction (7) being controlled as a function of the operating state of the gas turbine.

2. Method according to Claim 1, in which the fuel (5) is intensively mixed with the flow (4) before it is burnt.

3. Method accordng to one of the preceding claims, in which the fuel (5) in the flow (4) is ignited at pilot flames (9) which are additionally directed into the flow (4).

4. Method according to one of the preceding claims, in which the flow (4) is decelerated after being mixed with the fuel (5).

5. Method according to one of the preceding claims, in which the first flow direction (7) is controlled as a function of a thermal power with which heat is produced by the combustion.

6. Method according to one of the preceding claims, in which the fuel (5) is a combustible gas, in particular natural gas or coal gas.

7. Gas turbine for combustion of a fuel (5) in a flow (4) of compressed air which flows from a compressor section (2) to a turbine section (3), having an annular channel (16) for carrying the flow (4) as well as nozzles (6) for feeding the fuel (5) into the flow (4) in the compressor section (2),
characterized in that, when it emerges from the compressor section (2), the flow (4) is forced in a first flow direction (7), which can be controlled by an adjustable final stator disc (13) at the outlet end of the compressor section (2) and is transformed between the compressor section (2) and the turbine section (3) into a second flow direction (8) which corresponds to a nominal flow direction, in which the flow (4) must be supplied directly to a first rotor disc of the turbine section (3), with the first flow direction (7) being controlled as a function of the operating state of the gas turbine.

8. Gas turbine (1) according to Claim 7, in which the nozzles (6) are arranged on a stator disc (12, 13) in the compressor section (2).

9. Gas turbine (1) according to Claim 8, in which the flow (4) in the compressor section (2) passes through a large number of stator discs (12, 13), and the stator disc (12) having the nozzles (6) is the last but one or last which the flow (4) passes through.

10. Gas turbine (1) according to Claim 8 or 9, in which the nozzles (6) are fitted in hollow stator blades in the stator disc (12).

11. Gas turbine (1) according to one of Claims 7 to 10, which has a flame holder (15) arranged between the compressor section (2) and the turbine section (3).

12. Gas turbine (1) according to one of Claims 7 to 11, in which the annular channel (16) expands between the compressor section (2) and the turbine section (3) like a diffuser.

13. Gas turbine (1) according to one of Claims 7 to 1, in which the annular channel (16) is lined with ceramic heat shield elements (20).

Revendications

1. Procédé de combustion d'un combustible (5) dans un courant (4) d'air comprimé qui passe dans une turbine (1) à gaz d'une partie (2) de compresseur à une partie (3) de turbine, le combustible (5) étant amené au courant (4) dans la partie (2) de compresseur et étant brûlé entre la partie (2) de compresseur et la partie (3) de turbine,
   caractérisé en ce qu'il est imprimé au courant (4) à la sortie de la partie (2) de compresseur une première direction (7) de courant qui peut être réglée par une dernière roue (13) directrice réglable à l'extrémité de sortie de la partie (2) du compresseur, qui se transforme entre la partie (2) de compresseur et la partie (3) de turbine en une deuxième direction (8) d'écoulement, qui correspond à une direction d'écoulement nominale suivant laquelle le courant (4) doit être amené directement à une première roue mobile de la partie (3) de turbine, la première direction (7) d'écoulement pouvant être réglée en fonction de l'état de fonctionnement de la turbine (1) à gaz.

2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel le combustible (5) est mélangé intensivement au courant (4) avant d'être brûlé.

3. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel le combustible (5) est allumé dans le courant (4) sur des flammes (9) pilotes dirigées en plus dans le courant (4).

4. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel le courant (4) est ralenti après le mélange au combustible (5).

5. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel la première direction (7) d'écoulement est réglée en fonction d'une puissance thermique par laquelle de la chaleur est produite par la combustion.

6. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel le combustible (5) est un gaz combustible, notamment du gaz naturel ou du gaz de charbon.

7. Turbine à gaz pour la combustion d'un combustible (5) dans un courant (4) d'air comprimé qui passe d'une partie (2) de compresseur à une partie (3) de turbine, comprenant un canal (16) annulaire de passage du courant (4) ainsi que des buses (6) pour amener le courant (4), ainsi que des buses (6) pour amener le combustible (5) au courant (4) dans la partie (2) de compresseur,
   caractérisée en ce qu'il est imprimé au courant (4) à la sortie de la partie (2) de compresseur une première direction (7) d'écoulement pouvant être réglée par une dernière roue (13) directrice réglable à l'extrémité de sortie de la partie (2) de compresseur, direction qui se transforme entre la partie (2) de compresseur et la partie (3) de turbine en une deuxième direction (8) d'écoulement, qui correspond à une direction d'écoulement nominale suivant laquelle le courant (4) doit être amené directement à une première roue mobile de la partie (3) de turbine, la première direction (7) d'écoulement étant réglée en fonction de l'état de fonctionnement de la turbine (1) à gaz.

8. Turbine (1) à gaz suivant la revendication 7, dans laquelle les buses (6) sont montées sur une roue (12, 13) directrice dans la partie (2) de compresseur.

9. Turbine (1) à gaz suivant la revendication 8, dans laquelle le courant (4) dans la partie (2) de compresseur passe dans une pluralité de roues (12, 13) directrices et la roue (12) directrice ayant les buses (6) est l'avant-dernière ou la dernière dans laquelle passe le courant (4).

10. Turbine (1) à gaz suivant la revendication 8 ou 9, dans laquelle les buses (6) sont disposées dans des aubes directrices creuses de la roue (12) directrice.

11. Turbine (1) à gaz suivant l'une des revendications 7 à 10, qui comporte un accrocheur de flammes (15) interposé entre la partie (2) de compresseur et la partie (3) de turbine.

12. Turbine (1) à gaz suivant l'une des revendications 7 à 11, dans laquelle le canal (16) annulaire s'élargit à la manière d'un diffuseur entre la partie (2) de compresseur et la partie (3) de turbine.

13. Turbine (1) à gaz suivant l'une des revendications 7 à 12, dans laquelle le canal (16) annulaire est garni d'éléments (20) en céramique formant bouclier thermique.

Zeichnung