-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer einer Gasturbine, die vorzugsweise bei einer Gasturbine mit hohem Druckverhältnis eingesetzt wird und die so gestaltet werden kann, dass eine stabile Verbrennung erreicht und das Auftreten von Stickoxiden (NOx) reduziert wird.
-
Eine zur Energieerzeugung eingesetzte Gasturbine besteht aus einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Turbine als Hauptelemente. Viele Gasturbinen haben mehrere Brennkammern, mischen von dem Kompressor komprimierte Luft und einen den Brennkammern zugeführten Brennstoff und verbrennen das Gemisch in jeder Brennkammer, um ein Verbrennungsgas bei hoher Temperatur zu erzeugen. Das Hochtemperatur-Verbrennungsgas wird der Turbine zugeführt, um die Turbine zur Drehung anzutreiben.
-
Ein Beispiel der Brennkammer einer herkömmlichen Gasturbine wird im folgenden mit Bezug auf 8 beschrieben.
-
Wie in 8 gezeigt ist, sind mehrere Brennkammern 10 der Gasturbine in einer ringförmigen Konfiguration in einem Brennkammergehäuse 11 (in 8 ist nur eine Brennkammer dargestellt) angeordnet. Das Brennkammergehäuse 11 und ein Gasturbinengehäuse 12 sind mit Druckluft gefüllt und bilden ein Gehäuse 13. Von einem Kompressor komprimierte Luft wird in das Gehäuse 13 eingeleitet. Die eingeleitete Druckluft tritt ins Innere der Brennkammer 10 über einen Luftströmungseinlass 14 ein, der an einem stromaufwärtigen Abschnitt der Brennkammer 10 vorgesehen ist. Innerhalb eines inneren Rohrs 15 der Brennkammer 10 werden ein durch Brennstoffdüsen 16 zugeführter Brennstoff und Druckluft gemischt, um zu verbrennen. Ein durch die Verbrennung erzeugtes Verbrennungsgas wird einem Turbinenraum über ein Übergangsrohr 17 zugeführt, um einen Turbinenrotor zu drehen.
-
In den vergangenen Jahren sind Umweltverordnungen verschärft worden, und es sind verschiedene Verbesserungen vorgenommen worden, um die Konzentrationen von NOx (Stickoxiden) in einem Abgas der Gasturbine zu mindern. Der sogenannte Fett-Mager-Verbrennungsprozess ist als zur Minderung des Auftretens von NOx konzipierte Gasturbinen-Verbrennungstechnologie bekannt.
-
Gemäß dem Fett-Mager-Verbrennungsprozess (rich-lean combustion process) wird eine Verbrennung in einem brennstoffreichen Zustand (das heißt, einem fetten Zustand) in einem ersten Verbrennungsbereich durchgeführt (in dem Beispiel von 8 beispielsweise einem Mittelbereich eines Innenraums des inneren Rohrs 15), während eine Verbrennung in einem brennstoffarmen Zustand (das heißt, einem mageren Zustand) in einem zweiten Verbrennungsbereich durchgeführt wird (in dem Beispiel von 8 beispielsweise einem Umfangsrandbereich des Innenraums des inneren Rohrs 15). In diesem Fall wird das Brennstoff-Luft-Verhältnis der gesamten Brennkammer (das heißt, das Gesamt-Brennstoff-Luft-Verhältnis, das durch Mitteln der Brennstoff-Luft-Verhältnisse im fetten Zustand und der Brennstoff-Luft-Verhältnisse im mageren Zustand erhalten wird) so gesteuert, dass es einen dem Betriebszustand der Gasturbine entsprechenden Wert annimmt. Im Fall einer solchen Fett-Mager-Verbrennung findet eine komplette diffusive Verbrennung (Verbrennung ohne Vormischen mit Luft) in dem fetten Verbrennungsbereich statt, und eine vollständige Vorgemischverbrennung wird in dem mageren Verbrennungsbereich durchgeführt.
