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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Brennstoffverbrennung in Brennkammern, das zunächst in einer Unterteilung der Primär- und Sekundär- luft in einzelne koaxiale Ringstrahlen, dann in einer Umlenkung der koaxialen Primärluft-Ringstrahlen (1, 1) in bezug auf die Längsachse der Brennkammer besteht, wobei die benachbarten Primärluft-Ringstrahlen (1, 1) gegensinnig umgelenkt werden, und das ferner in der Zufuhr der umgelenkten Primärluft- Ringstrahlen gleichzeitig mit dem Brennstoff in die Brennzone (6) der Brennkammer unter Ausbildung einer Zirkulationsströ- mung des Brennstoff-Luft-Gemisches besteht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der koaxialen Sekundarluft-Ringstrahlen (2) in die Brennzone (6) zugefuhrt wird,
und dass die koaxialen Primärluft-Ringstrahlen (1) in tangentialer Richtung umgelenkt werden.
2. Ringbrennkammer fur die Durchfuhrung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit zwei konzentrischen Ringflammrohren (11, 12) zur Begrenzung der Brennzone (6) in der Brennkammer, einem zwischen den konzentrischen Ringflammrohren (11, 12) angeordneten und den dazwischenliegenden Raum in zwei konzentrische Ringkanäle unterteilenden Ringflammenhalter (4), der Offnungen (14) fur die Brennstoffzufuhr aufweist, die in der der Brennzone (6) zugewandten Aussenwand (13) des Ringflammenhalters ausgefuhrt sind, mit Elementen für die Zu fuhr der Sekundärluft sowie mit Elementen fur die Zufuhr der Primärluft, wobei die zuletzt genannten Elemente in jedem der Kanäle angeordnet sind und Schaufelwirbler (17,
18) mit gegensinnigen Luftstrom-Umlenkungswinkeln aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente fur die Zufuhr der Primiir- luft eine Umlenkung der Primärluft in tangentialer Richtung bewirken, und dass die Elemente fur die Zufuhr der Sekundir- luft zwischen den Elementen fur die Zufuhr der Primärluft und den konzentrischen Ringflammrohren (11, 12) angeordnet sind.
3. Ringbrennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente fur die Zufuhr der Sekundirluft in Form von zwei durch die konzentrischen Ringflammrohre (11, 12) und die Elemente fur die Zufuhr der Primärluft begrenzten Ringspalten (25, 26) ausgefuhrt sind, dass in jedem dieser Elemente fur die Zufuhr der Sekundifluft ein Schaufelwirbler (34 bzw. 35) angeordnet ist, der mindestens einen Teil des Durchgangsquerschnittes des Ringspaltes (25 bzw. 26) iiberdeckt, und dass der jeweilige Schaufelwirbler (34 bzw.
35) der Elemente fur die Zufuhr der Sekundirluft derart ausgefuhrt ist, dass er die Sekundirluft in derselben Richtung umlenkt wie der sich im selben Ringkanal (15 bzw. 16) befindliche Schaufel- (17 bzw.
18) bzw. Schlitzwirbler (19 bzw. 20) der Elemente fur die Zufuhr der Primirluft.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brennstoffverbrennung in Brennkammern, das zunächst in einer Unterteilung der Primir- und Sekundärluft in einzelne koaxiale Ringstrahlen, dann in einer Umlenkung der koaxialen Primir- luft-Ringstrahlen in bezug auf die Lingsachse der Brennkammer besteht, wobei die benachbarten Primirluft-Ringstrahlen gegensinnig umgelenkt werden, und das ferner in der Zufuhr der umgelenkten Primirluft-Ringstrahlen gleichzeitig mit dem Brennstoff in die Brennzone der Brennkammer unter Ausbildung einer Zirkulationsströmung des Brennstoff-Luft-Gemisches besteht, sowie eine Ringbrennkammer zur Durchfiihrung dieses Verfahrens.
Besonders vorteilhaft kann ein solches Verfahren in mit gas förmigen Brennstoff, insbesondere mit Naturgas betriebenen Gasturbinentriebwerken verwendet werden, in denen der Brennvorgang unter getrennter Zufuhr des Brennstoffes und der Verbrennungsluft vor sich geht, wobei die Vermischung des Brennstoffes mit der Primirluft und die Stabilisierung des Brennens mit Hilfe von Wirbelstrbmen erfolgt.
Es ist bekannt, dass zur Stabilisierung der Verbrennungsfak tel (Flamme) bei verschiedenen Verfahren zur Brennstoffver rennung eine Zufuhr von Wirme zu deren Fuss erforderlich st, die als Quelle fur die Ziindung des frischen Brennstoff-Luft3emisches dient. In den Brennkammern der Gasturbinentrieb Kerke ist die mittlere Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft Stromes stets hither als die Geschwindigkeit der turbulenten Verbrennung.
Eine sichere Entzundung und stabile Verbren mng des Brennstoffes sowie eine vollkommene Brennstoffver zrennung und eine vorgegebene Temperaturverteilung des Gasstromes am Austritt aus der Brennkammer sind deswegen wichige Massnahmen, weil eine unsichere Entziindung und ein nicht stabiles Brennen des Brennstoffes die Betriebssicherheit des Gasturbinentriebwerks in einem wesentlichen Mass herabset eit Die unvollkommene Brennstoffverbrennung verschlechtert lie Wirtschaftlichkeit des Triebwerks und die Nichtiibereinstimnung der tatsachlichen Temperaturverteilung im Gasstrom am 4=ustritt aus der Brennkammer mit der vorgegebenen Verteiung vermindert die Lebensdauer und Festigkeit der
Gasturbi enschaufeln und also auch des gesamten Triebwerks.
