DE1004865B

DE1004865B - Verfahren und Anlage fuer die Erzeugung eines heissen Brenngasstromes, insbesondere fuer Gasturbinen

Info

Publication number: DE1004865B
Application number: DE1952P0007284
Authority: DE
Inventors: George Dobson
Original assignee: Power Jets Research and Development Ltd
Current assignee: Power Jets Research and Development Ltd
Priority date: 1951-03-19
Filing date: 1952-03-15
Publication date: 1957-03-21
Also published as: GB718698A; FR1058920A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zum Verbrennen von Brennstoff mit niedrigem Heizwert und eignet sich insbesondere für Gasturbinen und zugehörige Brennkammern, und Flammrohre. Sie hat den Zweck, Verbesserungen an Brennanlagen zu schaffen, welche Brennstoff mit geringem Heizwert verbrennen, beispielsweise Methan- und Luftgemische mit niedriger Methankonzentration, wie sie aus der abgesaugten oder nach oben geblasenen Luft von bestimmten Kohlenbergwerksanlagen her zur Verfügung stehen, welche nicht bei normalen, Temperaturen und Drücken verbrannt werden können, und daher in üblicher Weise abgeblasen werden. Ein anderer geeigneter Brennstoff ist das Gas, welches sich aus der Untertagevergasung· von, Kohle ergibt.

Es ist schon ein Verfahren zum Erzeugen eines heißen Brenngasstromes für Gasturbinen durch Verbrennen eines Gemisches aus Brennstoff und Luft, welches ein Schwachgasgemisch mit geringem Heizwert ist, bekanntgeworden, wobei durch die Verbrennung von Hilfsbrennstoff eine Zündflamme im Anfangsteilstück eines Brennraumes hergestellt wird, durch welchen das Gasgemisch zum Hindurchströmen gebracht wird.

Das bekannte Verfahren wird erfindungsgemäß dadurch fortentwickelt, daß eine Teilmenge des Gemisches in das Anfangsteilstück des Verbrennungsraumes eingebracht und durch die Zündflamme gezündet wird und daß weitere Teilmengen dem Verbrennungsraum durch aufeinanderfolgende Einlasse hindurch in solchen Mengen und in. solchen Abstand voneinander aufweisenden Intervallen entlang dem Verbrennungsraum zugeführt werden, daß die Temperatur nur graduell in Richtung auf einen Wert abnimmt, welcher zu niedrig ist, um eine weitere Zumischung des Gemisches zu zünden, und daß sie innerhalb des Verbrennungsraumes nicht unter einen vorherbestimmten, Wert absinkt, der nicht kleiner als der Zündiwert ist. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Einlasse in solchen Intervallen. vorgesehen und die zugeführten Mengen in solcher Art gewählt, daß das durch den einen Einlaß zugeführte Gemisch im wesentlichen vollständig im Raum zwischen diesem Einlaß und dem nachfolgenden, Einlaß verbrannt wird.

Weiterhin wird eine Gasturbinenanlage zum Ausüben des vorstehend beschriebenen Verfahrens verwendet, welche Anlage sich zusammensetzt aus einer Brennkammer, einem darin befindlichen Flammrohr, welches den, Verbrennungsraum einschließt und eine Anzahl von Einlaßöffnungen und einen. Auslaß aufweist, und aus einem Brenner zum Verbrennen des Hilfsbrennstoffes innerhalb des Flammrohres. Erfindungsgemäß werden die Einlaßöffnungen in Abständen Verfahren und Anlage für die Erzeugung eines heißen Brenngasstromes, insbesondere für Gasturbinen

Anmelder:

Power Jets (Research and Development) Limited, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt, Siegen (Westf.), Oranienstr. 14

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 19. März 1951

George Dobson, London, ist als Erfinder genannt worden

entsprechend den vorerwähnten. Intervallen entlang dem Flammrohr vorgesehen und sind von solcher Größe, daß dadurch die vorerwähnten Mengen des Gemisches zugeführt werden.