-
Wie allgemein bekannt ist, ist die Beziehung zwischen dem Brennstoff-Luft-Verhältnis (Äquivalenzverhältnis) und der Menge an erzeugtem NOx so, wie sie in 9 dargestellt ist. Eine große Menge an NOx wird bei einem Äquivalenzverhältnis ϕ in der Umgebung von 1 erzeugt, wobei die Menge an erzeugtem NOx in dem mageren Bereich (ϕ < 1) und in dem fetten Bereich (ϕ > 1) klein ist. Der Fett-Mager-Verbrennungsvorgang kann die erzeugte NOx-Menge insgesamt verringern, da dieser Prozess ermöglicht, dass eine Verbrennung in dem mageren Bereich (ϕ < 1) mit einer geringen erzeugten NOx-Menge und in dem fetten Bereich (ϕ > 1) mit einer ähnlich geringen Menge an erzeugtem NOx durchgeführt werden kann.
-
Zur Bezugnahme wird im folgenden das Äquivalenzverhältnis („equivalence ratio”) beschrieben.
-
Das Äquivalenzverhältnis ϕ ist als das Verhältnis mf/mf* definiert, wobei mf* die Brennstoffmenge ist, die 100% Sauerstoff bei einer bestimmten Luftmenge verbraucht und vollständig verbrennt, und mf die Brennstoffmenge ist, die tatsächlich gegeben ist.
-
Basierend auf ϕ = 1, gilt ϕ < 1 als brennstoffarm (mager bzw. „lean”) und ϕ > 1 als brennstoffreich (fett bzw „rich”).
-
Der Erfinder dieser Erfindung entwickelt eine Gasturbine der 1700°C-Klasse mit einem hohen Druckverhältnis (Druckverhältnis von 25 oder höher). Bei einer solchen Gasturbine mit hohem Druckverhältnis ist die Temperatur der in die Brennkammer strömenden Luft sehr hoch (550 bis 600°C). Bei einer herkömmlichen Gasturbine lag das Druckverhältnis in der Größenordnung von 20 bis 21 und die Temperatur der in die Brennkammer strömenden Luft lag in der Größenordnung von 450°C.
-
Bei der Gasturbine mit einem derart hohen Druckverhältnis haben sich die folgenden Nachteile herausgestellt, falls die Fett-Mager-Verbrennungstechnologie nach dem Stand der Technik unverändert angewandt wird:
- (1) Da das Druckverhältnis hoch ist und die Luft(Gas)-Energie hoch ist, kommt es sehr leicht zu einem sogenannten ”Flashback” an einem Vorgemisch-Düsenabschnitt zur Bildung einer mageren Verbrennung.
- (2) Auf der fetten Verbrennungsseite findet eine vollständige diffusive Verbrennung bei einem Äquivalenzverhältnis von 1 statt. Somit ist die Temperatur von in die Brennkammer strömender Luft sehr hoch (500 bis 600°C). Teilweise wird aus diesem Grund die Temperatur der Flammenfront so hoch, dass leicht NOx entsteht.
-
Aus der
US 5351477 A ist eine Brennkammer einer Gasturbine bekannt, die ein radial inneres Verwirbelungselement und ein radial äußeres Verwirbelungselement aufweist, die konzentrisch ineinander angeordnet sind. Verwirbelungsflügel des inneren Verwirbelungselements sind zwischen der Außenumfangsfläche eines zentralen Rundkörpers und der Innenumfangsfläche eines Ringelements angeordnet, während Verwirbelungsflügel des äußeren Verwirbelungselements zwischen der Außenumfangsfläche des Ringelements und der Innenumfangsfläche einer Außenwand der Brennkammer angeordnet sind. Die Verwirbelungsflügel der beiden Verwirbelungselemente sind in entgegengesetzter Richtung geneigt, so daß sie jeweils entgegengesetzt rotierende Luftströme bilden. In den Verwirbelungsflügeln sind Kanäle ausgebildet, über die Brennstoff am – bezogen. auf die Strömungsrichtung der Luft – hinteren Ende der Flügel in den Luftstrom ausgestoßen werden kann. Eine ringförmige Öffnung ist zum Ausstoßen von Brennstoff auch am hinteren Ende des Ringelements zwischen den inneren und äußeren Verwirbelungselementen vorgesehen. Bei diesem Stand der Technik wird Brennstoff in einer Menge in den Luftstrom eingespritzt, so daß am Austritt der Mischeinrichtung in den Brennraum der Brennkammer insgesamt ein mageres Brennstoff/Luftgemisch in einem Äquivalenzbereich von 0,4 bis 0,7 erreicht wird.
-
Aus der
US 6141967 A ist eine weitere Mischeinrichtung für eine Brennkammer in einer Gasturbine bekannt, die der vorstehend beschriebenen prinzipiell ähnlich ist, wobei Brennstoff aber nur durch eine stromab von Verwirbelungselementen vorgesehene radiale Öffnung des zentralen Rundkörpers eingespritzt wird.