Zur Zeit erlangen eine stets wachsende Bedeutung die Fra yen, die mit der Lösung der Aufgaben betreffend die Steigerung iller Wirmebelastung des Feuerraums von Brennkammern, die me Reduzierung deren Lange und ihre Gedrungenheit gewähr- eistet, sowie der Aufgaben betreffend die Herabsetzung des 3ehalts von schidlichen Komponenten in den Verbrennungs ,rodukten, die in die Atmosphere entlassen werden, und betref end ein missives Temperaturniveau der Feuerelemente in der Brennkammer verbunden sind.
Eine erfolgreiche Lösung dieser Aufgabe hiing in einem lohen Masse von der Organisation des Vermischungsvorgangs les Brennstoffs mit der Luft in der Brennzone der Kammer und ler Ausbildung in dieser von bestindigen Zirkulationszonen kisser Gase ab, die eine gesicherte Entziindung des Brennstoffs ind das stabile Brennen desselben bei einem erhdhten Luft iberschuss in der Brennzone gewilirleisten.
Es ist ein Verfabren zur Brennstoffverbrennung in Brenn Kammern bekannt, welches darin besteht, dass der Strom der Primärluft, d.h. der Luft, die zur Organisation und Stabilisation ler Verbrennung benötigt wird, in konzentrische Ringstrahlen mterteilt, unter einem Winkel von 45 -60 zur Lingsachse der Brennkammer verdrillt und in die Brennzone der Kammer zu :efiihrt wird. Dabei werden zwei konzentrische, durch einen Ringflammenhalter unterteilte Ringstrahlen der Primirluft in intgegengesetzten Richtungen verdrillt. Gleichzeitig wird der Brennzone Brenngas zugeführt, das sich mit der Primirluft vernischt und ein Brennstoff-Luft-Gemisch bildet.
In der Zone des lerodynamischen Schattens, unmittelbar hinter dem Flammen salter, entsteht eine Unterdruckzone, wodurch sich in der Brennzone eine lings der Brennkammerachse gerichtete ver wirbelte Zirkulationsströmung mit einem Direktfluss (stromab wirts) des brennenden Brennstoff-Luft-Gemisches und einem Rfickfluss (stromaufwiirts) der heissen Verbrennungsprodukte Lrgibt. Die Verbrennungsprodukte gewährleisten die Wirmezu- :'uhr zum frischen Brennstoff-Luft-Strahl und die Stabilisierung lessen Brennens.
In die Vermischungszone der Kammer wird lie auch vorliufig in koaxiale Ringstrahlen unterteilte Sekun lirluft zugefuhrt, die sich den Verbrennungsprodukten beinengt, ihre Temperatur herabsetzt und die Feuerungselemente ler Brennkammer kühlt.
Eine Ringbrennkammer zur Durchfuhrung dieses Verfahrens zur Brennstoffverbrennung enthält zwei konzentrische Dingflammrohre, die einen Teil der Brennzone der Kammer bgrenzen und zwischen denen der Ringflammenhalter ange 3rdnet ist.
Der Ringflammenhalter unterteilt den Raum zwi lichen den Flammrohren in zwei konzentrische Ringkaniile, in lenen die in Form von Schaufelwirblern mit gegensinnigen Luftstrom-Verdrillwinkeln ausgeführten Elemente zur Zuleitung der Primirluft untergebracht sind, die eine Verdrillung der Primirluft-Ringstrahlen in den konzentrischen Ringkanälen in entgegengesetzten Richtungen und die Zufuhr derselben in die Brennzone gewährleisten. In der der Brennzone zugewandten Aussenwand des Flammenhalters sind offnungen zur Zuleitung des Brennstoffs in die Brennzone ausgeführt.
Die Elemente zur Zufuhr der Sekundirluft stellen einen Schaufelwirbler dar, der an einem von den Flammrohren angebracht und in bezug auf die Primirluftwirbler in der Richtung des Gas-Luft Stroms versetzt ist.
Ein wesentlicher Nachteil des oben beschriebenen Verfahrens zur Brennstoffverbrennung und der zur Durchfiihrung dieses Verfahrens dienenden Brennkammer besteht im Vorhandensein in der Brennzone eines Rtickflusses der heissen Verbrennungsprodukte. Dieser Aufbau des Zirkulationsstroms ver längert die eigentliche Brennzone und gestattet nicht, den Feuerraum der Brennzone effektiver auszunutzen, da ein Teil seines Volumens der gegenlaufende Strom der Verbrennungsprodukte ausfiillt, in dem keine Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches geschieht.