Schließlich wird erfindungsgemäß noch vorgeschlagen, weitere Einlaßöffnungen im Flammrohr strömungsabwärts der ersten vorerwähnten Einlaßöffnung für die Zuführung einer zusätzlichen Menge des vorgenannten Gemisches als Kühlmittel, ohne daß dieses gezündet wird und brennt, vorzusehen,

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden. Zeichnung ausführlicher beschrieben werden, und zwar zeigt

Fig. 1 in schaubildlicher Darstellung die Allgemeinanordnung einer Gasturbinenanlage, Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Brennkammer,

Fig. 3 einen Querschnitt nach der Schnittlinie X-X in Fig. 2, während die

Fig. 4 bis 6 Schaubilder wiedergeben, welche die Wirkungsweise der Anlage erläutern.

Die Gasturbinenanlage gemäß Fig. 1 besteht aus einer Zuleitung 1, welche von der Lieferquelle 2 her Brennstoff mit geringem Heizwert dem Axialkompressor 3 übermittelt. Der letztere ist über eine Verbindungsleitung 4 mit dem Wärmeaustauscher 5 in Verbindung, welcher über die Verbindungsleitung 6 an die Brennkammer? angeschlossen ist. Der Ausgang der Brennkammer 7 steht über die Leitung 8 mit der

.- * ' 609 840/222

Turbine 9 in Verbindung, welche zusätzlich zur Last 20 noch den Kompressor 3 antreibt. Die Turbine schickt die Auspuffgase durch den Wärmeaustauscher 5 hindurch nach dem Auspuff oder Auslaß 10. Der Brennstoff von der Lieferquelle 2 ist eine sehr schwache Mischung von brennbarem Gas, ζ. B. Methan mit Luft.

Eine Hilfsbelieferung mit Brennstoff, welcher Gas oder gepulverte Kohle bzw. Kohlenstaub sein kann,

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gasen, von der vorhergehenden Brennstufe her gemischt und schließlich verbrannt werden; das Zuführen von weiteren Mengen von Gas-Luft-Gemisch, das Mischen und das Verbrennen werden so lange fortgesetzt, bis schließlich die Temperatur der Brenngase an irgendeiner Stufe im Brennraum so weit absinkt, daß sie unterhalb der Zündtemperatur des Brennstoff-Luft-Gemisches liegt, aber noch oberhalb derjenigen Temperatur liegen kann, die das Gas erh

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der aber im gezeigten Ausführungsbeispiel Öl sein io halten soll, welches der Gasturbine übermittelt wird, soll, erfolgt nach der Brennkammer 7 über Rohrleitung Weitere Mengen von Methan- und Luftgemisch wer-

Vbhäl 13 h den dann zugeführt, beispielsweise durch die Durch-

lasse 21 oder durch 15" und 21, und zwar als Kühl-

mittel, um die Temperatur der Gasmischung auf den

11 mittels einer Pumpe 12 vom Vorratsbehälter 13 her.

Die Brennkammer besteht, wie sich aus den Fig. 2

und 3 ergibt, aus der zylindrischen Kammer 14 und

einem ringförmigen, Flammrohr innerhalb' derselben,, 15 Wert herunterzubringen, welcher für den Turbinenweiches sich aus dem Außenrohr 15 und dem Innen- einlaß benötigt wird. Daher wird je nach der Gerohr 16 zusammensetzt. An ihrem Eingangsende mischzündtemperatur, welche durch einfachen Verdivergiert bzw. erweitert sich die Kammer 14 in der such bestimmt werden kann., ein gewisser Anteil an üblichen Weise, um einen Diffusor für das ein- gasförmigem Brennstoff verbrannt, ein Teil jedoch strömende Gas zu bilden; das Innenrohr 16 und das 20 als Kühlmittel benutzt, also gleichsam verschwendet, Außenrohr 15 divergieren in gleicher Weise. Am Aus- während jedoch der Hilfsbrennstoff die erforderliche:

dh hohe Zündtemperatur hervorruft, um die Verbrennung

der schwachen Gemische einzuleiten. Je höher die Turbineneinlaß temperatur und je geringer die Tesrnperatur des für die Endkühlung des Gemisches auf die Turbineneinlaßtemperatur zur Anwendung kommenden Gemisches ist, um so geringer ist die Verschwendung an gasförmigem Brennstoff.