-
Die Erfindung wurde in Anbetracht der oben beschriebenen Probleme bei den früheren Technologien getätigt. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer bereitzustellen, bei der eine stabile Verbrennung und eine Abnahme von NOx auch bei einer Gasturbine mit hohem Druckverhältnis, die sich derzeit in der Entwicklung befindet, erreicht werden kann.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe bringt die Erfindung eine Brennkammer gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer solchen Brennkammer gemäß Anspruch 3 in Vorschlag.
-
Die Erfindung, die die oben erwähnte Aufgabe erfüllt, ist eine Brennkammer einer Gasturbine, die ein Innenrohr und ein mit diesem verbundenes Übergangsrohr aufweist, mit:
einem inneren Verwirbelungselement, das ein inneres zylindrisches Verwirbelungselementring aufweist, der konzentrisch in Bezug auf eine Mittelachse des Innenrohrs angeordnet ist, und mehreren inneren Verwirbelungselementflügeln, die an einer Außenumfangsfläche des inneren Verwirbelungselementrings vorgesehen sind, und
einem äußeren Verwirbelungselement, das einen äußeren zylindrischen Verwirbelungselementring aufweist, der an einer Außenumfangsseite der inneren Verwirbelungselementflügel und konzentrisch in Bezug auf den inneren Verwirbelungselementring angeordnet ist, sowie mehreren an einer Außenumfangsfläche des äußeren Verwirbelungselementrings vorgesehenen äußeren Verwirbelungselementflügeln,
wobei das innere Verwirbelungselement und das äußere Verwirbelungselement in dem Innenrohr angeordnet sind,
wobei Einspritzlöcher zum Einspritzen eines Brennstoffs in Luft, die zwischen dem inneren Verwirbelungselementring und dem äußeren Verwirbelungselementring passiert, um ein Luft-Brennstoff-Gemisch in einem brennstoffreichen Zustand zu bilden, in einer hinteren Endfläche des inneren Verwirbelungselementrings, die sich an einer stromabwärtigsten Position in Bezug auf eine Strömungsrichtung von Luft befindet, und in einer hinteren Endfläche des äußeren Verwirbelungselementrings, die sich an einer stromabwärtigsten Position in Bezug auf die Strömungsrichtung von Luft befindet, angeordnet sind, und
Einspritzlöcher zum Einspritzen des Brennstoffs in Luft, die zwischen dem äußeren Verwirbelungselementring und dem Innenrohr passiert, um Luft-Brennstoff-Gemisch in einem brennstoffarmen Zustand zu bilden, in einer hinteren Endfläche des äußeren Verwirbelungselementrings, die eine stromabwärtigste Position in Bezug auf eine Strömungsrichtung von Luft ist, und in einer hinteren Endfläche des Innenrohrs, die eine stromabwärtigste Position in Bezug auf die Strömungsrichtung von Luft ist, angeordnet sind.
-
Bei der Brennkammer einer Gasturbine können Luftumlenkschaufeln („scoops”) zum Herstellen einer Verbindung zwischen einer Außenseite des Übergangsrohrs und einer Innenseite des Übergangsrohrs in dem Übergangsrohr vorgesehen sein, um Luft von außerhalb des Übergangsrohrs ins Innere des Übergangsrohrs zu leiten.
-
Das Doppel-Verwirbelungselement, bei dem das innere Verwirbelungselement und das äußere Verwirbelungselement konzentrisch angeordnet sind, ist in dem inneren Rohr angeordnet. Ferner wird an der Innenumfangsseite eine fette Verbrennung durchgeführt, während an der Außenumfangsseite eine magere Verbrennung stattfindet. Somit kann NOx gemindert und eine stabile Verbrennung erzielt werden.
-
Ferner kann, falls das Übergangsrohr mit den Umlenkschaufeln versehen ist, der Hochtemperaturbereich in dem Übergangsrohr zufriedenstellend gekühlt werden und NOx weiter gemindert werden.