Ausserdem erfolgt die Verbrennung des Brennstoffs bei geringen Luftiiberschiissen und also bei einer hohen Temperatur in der Brennzone. Dabei erhöht sich der Gehalt der sich beim Brennen bildenden schÅaidlichen Komponenten in den Verbrennungsprodukten, z. B. der Stickstoffoxyde, die in die Atmosphl- re gelassen werden. Die hohe Temperatur in der Brennzone fiihrt auch zu einer verstirkten Erwirmung der brennstoffverteilenden Elemente in der Brennkammer - der gelochten Aussenwand des Flammenhalters -, wodurch die Betriebssicherheit herabgesetzt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Brennstoffverbrennung in den Brennkammern zu entwickeln und eine Ringbrennkammer zur Durchfiihrung dieses Verfahrens zu schaffen, die eine hohe Intensität des Brennvorgangs und eine Reduzierung der Brennzonenlänge durch die Ausbildung einer intensiven verwirbelten Zirkulationsströmung des Brennstoff-Luft-Gemisches, dessen Strömungsbahnen in der Querschnittsebene der Brennkammer liegen,
sowie einen herabgesetzten Gehalt von schadlichen Komponenten in den Verbrennungsprodukten und eine Sicherheitserhöhung fir die brennstoffverteilenden Elemente durch die Temperaturverminderung in der Brennzone gewährleisten warden.
Diese Aufgabe wird beim Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemlss so gelöst, wie im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 definiert ist.
Die gestellte Aufgabe wird auch durch die Ringbrennkammer zur Durchfuhrung des Verfahrens gelöst, die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 2 definiert ist.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Zufuhr der Primärluft in die Brennzone in Form von tangential und einander entgegengesetzt gerichteten Strahlen erfolgt, die die Entstehung einer intensiven Zirkulationsstriimung in der Brennzone ermöglichen. Diese Strahlen verursachen eine grosse Anzahl von intensiven und grossmassflächigen Wirbeln, welche den gesamten Querschnitt der Brennzone ausftillen und keinen Rückfluss der Verbrennungsprodukte zulassen, wodurch die Lunge der Brennzone und also auch die Lunge der Brennkammer wesentlich reduziert wird.
Die Bewegung des Brennstoff Luft-Gemisches zings einer solchen Bahn gewährleistet dessen vollständiges Ausbrennen auf einer kiirzeren Lings der Brennkammer. Der intensive Wirme- und Massenaustausch sowohl im Innern der Wirbel als auch zwischen diesen ergibt giinstige Bedingungen zur Vermischung des Brennstoffs mit der Luft sowie zur Entziindung des frischen Brennstoff-Luft-Gemisches und intensiviert den Verbrennungsvorgang.
Die Zufuhr eines Teiles der Sekundirluft in die Brennzone gestattet ausserdem, den Verbrennungsvorgang mit einem niedrigeren Temperaturniveau in der Brennzone durchzuftihren, was die Erwirmung der Feuerungselemente in der Brennkammer, d.h. der Flammrohre, herabsetzt die Lebensdauer der Brennkammer steigert, und einen verminderten Gehalt von Stickstoffoxyd in den Verbrennungsprodukten gewilirleistet.
Im folgenden wird die Erfindung durch eine Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen anhand der beigelegten Zeichnungen erilutert. Es zeigt
Fig. 1 Luft- und Brennstoffzufuhr in die Brennkammer der Erfindung in schematischer Darstellung;
Fig. 2 Zufuhr koaxialer Luftstrahlen in die prim ire Brennzone gemäss der Erfindung in schematischer Darstellung;
Fig. 3 Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 1;
Fig. 4 Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 1;
Fig. 5 Geschwindigkeitsfeld in zwei zusammenwirkenden entgegengerichteten Luftstrahlen;
Fig. 6 Geschwindigkeitsvektoren iiber die Lunge der Brennkammer einiger in der Fig. 5 dargestellten Stromlinien;
;
Fig. 7 Ringbrennkammer gemäss einer Ausfuhrungsvariante der Erfindung in Längsschnitt;
Fig. 8 Schnitt nach der Linie VIII-VIII der Fig. 7;
Fig. 9 Schnitt nach der Linie IX-IX der Fig. 7;
Fig. 10 Schnitt nach der Linie X-X der Fig. 7;
Fig. 11 Ansicht nach Pfeil A in Fig. 7;
Fig. 12 Ringbrennkammer gemass einer anderen Ausfii.h- rungsvariante der Erfindung im Längsschnitt;
Fig. 13 Ringbrennkammer gemass einer weiteren Ausfüh- rungsvariante der Erfindung im Langsschnitt;
Fig. 14 Ringbrennkammer gemass noch einer Ausfiihrungsvariante der Erfindung im Langsschnitt.
Bei der Zufuhr in die Brennkammer wird der aus der Pri märluft, die eine Stabilisierung des Brennvorgangs gewlhrlei- stet, und der Sekundirluft, die zur Gewihrleistung einer Temperaturherabsetzung der Verbrennungsprodukte und einer Kiihlung der Feuerungselemente in der Brennkammer dient, bestehende Luftstrom vorliufig in einzelne koaxiale Ringstrahlen 1, 2, 3 (Fig. 1) z.B. mit Hilfe eines Ringflammenhalters 4 unterteilt.
Die koaxialen Ringstrahlen 1 der Primirluft werden z.B. mit Hilfe von Wirblern 5 in bezug auf die Längsachse der Brennkammer in tangentialer Richtung umgelenkt und in die Brennzone 6 der Brennkammer zugefiihrt. Dabei weisen die benachbarten Ringstrahlen 1 der Primirluft entgegengesetzte Richtungen auf, wie das durch die Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist.