Die Arbeitsweise der Anlage soll nun an Hand der bekannter 30 nachstehenden Beispiele erläutert werden, bei welchen in einem die Zündflamme durch Verbrennung von Methan her

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laßende geht das Flammrohr in ein zylindrisches Rohr bei 20 über und ist an der Wandung der Kammer 14 in der Nähe des Zugangs der Leitung 8 befestigt.

Durch das Ende des ringförmigen Rohres hindurch erstreckt sich ein Ölbrennerring 17, der mit dem Rohr über den üblichen Ring oder über Wirbelleitbleche oder -schaufeln in Verbindung steht, welche rund um jeden Brenner vorgesehen sind und in bk Weise dazu dienen, die Luftmischung

gg 0 %

Im Schaubild nach Fig. 4 gibt die linke Ordinate die Temperatur in ⁰C wieder, wahrend die rechte Ordinate den Vomhundertsatz der gesamten Menge

schraubenförmigen, Wirbel zu versetzen, welcher eine vorgerufen wird, das zur Anwendung kommende stabile Brennzone liefert, in welche hinein das Brennöl schwache Methan-Luft-Gemisch etwa beispielsweise eingespritzt wird. Die Brenner sind an eine gemein- ¹A % Methan, enthält und die Gasgeschwindigkeit same Ölleitung 19 angeschlossen, welche nach außen 35 durch das Flammrohr hindurch etwa 16²/s m/sec durch die Wandung der Kammer 14 hindurchführt beträgt.

und an das Rohr 11 angeschlossen ist. An jeder der Rpicnipl 1

Stellen 15«, 15^Ö. .. 15«, 15" über die Länge des ^bp

Flammrohres hinweg ist das Flammrohr mit einem In diesem Fall ist die Einlaß- oder Eingangstempe-

Ring von Durch- oder Einlassen versehen, welche von. 40 ratur des Methan-Luft-Gemisches gleich 670° C, und Aussparungen in beiden Rohren15 und 16 gebildet die Grenzmindesttemperatur, bis auf welche die Brennwerden. Auf diese Weise werden zusätzlich zum gas- gase absinken dürfen, wenn sie mit dem Gemisch verförmigen Brennstoff-Luft-Gemisch, welches durch die dünnt werden, wird zu 900° C angenommen. Diese Wirbler 18 zugeführt wird, weitere Zumischungen von Temperatur soll als »Verdünnungstemperatur« beBrennstoff-Luft-Gemisch durch die Ein- oder Durch- 45 zeichnet werden und entspricht einem Gesamtbrennlasse entlang dem Rohr hindurch in bestimmten Ab- wirkungsgrad von 100 %. ständen zugeführt. Die Abstande zwischen. 15", 15* I Sbd h F

usw. sind solcher Art, daß genügend Zeit für das Vermischen des zugeführten Brennstoffes und der Brenn-

gase vorhanden ist, die sich bereits gebildet haben, so 5° des Methan-Luft-Gemisches wiedergibt, daß durch daß vollständige Verbrennung eintritt, bevor weiteres jeden Satz oder jede Gruppe von Durchlässen einge-Gas- und Luft-Gemisch zugeführt wird. Die Größen- führt wird, wohingegen die Abszisse die Verdünnungsabmessung der Zugangsdurchlässe und. die ent- stufen wiedergibt, die durch die aufeinanderfolgenden sprechenden Brennzonenlängen zwischen diesen sowie Gruppen von Durchlässen 15^a, 15^& ... 15" gebildet die Anzahl von Ein- oder Durchlaßgruppen werden 55 werden, wobei der Anfang der Primargaseinlaß rund durch die Art des brennbaren Gases, durch die Kon- um die Brenner ist. Die Punkte auf der Kurve A sind, zentration des Gases in der Luft sowie durch die die Endtemperaturen der Brenngase unmittelbar vor Temperatur und die Geschwindigkeit des Gases im der Verdünnung an jeder Gruppe von Durchlässen, die Flammrohr bestimmt. waagerechte Linie B ist die Verdünnungstemperatur,