-
Die vorstehenden und weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Lektüre der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor, in denen zeigen:
-
1 eine Längsschnittansicht zur Darstellung einer Brennkammer gemäß einer Ausführungsform 1 der Erfindung,
-
2 eine Vorderansicht zur Darstellung der Brennkammer gemäß der Ausführungsform 1 der Erfindung,
-
3 eine Längsschnittansicht zur Darstellung einer Brennkammer gemäß einer Ausführungsform 2,
-
4 eine Schnittansicht zur Darstellung eines Verwirbelungsflügels der Brennkammer gemäß der Ausführungsform 2,
-
5 eine Längsschnittansicht zur Darstellung einer Brennkammer gemäß einer Ausführungsform 3,
-
6 eine Schnittansicht zur Darstellung eines Verwirbelungsflügels der Brennkammer gemäß der Ausführungsform 3,
-
7 eine Längsschnittansicht zur Darstellung einer Brennkammer gemäß einer Ausführungsform 4 der Erfindung,
-
8 eine Konfigurationszeichnung zur Darstellung einer herkömmlichen Brennkammer, und
-
9 eine charakteristische Ansicht zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Äquivalenzverhältnis und der erzeugten NOx-Menge.
-
Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung und Ausführungsformen, die nicht unter die Ansprüche fallen, detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
-
Ausführungsform 1:
-
Eine Brennkammer 100 gemäß der Ausführungsform 1 der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf 1, die eine Längsschnittansicht ist, und 2, die eine Vorderansicht ist, beschrieben. Die Brennkammer 100 gemäß der Ausführungsform 1 wird bei einer Gasturbine der 1700°C-Klasse mit hohem Druckverhältnis (Druckverhältnis von 25 oder mehr) eingesetzt, die sich neuerdings in Entwicklung befindet.
-
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, ist der hintere Rand eines inneren Rohrs 110 mit dem vorderen Rand eines Übergangsrohrs 130 über einen Verbindungsring 120 verbunden.
-
Ein inneres Verwirbelungselement 140 und ein äußeres Verwirbelungselement 150 sind innerhalb des Innenrohrs 110 angeordnet. Das heißt, das innere Verwirbelungselement 140 an der Innenumfangsseite und das äußere Verwirbelungselement 150 an der Außenumfangsseite sind konzentrisch um die Mittelachse des Innenrohrs 110 herum angeordnet. Durch das innere Verwirbelungselement 140 und das äußere Verwirbelungselement 150 ist ein Doppel-Verwirbelungselement 200 gebildet.
-
Ein Verwirbelungselementring 141 des inneren Verwirbelungselements 140 ist zylindrisch und ist konzentrisch in Bezug auf die Mittelachse des Innenrohrs 110 angeordnet. Eine Vielzahl (16 bei dieser Ausführungsform) von Verwirbelungselementflügeln 142 sind an der Außenumfangsfläche des zylindrischen Verwirbelungselementrings 141 vorgesehen. Die Verwirbelungselementflügel 142 sind an gleichmäßig beabstandeten Positionen entlang der Umfangsrichtung der Außenumfangsfläche des Verwirbelungselementrings 141 angeordnet und sind so installiert, dass sie sich in der Axialrichtung des Verwirbelungselementrings 141 erstrecken. Die Verwirbelungselementflügel 142 verwirbeln durch das Innere des Innenrohrs 110 strömende Druckluft (von links nach rechts in 1), um einen Luftwirbelstrom A11 zu bilden.
-
Ein Verwirbelungselementring 151 des äußeren Verwirbelungselements 150 ist zylindrisch und ist an der Außenumfangsseite der Verwirbelungselementflügel 142 angeordnet und konzentrisch in Bezug auf den Verwirbelungselementring 141. Eine Vielzahl (24 bei dieser Ausführungsform) von Verwirbelungselementflügeln 152 ist an der Außenumfangsfläche des zylindrischen Verwirbelungselementrings 151 vorgesehen. Die Verwirbelungselementflügel 152 sind an gleichmäßig beabstandeten Positionen entlang der Außenumfangsrichtung der Außenumfangsfläche des Verwirbelungselementrings 151 angeordnet und sind so installiert, dass sie sich in der Axialrichtung des Verwirbelungselementrings 151 erstrecken. Die Verwirbelungselementflügel 152 verwirbeln durch das Innere des Innenrohrs 110 strömende Druckluft (von links nach rechts in 1), um einen Luftwirbelstrom A12 zu bilden.