Die Geschwindigkeitsfelder der umgelenkten Primärluft-Ring- strahlen 1 am Eintritt in die primire Brennzone 6 (Fig. 1) sind in Fig. 3 dargestellt. Infolge der Zusammenwirkung benachbarter Primfiriuftstrahlen 1 entsteht in der hinter dem Flammenhalter 4 liegenden Zone 7 (Fig. 1) des aerodynamischen Schattens eine Zirkulationsströmung 8 (Fig. 4) in Form von intensiven grossflachigen Wirbeln, deren Strombahnen in der Querschnittsfliche der Brennkammer liegen.
Gleichzeitig wird in die Zone 6 (Fig. 1) Brennstoff 9 zugeführt. Der in der tangentialen und radialen Richtung verlaufende intensive turbulente Austausch gewihrleistet die erforderliche Zufuhr der Warme zum frischen Brennstoff-Luft-Gemisch und stabilisiert bzw. intensiviert dessen Brennen.
In die Brennzone 6 gelangen desgleichen koaxiale Ringstrahlen 2 der Sekundirluft. Der Brennvorgang des Brennstoffs 9 und der Vorgang einer teilweisen Vermischung der Verbrennungsprodukte mit der Sekundirluft verlaufen auf diese Weise praktisch parallel, was die Durchftihrung des Verbrennungsvorgangs des Brennstoffs 9 mit einem herabgesetzten Temperatur-' niveau in der Brennzone 6 gewihrleistet, und also den Gehalt an schidlichen Komponenten in den Verbrennungsprodukten vermindert.
In der Fig. 5 sind die Geschwindigkeitsvektoren einiger mit den Buchstaben a, b, c, a', b', c' bezeichneten Stromlinien von zwei zusammenwirkenden entgegengerichteten Primirluft- Ringstrahlen 1 (Fig. 4) im Querschnitt der Brennzone 6 (Fig.1) angegeben, und in der Fig. 6 wird die aus experimentellen Er fahrungen erhaltene Anderung der Vektoren an diesen Stromli nien tiber die Lange der Brennzone 6 (Fig. 1) dargestellt. In Fig.
6 sind an der horizontalen Achse die Werte des Verhiltnisses von l zu d aufgetragen, wo l der Abstand lings der Achse der Brennzone und d deren charakteristische Abmessung sind. Wie das aus Fig. 6 ersichtlich ist, besitzen die Stromlinien des Brennstoff-Luft-Gemisches keine axialen Komponenten in der riickwirtigen Richtung, wodurch die axiale Ausdehnung dei Brennzone 6 (Fig. 1) wesentlich reduziert wird.
Die koaxialen Ringstrahlen 3 der Sekundirluft werden in die Vermischungszone 10 der Brennkammer zwecks einer weiteren Temperaturherabsetzung der Verbrennungsprodukte und Kühlung der Feuerungselemente in der Brennkammer eingeleitet.
Die Ringbrennkammer fur die Durchftihrang des vorgeschlagenen Verfahrens zur Brennstoffverbrennung enthilt zwei die Brennzone 6 begrenzende konzentrische Ringflammrohre 11, 12 (Fig. 7), zwischen denen der Ringflammenhalter 4 angebracht ist.
In der der Brennzone 6 zugewandten Aussenwand 13 des Flammenhalters 4 sind Offnungen 14 fur die Zufuhr des Brennstoffs in die Brennzone 6 der Kammer ausgefiihrt. Der Flammenhalter 4 bildet mit den Flammrohren 11, 12 konzentrische Ringkanäle 15, 16, in denen die Elemente fur die Zufuhr der Primliduft, die in Reihe in der Luftstromrichtung angeordneten Schaufelwirbler 17 bzw. 18 mit gegensinnigen Umlenkwinkeln des Luftstroms und Schlitzwirbler 19 bzw. 20 einbeziehen, untergebracht sind. Der Schlitzwirbler 19 ist ein zylindrischer Hohlring mit tangential verlaufenden Schlitzen 21 (Fig.
8), die sich in der der Brennzone 6 (Fig. 7) zugewandten zylindrischen Wand 22 und Stirnwand 23 (Fig. 9) befinden wobei die genannten Schlitze in derselben Richtung wie die Schaufeln 24 (Fig. 10) des Schaufelwirblers 17 (Fig. 7) orientiert sind. Der Schlitzwirbler 20 hat einen dem Schlitzwirbler 19 analogen Aufbau, nur mit dem Unterschied, dass seine (nicht dargestellten) Schlitze in derselben Richtung wie die nicht dargestellten Schaufeln des Schaufelwirblers 18 orientiert sind.
Die Elemente fur die Zufuhr der Sekundirluft sind zwischer den Elementen fur die Zufuhr der Primirluft und den Ringflammrohren 11, 12 angeordnet und sind in Form von Ringspalten 25,26 ausgeführt, die durch die Ringflammrohre 11 bzw. 12 und die Schaufelwirbler 17 bzw. 18 sowie die Schlitzwirbler 19 bzw. 20 der Primirluft begrenzt sind.
Der Ririgflammenhalter 4 stellt einen Hohlverteiler dar, in dessen Innenhohlraum Brennstoffzuleitungsrohre 27 eingefuhrt sind. Eine im Innern des Flammenhalters 4 angeordnete Quertrennwand 28 trennt dessen Innenhohlraum in zwei Teile ein, von denen der erste Teil 29 zur gleichmässigen Verteilung des Brennstoffs im Ring des Flammenhalters 4 und der zweite Teil 30 zur Kiihlung dessen Aussenwand 13 dienen.
Die Trennwand 28 besitzt Öffnungen 31 (Fig. 11), wobei die Achsen der Off- nungen 14 und 31 miteinander nicht zusammenfallen, wodurch eine sichere Kühlung der Aussenwand 13 des Flammenhalters 4 (Fig. 7) gewibrleistetwird. EinTeil der dffnungen 31 (Fig. 11) kann auch gleichachsig mit einem Teil der Offnungen 14 in der Aussenwand 13 ausgefuhrt werden. In diesem Fall bildet sich am Austritt aus den Offnungen 31 ein System von Brennstoffstrahlen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Reich- weiten aus, was die Stabilisierung des Brennvorgangs bei geringen Belastungen verbessert.
Bei der in Fig. 12 dargestellten Ausfuhrungsvariante der Brennkammer sind die Schlitzwirbler 19,20 in Form von konischen Hohlringen mit tangential verlaufenden (nicht dargestellten) Schlitzen in ihren der Brennzone 6 zugewandten konischen Winden 32, 33 ausgeführt.
In der Fig. 13 ist eine Ausfuhrungsvariante der Ringbrennkammer dargestellt, bei der die Elemente fur die Zufuhr der Sekundirluft Schaufelwirbler 34, 35 enthalten, die in der Niche der Priniirluft-Schaufelwirbler 17 bzw. 18 in den Ringspalten 25 bzw. 26 angebracht sind und einen Teil des Durchgangsquerschnitts der letzteren überdecken. Der Luftstromwinkel des Schaufelwirblers 34 ist gleichsinnig mit dem Luftstromwinkel des Schaufelwirblers 17. Der Luftstromwinkel des Schaufelwirblers 35 ist gleichsinnig mit dem Luftstrom-Verdrillungswinkel des Wirblers 18.
Bei der in Fig. 14 dargestellten Ausfiihrungsvariante der Ringbrennkammer wird der Durchgangsquerschnitt der Ringspalte 25,26 durch die Sekundirluft-Schaufelwirbler 34 bzw. 35 vollstindig überdeckt. In diesem Fall wird die Verwirbelung des die Brennkammer erreichten Luftstroms verstirkt, wodurch sowohl die Brennstoffverbrennung als auch die Vermischung und die Kühlung der Feuerungselemente in der Brennkammer - der Flammrohre 11, 12- intensiviert werden.
Beim Betrieb der Brennkammer wird der Luftstrom in den Ringkanälen 15, 16 (Fig. 7) in koaxiale Ringstrahlen 1,2, 3 unterteilt. Die Primirluft 1 wird durch die Schaufelwirbler 17, 18 und die Schlitzwirbler 19,20 in tangentialer Richtung verdrillt, wobei die Verdrillung in den Kanilen 15 und 16 gegensinnig ist, und der Brennzone 6 zugeführt. Die Zufuhrrichtung der Primirluft 1 durch den Schaufelwirbler 17 und den Schlitzwirbler 19 ist mit den Pfeilen in den Fig. 8,9, 10 angezeigt.
In die Brennzone 6 (Fig. 7) wird die Sekundirluft 2 durch die Ringspalte 25,26 zugeftilirt, wodurch eine Temperaturverminderung der Verbrennungsprodukte und die Kühlung der Ringflammrohre 11, 12 gewihrleistet werden. Der Brennstoff 9 gelangt iiber die Brennstoftzuleitungsrohre 27 in den inneren Hohlraum 29 des Flammenhalters 4 und wird durch die Offnungen 31 (Fig.
11) in der Trennwand 28 in Form von Strahlen auf die Innenfli- che der Aussenwand 13 des Flammenhalters 4 (Fig. 7) aufgespritzt, wobei er eine sichere Kühlung der Aussenwand 13 ge walirleistet. Danach gelangt der Brennstoff 9 durch die Offnun- gen 14 in der Aussenwand 13 in die Brennzone 6.
Die vorliegende Erfindung gestattet infolge Gewihrleistung der Brennstoffverbrennung in einem iusserst kleinen Raum der Brennzone der Kammer, die Abmessungen und das Gewicht der Brennkammer und des gesamten Gasturbinentriebwerks wesentlich zu vermindern. Ausserdem wird die Wirtschaftlichkeit der Brennkammer und deren Betriebssicherheit erhöht, und der Gehalt an schidlichen Komponenten in den Verbrennungsprodukten, die in die Atmosphere entweichen wird herabgesetzt.
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PATENT CLAIMS
1. A method for combusting fuel in combustion chambers, which consists first of all of dividing the primary and secondary air into individual coaxial ring jets, then deflecting the coaxial primary air ring jets (1, 1) with respect to the longitudinal axis of the combustion chamber, the neighboring primary air ring jets (1, 1) are deflected in opposite directions, and that further consists in the supply of the deflected primary air ring jets simultaneously with the fuel into the combustion zone (6) of the combustion chamber, forming a circulation flow of the fuel-air mixture, characterized in that part of the coaxial secondary air ring jets (2) is fed into the combustion zone (6),
and that the coaxial primary air ring jets (1) are deflected in the tangential direction.
2. ring combustion chamber for performing the method according to claim 1, with two concentric ring flame tubes (11, 12) for delimiting the combustion zone (6) in the combustion chamber, one between the concentric ring flame tubes (11, 12) and the intermediate space in two concentric Ring channel dividing ring flame holder (4), the openings (14) for the fuel supply, which are executed in the combustion zone (6) facing the outer wall (13) of the ring flame holder, with elements for supplying the secondary air and with elements for supplying the Primary air, the latter elements being arranged in each of the channels and vane whirlers (17,
18) with opposite air flow deflection angles, characterized in that the elements for the supply of primary air cause a deflection of the primary air in a tangential direction, and that the elements for the supply of secondary air between the elements for the supply of primary air and the concentric ring flame tubes (11, 12) are arranged.
3. Annular combustion chamber according to claim 2, characterized in that the elements for the supply of secondary air in the form of two annular gaps (25, 26) limited by the concentric ring flame tubes (11, 12) and the elements for the supply of primary air are executed in that In each of these elements for the supply of secondary air, a vane whirling device (34 or 35) is arranged, which covers at least part of the passage cross section of the annular gap (25 or 26), and that the respective vane whirling device (34 or
35) of the elements for supplying the secondary air is designed such that it deflects the secondary air in the same direction as the blade (17 or 16) located in the same annular channel (15 or 16)
18) or slot vortex (19 or 20) of the elements for the supply of the primary air.
The present invention relates to a method for combusting fuel in combustion chambers, which consists first of all of dividing the primary and secondary air into individual coaxial ring jets, then deflecting the coaxial primary air ring jets with respect to the longitudinal axis of the combustion chamber, the adjacent primary air Ring jets are deflected in opposite directions, and which further consists in the supply of the deflected primary air ring jets simultaneously with the fuel into the combustion zone of the combustion chamber, with the formation of a circulation flow of the fuel-air mixture, and an annular combustion chamber for carrying out this method.
Such a method can be used particularly advantageously in gaseous fuel, in particular natural gas-operated gas turbine engines, in which the combustion process takes place with separate supply of the fuel and the combustion air, the mixing of the fuel with the primary air and the stabilization of the combustion with With the help of eddy currents.
It is known that in order to stabilize the combustion factor (flame) in various processes for combusting fuel, it is necessary to supply heat at the foot thereof, which serves as a source for igniting the fresh fuel-air mixture. In the combustion chambers of the Kerke gas turbine engine, the average speed of the fuel-air flow is always higher than the speed of turbulent combustion.
Safe ignition and stable combustion of the fuel as well as complete fuel combustion and a predetermined temperature distribution of the gas flow at the outlet from the combustion chamber are important measures because an unsafe ignition and an unstable burning of the fuel significantly reduce the operational safety of the gas turbine engine The imperfect fuel combustion worsens the economy of the engine and the mismatch of the actual temperature distribution in the gas stream at the 4 = outlet from the combustion chamber with the specified distribution reduces the service life and strength of the
Gas turbine blades and therefore also of the entire engine.
At the moment, women are becoming more and more important, providing the tasks related to increasing the thermal load on the combustion chamber of combustion chambers, reducing their length and their compactness, and tasks relating to reducing the content of various components in the combustion products released into the atmosphere and related to a missive temperature level of the fire elements in the combustion chamber.
A successful solution to this problem depends to a large extent on the organization of the mixing process of the fuel with the air in the combustion zone of the chamber and its training in this from existing circulation zones of kisser gases, which ensure reliable ignition of the fuel and the stable burning of the same Ensure excess air in the firing zone.
A method of combusting fuel in combustion chambers is known which is that the flow of primary air, i. the air required for the organization and stabilization of the combustion is divided into concentric ring jets, twisted at an angle of 45-60 to the ling axis of the combustion chamber and fed into the combustion zone of the chamber. Two concentric ring beams of the primary air, subdivided by a ring flame holder, are twisted in opposite directions. At the same time, fuel gas is supplied to the combustion zone, which blends with the primary air and forms a fuel-air mixture.
In the zone of the lerodynamic shadow, immediately behind the flame switch, a negative pressure zone is created, as a result of which a swirled circulation flow directed along the combustion chamber axis with a direct flow (downstream) of the burning fuel-air mixture and a return flow (upstream) occurs in the combustion zone. of hot combustion products The combustion products ensure the heat supply: 'clock to the fresh fuel-air jet and the stabilization of the burning.
Secondary air, which is subdivided into coaxial ring jets, is also fed into the mixing zone of the chamber, which constricts the combustion products, lowers their temperature and cools the combustion elements of the combustion chamber.
An annular combustion chamber for carrying out this method for fuel combustion contains two concentric thing flame tubes which delimit part of the combustion zone of the chamber and between which the annular flame holder is attached.
The ring flame holder divides the space between the flame tubes into two concentric ring channels, in which the elements in the form of vane whirlers with opposing air flow twist angles for accommodating the primary air are accommodated, which twist the primary air ring jets in the concentric ring channels in opposite directions and ensure that they are fed into the firing zone. In the outer wall of the flame holder facing the combustion zone, openings for supplying the fuel to the combustion zone are made.
The elements for supplying the secondary air constitute a vane swirler which is attached to one of the flame tubes and is offset in relation to the primary air swirler in the direction of the gas-air flow.
A major disadvantage of the above-described method for combusting fuel and the combustion chamber used to carry out this method is the presence in the combustion zone of a backflow of the hot combustion products. This structure of the circulation flow lengthens the actual combustion zone and does not allow the combustion chamber's combustion chamber to be used more effectively, since part of its volume fills the countercurrent flow of the combustion products, in which there is no combustion of the fuel-air mixture.
In addition, the combustion of the fuel takes place with little air surplus and thus at a high temperature in the combustion zone. This increases the content of the harmful components formed in the combustion in the combustion products, e.g. B. the nitrogen oxides that are released into the atmosphere. The high temperature in the firing zone also leads to increased heating of the fuel-distributing elements in the firing chamber - the perforated outer wall of the flame holder - which reduces operational reliability.
The present invention is based on the object of developing a method for combusting fuel in the combustion chambers and of creating an annular combustion chamber for carrying out this method, which achieves a high intensity of the combustion process and a reduction in the length of the combustion zone through the formation of an intensive swirled circulation flow of the fuel-air Mixture whose flow paths lie in the cross-sectional plane of the combustion chamber,
as well as a reduced content of harmful components in the combustion products and an increase in safety for the fuel-distributing elements through the temperature reduction in the combustion zone.
In the method of the type mentioned at the outset, this object is achieved in accordance with the invention as defined in the characterizing part of claim 1.
The object is also achieved by the annular combustion chamber for carrying out the method, which is defined in the characterizing part of claim 2.
The advantage of the present invention is that the primary air is fed into the firing zone in the form of tangential and oppositely directed jets, which allow the creation of an intensive circulation flow in the firing zone. These rays cause a large number of intensive and large-scale eddies, which fill the entire cross-section of the combustion zone and do not allow the combustion products to flow back, as a result of which the lungs of the combustion zone and thus also the lungs of the combustion chamber are significantly reduced.
The movement of the fuel-air mixture in such a path ensures that it burns out completely on a shorter length of the combustion chamber. The intensive exchange of heat and mass both inside the vortices and between them creates favorable conditions for mixing the fuel with the air and for igniting the fresh fuel-air mixture and intensifies the combustion process.
The supply of part of the secondary air into the combustion zone also allows the combustion process to be carried out at a lower temperature level in the combustion zone, which increases the heating of the combustion elements in the combustion chamber, i.e. the flame tubes, reduces the service life of the combustion chamber, and ensures a reduced content of nitrogen oxide in the combustion products.
The invention is explained in the following by a description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. It shows
Fig. 1 air and fuel supply in the combustion chamber of the invention in a schematic representation;
Fig. 2 supply of coaxial air jets in the primary combustion zone according to the invention in a schematic representation;
Fig. 3 section along the line III-III of Fig. 1;
Fig. 4 section along the line IV-IV of Fig. 1;
5 velocity field in two interacting opposing air jets;
Fig. 6 velocity vectors across the lungs of the combustion chamber of some of the streamlines shown in Fig. 5;
;
7 annular combustion chamber according to an embodiment of the invention in longitudinal section;
Fig. 8 section along the line VIII-VIII of Fig. 7;
Fig. 9 section along the line IX-IX of Fig. 7;
Fig. 10 section along the line X-X of Fig. 7;
Fig. 11 View according to arrow A in Fig. 7;
12 annular combustion chamber according to another embodiment of the invention in longitudinal section;
13 annular combustion chamber according to a further embodiment of the invention in longitudinal section;
Fig. 14 ring combustion chamber according to yet another embodiment of the invention in longitudinal section.
When it is fed into the combustion chamber, the air flow consisting of the primary air, which ensures stabilization of the combustion process, and the secondary air, which ensures that the temperature of the combustion products is reduced and that the combustion elements are cooled in the combustion chamber, is temporarily converted into individual coaxial ring jets 1, 2, 3 (Fig. 1) e.g. divided using a ring flame holder 4.
The coaxial ring beams 1 of the primary air are e.g. deflected in the tangential direction with the aid of whirlers 5 with respect to the longitudinal axis of the combustion chamber and fed into the combustion zone 6 of the combustion chamber. The adjacent ring beams 1 of the primary air have opposite directions, as indicated by the arrows in FIG. 2.
The speed fields of the deflected primary air ring jets 1 at the entrance to the primary combustion zone 6 (FIG. 1) are shown in FIG. 3. As a result of the interaction of adjacent primfire rays 1, a circulation flow 8 (FIG. 4) in the form of intensive large-area vortices, the flow paths of which lie in the cross-sectional area of the combustion chamber, arises in zone 7 (FIG. 1) of the aerodynamic shadow lying behind the flame holder 4.
At the same time, fuel 9 is fed into zone 6 (FIG. 1). The intense turbulent exchange in the tangential and radial direction ensures the necessary supply of heat to the fresh fuel-air mixture and stabilizes or intensifies its burning.
Coaxial ring jets 2 of the secondary air also enter the combustion zone 6. The combustion process of the fuel 9 and the process of a partial mixing of the combustion products with the secondary air run practically in parallel in this way, which ensures that the combustion process of the fuel 9 is carried out with a reduced temperature 'level in the combustion zone 6, and thus the content of harmful substances Components in the combustion products decreased.
5, the velocity vectors of some of the streamlines designated by the letters a, b, c, a ', b', c 'of two interacting, opposing, primary air ring jets 1 (FIG. 4) in cross section of the combustion zone 6 (FIG. 1 ) is given, and in FIG. 6 the change of the vectors obtained from experimental experiences on these streamlines over the length of the combustion zone 6 (FIG. 1) is shown. In Fig.