Der Hilfsbrennstoff in verhältnismäßig geringer 60 und die Punkte auf der Kurve C geben den, Vom-Menge wird so als Leit- oder Zündflamme in einer hundertsatz des Gemisches wieder, das benutzt wird, Anfangszone am einen. Ende des Flammrohres ver- um die Brenngase in jeder Stufe zu verdünnen. Unbrannt, und eine Menge des schwachen Gas-Luft- gefahr 16% des Gemisches wird durch den Primäf-Gemisches, unter Druck vom Kompressor 3 her und einlaß zugeführt, und das Öl von den Brennern brennt durch den Wärmeaustauscher 5 erhitzt, wird nach- 65 in diesem Gas, um ihm eine Endtemperatur bei der folgend in die erste Mischzone zwischen den Durch- ersten Gruppe von Durchlässen 15^a von 1100° C zu lassen 15^a und 15^& erwärmt und verbrannt, woraufhin geben, was durch den linken Grenzpunkt auf Kurve A mehr Gas-Luft-Gemisch durch die entsprechenden zum Ausdruck gebracht wird. Weitere 13% des GeDurchlässe in die nächste Mischzone stromungs- misches werden dann durch die Durchlässe 15« zugeabwärts der Durchlässe 15^& geschickt, mit den Brenn- 70 führt, wodurch das Gas auf die Verdüttnungstempera-

tür von 900° C abgekühlt wird. Weitere Verbrennung findet statt im Raum zwischen den Durchlässen 15^fl und 15^Ö, und die Endtemperatur vor der Verdünnung an den Durchlässen, 15^& ist etwa 1015° C, was durch den zweiten; Punkt auf der Kurvet angedeutet ist. Weitere 15% des Gemisches werden durch die Durchlässe 15^& zugemischt, und eine gleichartige Wirkung tritt ein. Weitere Mengen des Gemisches werden llurch die nachfolgenden Gruppen von Durchlässen zugesetzt, bis die Endgastemperatur auf 950° C abfällt, bei welcher Temperatur eine Verbrennung des Methan-Luft-Gemisches nicht mehr erfolgen kann. Wenn weiteres Gemisch zugesetzt wird (das wäre durch die Durchlässe 21), so dient es lediglich dazu, die Brenngase zu kühlen,

Beispiel 2

In diesem Beispiel sind die Betriebsbedingungen ähnlich denjenigen von Beispiel 1; jedoch wird eine niedrigere Verdünnungstemperatur von 875° C für die letzteren Verbindungsstufen angenommen, Die Kurven D, E, F in Fig. 5 haben, die gleiche Bedeutung wie die entsprechenden Kurven A, B und C in Fig. 4. Es ist ersichtlich, daß nur drei Verdünnungsstufen vorgesehen sind, wobei es zugelassen wird, daß die Temperatur auf 875° C in. der dritten Stufe abfällt. Der Gesamtbrennwirkungsgrad fällt auf 97% ab, und größere Mengen des Gemisches werden bei jeder Stufe zugeführt. Wiederum ist die Endtemperatur der Gase annähernd 950° C.

Beispiel 3

Dieser Fall unterscheidet sich von den, vorangehenden Beispielen insoweit, als eine höhere Verdünnungstemperatur in den ersten Stufen, der Verdünnung vor- gesehen ist. Aus der Kurve H ist ersichtlich, daß die Verdünnungstemperatur für die beiden ersten Stufen 1000 bzw. 950° C sind, und die Verdünnungstemperatur darf nur auf den Mindestwert von 900° C in, der dritten, Stufe abfallen. Daher werden kleinere Mengen des Gemisches in den ersteren Stufen benötigt. Dieses Arbeitsverfahren ergibt einen Brennwirkungsgrad von 100%.