-
Der Verwirbelungselementring 151 des äußeren Verwirbelungselements 150 ist mit der Innenumfangsfläche des Innenrohrs 110 über mehrere Kopplungselemente 160, die mit einem Abstand in der Umfangsrichtung angeordnet sind, verbunden und an diesem befestigt. Der Verwirbelungselementring 141 des inneren Verwirbelungselements 140 ist mit der Innenumfangsfläche des Verwirbelungselementrings 151 über mehrere mit einem Abstand in der Umfangsrichtung angeordnete Kopplungselemente 161 verbunden und an dieser befestigt.
-
Wegen der oben beschriebenen Konfiguration ist ein Luftdurchgang R1 zwischen der Außenumfangsfläche des innen gelegenen Verwirbelungselementrings 141 und der Innenumfangsfläche des außen gelegenen Verwirbelungselementrings 151 gebildet. Ferner ist ein Luftdurchgang R2 zwischen der Außenumfangsfläche des äußeren Verwirbelungselementrings 151 und der Innenumfangsfläche des Innenrohrs 110 gebildet.
-
Dem Innenraum des Innenrohrs 110 wird über ein Lufteinlassrohr 162 Druckluft A zugeführt. Diese Druckluft strömt in 1 von links nach rechts (sie strömt von der Position der Anordnung des Lufteinlassrohrs 162 zu dem Übergangsrohr 130), und strömt durch das Innere des Innenrohrs 110, während sie sich in Druckluft A1, die den Luftdurchgang R1 durchströmt, und Druckluft A2, die den Luftdurchgang R2 durchströmt, aufteilt.
-
Die den Luftdurchgang R1 durchströmende Druckluft A1 wird durch die Verwirbelungselementflügel 142 verwirbelt, um zu dem Luftwirbelstrom A11 zu werden, der vorn hinteren Rand des inneren Verwirbelungselements 140 ausgestoßen wird.
-
Die den Luftdurchgang R2 durchströmende Druckluft A2 wird durch die Verwirbelungselementflügel 152 verwirbelt, um zu dem Luftwirbelstrom A12 zu werden, der vorn hinteren Rand des äußeren Verwirbelungselements 150 ausgestoßen wird.
-
Viele Einspritzlöcher 171 zum Einspritzen eines Brennstoffs sind an der Hinterendfläche des inneren Verwirbelungselementrings 141 (der stromabwärtigsten Position des Verwirbelungselementrings 141 in Bezug auf die Strömungsrichtung von Luft) ausgebildet. Diese Einspritzlöcher 171 stoßen den Brennstoff zu dem durch den Luftdurchgang R1 ausgestoßenen Luftwirbelstrom A11 hin aus.
-
Viele Einspritzlöcher 172 zum Einspritzen von Brennstoff sind an der Innenumfangsseite der hinteren Endfläche des äußeren Verwirbelungselementrings 151 (der stromabwärtigsten Position des Verwirbelungselementrings 151 in Bezug auf die Strömungsrichtung von Luft) ausgebildet. Diese Einspritzlöcher 172 stoßen den Brennstoff zu dem durch den Luftdurchgang R1 ausgestoßenen Luftwirbelstrom A11 hin aus.
-
Viele Einspritzlöcher 181 zum Einspritzen von Brennstoff sind an der Außenumfangsseite der hinteren Endfläche des äußeren Verwirbelungselementrings 151 ausgebildet. Die Einspritzlöcher 181 stoßen den Brennstoff zu dem durch den Luftdurchgang R2 ausgestoßenen Luftwirbelstrom A12 hin aus.
-
Viele Einspritzlöcher 182 zum Einspritzen von Brennstoff sind in der hinteren Endfläche des Innenrohrs 110 (der stromabwärtigsten Position des Innenrohrs 110 in Bezug auf die Strömungsrichtung von Luft) ausgebildet. Diese Einspritzlöcher 182 stoßen den Brennstoff zu dem durch den Luftdurchgang R2 ausgestoßenen Luftwirbelstrom A12 hin aus.
-
Die Brennkammer 100 ist mit Brennstoffzuführleitungen ausgestattet, wie schematisch durch gestrichelte Linien in 1 angedeutet ist. Das heißt, die Brennkammer 100 hat eine erste Brennstoffzuführleitung L1, von der Brennstoffzuführleitung L1 abzweigende Brennstoffzuführleitungen L11, L12, eine zweite Brennstoffzuführleitung L2 sowie von der Brennstoffzuführleitung L2 abzweigende Brennstoffzuführleitungen L21, L22.
-
Die Einspritzlöcher 171 werden mit dem Brennstoff über die Brennstoffzuführleitungen L1, L11 versorgt, und der zugeführte Brennstoff wird aus den Einspritzlöchern 171 zu dem Luftwirbelstrom A11 hin ausgestoßen.
-
Die Einspritzlöcher 172 werden mit dem Brennstoff über die Brennstoffzuführleitungen L1, L12 versorgt, und der zugeführte Brennstoff wird aus den Einspritzlöchern 172 zu dem Luftwirbelstrom A11 hin ausgestoßen.
-
Hierbei wird die Menge des über die Brennstoffzuführleitungen L1, L11, L12 zugeführten Brennstoffs so eingestellt, dass ein Luft-Brennstoff-Gemisch des aus den Einspritzlöchern 171, 172 eingespritzten Brennstoffs und des Luftwirbelstroms A11 brennstoffreich bzw. fett ist. Beispielsweise wird das Äquivalenzverhältnis auf die Größenordnung von 1,4 eingestellt.
-
Infolgedessen verbrennt eine fette Verbrennungsflamme FR, die bei Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemischs des von den Einspritzlöchern 171, 172 eingespritzten Brennstoffs und des Luftwirbelstroms A11 auftritt, stromab des Doppel-Verwirbelungselements 200 und in einem mittleren Abschnitt (Innenumfangsabschnitt) des Innenraums des Übergangsrohrs 130.
-
Die Einspritzlöcher 181 werden mit dem Brennstoff über die Brennstoffzuführleitungen L2, L21 versorgt, und der zugeführte Brennstoff wird aus den Einspritzlöchern 181 zu dem Luftwirbelstrom A12 hin ausgestoßen.
-
Die Einspritzlöcher 182 werden mit dem Brennstoff über die Brennstoffzuführleitungen L2, L22 versorgt, und der zugeführte Brennstoff wird von den Einspritzlöchern 182 zu dem Luftwirbelstrom A12 hin ausgestoßen.
-
Hierbei wird die Menge des über die Brennstoffzuführleitungen L2, L21, L22 zugeführten Brennstoffs so eingestellt, dass ein Luft-Brennstoff-Gemisch des von den Einspritzlöchern 181, 182 eingespritzten Brennstoffs und des Luftwirbelstroms A12 mager an Brennstoff (fuel-lean) wird. Beispielsweise wird das Äquivalenzverhältnis in der Größenordnung von 0,6 eingestellt.
-
Infolgedessen verbrennt eine magere Verbrennungsflamme FL, die bei Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemischs des von den Einspritzlöchern 181, 182 eingespritzten Brennstoffs und des Luftwirbelstroms A12 auftritt, stromab des Doppel-Verwirbelungselements 200 und in einem äußeren Abschnitt (Außenumfangsabschnitt) des Innenraums des Übergangsrohrs 130.
-
Ein vorderer Abschnitt des Übergangsrohrs 130 ist in einen Hochtemperaturbereich, in dem die fette Verbrennungsflamme FR an der Innenumfangsseite gehalten wird, und einen Niedertemperaturbereich, in dem die magere Verbrennungsflamme FL an der Außenumfangsseite gehalten wird, aufgeteilt. In einem hinteren Abschnitt des Übergangsrohrs 130 werden andererseits ein Hochtemperatur-Verbrennungsgas und ein Niedertemperatur-Verbrennungsgas durch die Luftwirbelströme gemischt und bilden ein Verbrennungsgas mit gleichmäßiger bzw. einheitlicher Temperatur.
-
Bei der Ausführungsform 1 mangelt es der an der Innenumfangsseite brennenden fetten Verbrennungsflamme FR an Sauerstoff im Vergleich zu einer Diffusionsflamme bei einem Äquivalenzverhältnis von 1, und somit kann die Temperatur der Flammenfront gesenkt werden. Damit kann das Auftreten von NOx auf der fetten Verbrennungsseite reduziert werden. Die magere Verbrennungsflamme FL, die an der Außenumfangsseite brennt, weist nur eine geringe Brennstoffmenge auf und hat eine niedrige Verbrennungsgastemperatur, so dass das Auftreten von NOx minimal ist.
-
Da die Verbrennung in dem mageren Bereich und in dem fetten Bereich wie oben angegeben durchgeführt wird, kann das Auftreten von NOx insgesamt gemindert werden (siehe 9).
-
In der Ausführungsform 1 wird außerdem der Brennstoff von dem hinteren Rand des Doppel-Verwirbelungselements 200 eingespritzt, konkret ausgedrückt, den hinteren Endflächen des Verwirbelungselementrings 141, des Verwirbelungselementrings 151 und des Innenrohrs 110. Somit sind die Abstände zwischen den Einspritzpositionen des Brennstoffs und den Flammen FR, FL kurz. Da die Abstände zwischen den Positionen der Brennstoffeinspritzung und den Flammen FR, FL, wie hier beschrieben wurde, kurz sind, kann das Auftreten von Verbrennungsvibrationen unterdrückt und eine stabile Verbrennung durchgeführt werden.
-
Ferner kann in der Ausführungsform 1 das Mischen von Luft und Brennstoff stromab des Doppel-Verwirbelungselements 200, nämlich in dem Übergangsrohr 130, durchgeführt werden. Somit kann ein sogenannter „Flashback” verhindert werden, und insbesondere ein „Flashback” der mageren Verbrennungsflamme FL kann verhindert werden.
-
In der Ausführungsform 1 sind die Einspritzlöcher 171, 172, 181, 182 in den hinteren Endflächen des Verwirbelungselementrings 141, des Verwirbelungselementsrings 151 und des Innenrohrs 110 ausgebildet. Die Positionen zur Ausbildung der Einspritzlöcher 171, 172, 181, 182 sind jedoch nicht auf die hinteren Endflächen beschränkt. Diese Positionen können beliebige Positionen sein, falls sie Positionen sind, die sich stromab (nach rechts in 1) der Verwirbelungselementflügel 142, 152 in Bezug auf die Strömungsrichtung von Luft befinden und eine Einspritzung des Brennstoffs zu den Luftwirbelströmen A11, A12 hin ermöglichen.
-
Übrigens können die Einspritzlöcher, falls das Problem eines „Flashback” nicht besteht, stromauf der Verwirbelungselementflügel 142, 152 in Bezug auf die Strömungsrichtung von Luft angeordnet sein, um eine Vormischung zu fördern.
-
Ausführungsform 2:
-
Als nächstes wird die Ausführungsform 2 mit Bezug auf 3, die eine Längsschnittansicht ist, und 4, die eine Schnittansicht eines Verwirbelungselementflügels 142 (oder Verwirbelungselementflügels 152), beschrieben ist. Die gleichen Bestandteile wie bei Ausführungsform 1 werden nicht noch einmal beschrieben, sondern es werden hauptsächlich unterschiedliche Abschnitte zu denen in Ausführungsform 1 erläutert.
-
In der Ausführungsform 2 sind Einspritzlöcher 173 an bzw. in den hinteren Rändern der jeweiligen Verwirbelungselementflügel 142 eines inneren Verwirbelungselements 140 ausgebildet, und Einspritzlöcher 183 sind an bzw. in den hinteren Rändern der jeweiligen Verwirbelungselementflügel 152 eines äußeren Verwirbelungselements 150 ausgebildet.
-
Den Einspritzlöchern 173 wird ein Brennstoff durch eine Brennstoffzuführleitung L1 zugeführt, und den Einspritzlöchern 183 wird der Brennstoff durch eine Brennstoffzuführleitung L2 zugeführt. In der Ausführungsform 2 gibt es weniger Brennstoffzuführleitungen als in der Ausführungsform 1. Das heißt, die Ausführungsform 1 benötigt die verzweigten Brennstoffzuführleitungen L11, L12, L21, L22. Andererseits benötigt die Ausführungsform 2 keine solchen verzweigten Brennstoffzuführleitungen, sondern kann die Konfiguration der Brennstoffzuführleitungen entsprechend vereinfachen.
-
Der von den Einspritzlöchern 173 eingespritzte Brennstoff vermischt sich mit einem Luftwirbelstrom A11, während der von den Einspritzlöchern 183 eingespritzte Brennstoff sich mit einem Luftwirbelstrom A12 vermischt. Hierbei wird die Brennstoffeinspritzung entlang der Strömungsrichtung der Luftwirbelströme A11, A12 durchgeführt. Somit werden auch dann, wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis gemäß Lastfluktuationen geändert wird, Änderungen in der Konzentrationsverteilung des Brennstoffs im stromabwärtigen Bereich gemindert, so dass auch bei einer Änderung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses eine zufriedenstellende Verbrennung aufrechterhalten werden kann.
-
Stromab der Verwirbelungselementflügel 142, 152 kommt es zu Wirbelschleppen. Diese Schleppen, die Turbulenzen sind, fördern die Durchmischung des Brennstoffs und der Luftwirbelströme A11, A12, was eine zufriedenstellende Vermischung ergibt. Das heißt, die Interaktion der Wirbelströme und der Wirbelschleppen macht die Durchmischung des Brennstoffs und der Luftwirbelströme A11, A12 zufriedenstellender und kann eine stabile Verbrennung erreichen.
-
Ausführungsform 3:
-
Als nächstes wird die Ausführungsform 3 mit Bezug auf 5, die eine Längsschnittansicht ist, und 6, die eine Schnittansicht eines Verwirbelungselementflügels 142 (oder Verwirbelungselementsflügels 152) ist, beschrieben. Da die Ausführungsform 3 eine Modifikation der Ausführungsform 2 ist, werden nur sich von der Ausführungsform 2 unterscheidende Abschnitte erläutert.
-
In der Ausführungsform 2 sind Einspritzlöcher 173, 183 an den hinteren Rändern der Verwirbelungselementflügel 142, 152 ausgebildet. In der Ausführungsform 3 sind die Einspritzlöcher 174, 184 in Seitenflächen (Flügelflächen) der Verwirbelungselementflügel 142, 152 ausgebildet.
-
Die Richtungen der Einspritzung des von den Einspritzlöchern 174, 184 eingespritzten Brennstoffs sind Richtungen, die sich mit der Strömungsrichtung der Luftwirbelströme A11, A12 schneiden (nahezu senkrecht schneiden). Somit wird die Durchmischung des eingespritzten Brennstoffs und der Luftwirbelströme A11, A12 weiter gefördert. Folglich wird ein Vorgemisch des Brennstoffs und von Luft gebildet, und dieses Vorgemisch verbrennt zufriedenstellend in einem Übergangsrohr 130.
-
Ausführungsform 4:
-
Als nächstes wird die Ausführungsform 4 der Erfindung mit Bezug auf 7 beschrieben, die eine Längsschnittansicht ist. Die gleichen Bestandteile wie die der Ausführungsform 1 werden nicht beschrieben, sondern es werden hauptsächlich unterschiedliche Abschnitte zu denjenigen bei der Ausführungsform 1 erläutert.
-
In der Ausführungsform 4 sind Umlenkschaufeln (zylindrische Elemente; „scoops”) 300 an mehreren Stellen entlang der Umfangsrichtung eines Übergangsrohrs 130 installiert. Diese mehreren (beispielsweise drei bis acht) Umlenkschaufeln 300 stellen eine Verbindung zwischen dem Innenraum und dem Außenraum des Übergangsrohrs 130 her. Damit wird Luft mit niedriger Temperatur (beispielsweise in der Größenordnung von 500 bis 600°C), die an der Außenumfangsseite des Übergangsrohrs 130 vorhanden ist, einem zentralen axialen Abschnitt des Innenraums des Übergangsrohrs 130 zugeführt. Infolgedessen wird die Temperatur eines Hochtemperaturbereichs (beispielsweise eines Bereichs mit einer Temperatur von 2000°C), der in dem zentralen axialen Abschnitt des Innenraums des Übergangsrohrs 130 vorhanden ist, und in dem eine fette Verbrennung stattfindet, plötzlich durch Luft mit niedriger Temperatur (beispielsweise in der Größenordnung von 500 bis 600°C), die eingeströmt ist, gesenkt (abgeschreckt). Folglich wird die Erzeugung von NOx gemindert.
-
Wie oben beschrieben wurde, wird der Hochtemperaturbereich durch Strömen der Niedertemperaturluft in das Innere des Übergangsrohrs 130 um die Umlenkschaufeln schlagartig gekühlt. Damit kann die Erzeugung von NOx wirksamer unterdrückt werden.
-
Die gleichen Umlenkschaufeln wie in der Ausführungsform 4, die in 7 gezeigt sind, können in der Ausführungsform 2, die in 3 gezeigt ist, und der Ausführungsform 3, die in 5 gezeigt ist, angebracht sein. In diesem Fall kann die Erzeugung von NOx noch wirksamer als in der Ausführungsform 4 unterdrückt werden.