6 the values of the ratio of l to d are plotted on the horizontal axis, where l is the distance along the axis of the firing zone and d is its characteristic dimension. As can be seen from FIG. 6, the streamlines of the fuel-air mixture have no axial components in the backward direction, as a result of which the axial extent of the combustion zone 6 (FIG. 1) is substantially reduced.
The coaxial ring jets 3 of the secondary air are introduced into the mixing zone 10 of the combustion chamber for the purpose of further reducing the temperature of the combustion products and cooling the combustion elements in the combustion chamber.
The ring combustion chamber for the passage of the proposed method for fuel combustion contains two concentric ring flame tubes 11, 12 (FIG. 7) delimiting the combustion zone 6, between which the ring flame holder 4 is attached.
Openings 14 for the supply of fuel into the combustion zone 6 of the chamber are made in the outer wall 13 of the flame holder 4 facing the combustion zone 6. The flame holder 4 forms with the flame tubes 11, 12 concentric ring channels 15, 16, in which the elements for the supply of the Primliduft include the vortices 17 and 18 arranged in series in the air flow direction with opposite deflection angles of the air flow and slot vortices 19 and 20 , are housed. The slot whirler 19 is a cylindrical hollow ring with tangentially extending slots 21 (Fig.
8) which are located in the cylindrical wall 22 and end wall 23 (FIG. 9) facing the firing zone 6 (FIG. 7), the slots mentioned being in the same direction as the blades 24 (FIG. 10) of the blade vortex 17 (FIG. 7) are oriented. The slot vortex 20 has a structure analogous to the slot vortex 19, with the only difference that its slots (not shown) are oriented in the same direction as the blades of the blade vortex 18, not shown.
The elements for the supply of secondary air are arranged between the elements for the supply of primary air and the annular flame tubes 11, 12 and are designed in the form of annular gaps 25, 26, which are formed by the annular flame tubes 11 and 12 and the blade vortices 17 and 18 as well the slot whirlers 19 and 20 of the primary air are limited.
The Ririgflammenhalter 4 represents a hollow distributor, in the inner cavity of which fuel feed pipes 27 are inserted. A transverse partition 28 arranged in the interior of the flame holder 4 divides its inner cavity into two parts, of which the first part 29 are used for uniform distribution of the fuel in the ring of the flame holder 4 and the second part 30 for cooling the outer wall 13 thereof.
The partition wall 28 has openings 31 (FIG. 11), the axes of the openings 14 and 31 not coinciding with one another, as a result of which reliable cooling of the outer wall 13 of the flame holder 4 (FIG. 7) is ensured. A part of the openings 31 (FIG. 11) can also be made coaxially with a part of the openings 14 in the outer wall 13. In this case, a system of fuel jets with different speeds and ranges is formed at the outlet from the openings 31, which improves the stabilization of the combustion process at low loads.
In the embodiment of the combustion chamber shown in FIG. 12, the slot whirlers 19, 20 are designed in the form of conical hollow rings with tangential slots (not shown) in their conical winches 32, 33 facing the combustion zone 6.
13 shows an embodiment of the annular combustion chamber in which the elements for the supply of the secondary air contain vane whirlers 34, 35 which are mounted in the niche of the primary air vane whirlers 17 and 18 in the annular gaps 25 and 26 and one Cover part of the passage cross section of the latter. The air flow angle of the vane whirl 34 is in the same direction as the air flow angle of the vane whirl 17. The air flow angle of the vane whirl 35 is in the same direction as the air flow twist angle of the whirl 18.
In the embodiment of the annular combustion chamber shown in FIG. 14, the passage cross section of the annular gaps 25, 26 is completely covered by the secondary air vane whirlers 34 and 35, respectively. In this case, the swirling of the air flow reaching the combustion chamber is increased, as a result of which both the combustion of fuel and the mixing and cooling of the firing elements in the combustion chamber - the flame tubes 11, 12 - are intensified.
When the combustion chamber is operating, the air flow in the ring channels 15, 16 (FIG. 7) is divided into coaxial ring jets 1, 2, 3. The primary air 1 is twisted in a tangential direction by the vane whirlers 17, 18 and the slot whirlers 19, 20, the twisting in the channels 15 and 16 being in opposite directions, and fed to the combustion zone 6. The direction of supply of the primary air 1 through the blade vortex 17 and the slot vortex 19 is indicated by the arrows in FIGS. 8, 9, 10.
The secondary air 2 is fed into the combustion zone 6 (FIG. 7) through the annular gaps 25, 26, as a result of which a reduction in the temperature of the combustion products and cooling of the annular flame tubes 11, 12 are ensured. The fuel 9 reaches the inner cavity 29 of the flame holder 4 via the fuel feed pipes 27 and is passed through the openings 31 (FIG.
11) sprayed in the partition 28 in the form of jets onto the inner surface of the outer wall 13 of the flame holder 4 (FIG. 7), wherein it ensures reliable cooling of the outer wall 13. The fuel 9 then reaches the combustion zone 6 through the openings 14 in the outer wall 13.
As a result of ensuring the combustion of fuel in an extremely small space in the combustion zone of the chamber, the present invention allows the dimensions and the weight of the combustion chamber and of the entire gas turbine engine to be substantially reduced. In addition, the economy of the combustion chamber and its operational safety are increased, and the content of various components in the combustion products that escape into the atmosphere is reduced.