Die vorbeschriebene Brennanlage kann, mit anderen Brennanlagen für Gasturbinen, kombiniert werden, beispielsweise in einer Anlage, bei welcher in bekannter Weise ein reversibler intermittierender Regenerativwärmeaustauscher an der Brennkammer angeordnet ist, in. welchem das zu strömende Schwachgas-Luft-Gemisch durch Wärmeaufnahme aus der Wärme-Speichermasse bis etwa, zur Zündtemperatur des Ge^- misches erhitzt wird, zu dem Zweck, eine Verbrennung in dem einen Abschnitt des Wärmeaustauschers stattfinden, zu lassen,, während die die Brennzone verlassenden Gase vor ihrem Eintritt in die Turbine in einem anderen Abschnitt des Wärmeaustauschers durch. Wärmeabgabe an, die Speichermasse heruntergekühlt werden, Dabei kann dann ein. Flammrohr oder eine Brennkammer gemäß der vorliegenden Erfindung parallel zum Regenerator angeordnet werden,, so daß die beiden Geräte zusammen, in einer Gasturbinenanlage zur Anwendung kommen. Ein Vorteil einer solchen. Anordnung besteht darin, daß die Abmessung des Regenerators kleiner sein könnte, als es dann der Fall wäre, wenn, alles Methan-Luft-Gemisch durch den Regenerator hindurchgeschickt wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Erzeugen eines heißen, Brenngasstromes, insbesondere für Gasturbinen, durch Verbrennen eines Gemisches aus Brennstoff und Luft, welches ein Schwachgasgemisch mit geringem Heizwert ist, wobei durch die Verbrennung von, Hilfsbrennstoff eine Zündflamme im Anfangsteilstück eines Brennraumes hergestellt wird, durch welchen das Gasgemisch zum Hindurchströmen gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilmenge des Gemisches in. das Anfangsteilstück des Verbrennungsraumes eingebracht und durch die Zündflamme gezündet wird und daß weitere Teilmengen dem Verbrennungsraum durch aufeinanderfolgende Einlasse hindurch in, solchen Mengen und in solchem Abstand voneinander aufweisenden Intervallen entlang dem Verbrennungsraum zugeführt werden, daß die Temperatur nur graduell in Richtung auf einen: Wert abnimmt, welcher zu niedrig ist, um eine weitere Zumischung des Gemisches zu zünden, und, daß sie innerhalb des Verbrennungsraumes nicht unter einen vorbestimmten Wert absinkt, welcher nicht kleiner als der Zündwert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlasse in solchen Intervallen vorgesehen und. die zugeführten Mengen solcher Art sind, daß das durch den einen Einlaß zugeführte Gemisch im wesentlichen vollständig im Raum zwischen diesem Einlaß und dem nachfolgenden Einlaß verbrannt wird.

3. Gasturbinenanlage zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Brennkammer, einem darin befindlichen Flammrohr, welches den, Verbrennungsraum einschließt und. eine Anzahl von Einlaßöffnungen und einen Auslaß aufweist, und mit einem Brenner zum Verbrennen des Hilfsbrennstoffes innerhalb des Flammrohres, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen in Abständen, entsprechend den vorerwähnten Intervallen entlang dem Flammrohr vorgesehen und von solcher Größe sind, daß dadurch die vorerwähnten Mengen des Gemisches zugeführt werden.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Einlaßöffnungen im Flammrohr strömungsabwärts der ersten vorerwähnten Einlaßöffnungen für die Zuführung einer zusätzlichen Menge des vorgenannten. Gemisches als Kühlmittel, ohne daß dieses gezündet wird und brennt, vorgesehen, sind.

In, Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 250 740; französische Patentschrift Nr. 972 471; britische Patentschrift Nr. 624 291; The Engineer, Bd. 189 (1950), Nr. 4921, bis 597.

S. 595

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen