DE112014005025B4 - Ringförmige Verbrennungskammer in einem Gasturbinen-Triebwerk und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Abstract

Ringförmige Verbrennungskammer zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk, wobei die Verbrennungskammer mehrere, wenigstens in zwei koaxialen Ringen (C1, C2) angeordnete, zweikanalige Brenner (1, 2) umfasst, die in einer Ebene an der vorderen Wand (3) der Verbrennungskammer verteilt sind, wobei innerhalb jedes Rings (C1, C2) die gleiche und gerade Anzahl von emissionsarmen zweikanaligen Brennern (1, 2) installiert sind,wobei die Brenner (2) des inneren Rings (C1) relativ zu den Brennern (1) des äußeren Rings (C2) in Umfangsrichtung versetzt sind,wobei die inneren Kanäle (17, 18) der Brenner (1, 2) nur der Zufuhr von Zündkraftstoff (10) dienen, während die äußeren Kanäle mit verdichteter Luft (29) sowie mit Hauptkraftstoff (9) mit magerer Kraftstoff-Luft-Mischung (31) versorgt werden,wobei der äußere Kanal jedes Brenners (1, 2) eine Einlass-Leitschaufel (23) mit in ihre Wände geschnittenen Löchern hat, um der querströmenden Luft Kraftstoff zuzuführen, sowie einen Schaufelverwirbler (26), der am Kanalausgang montiert ist, und ein poröses Element (25) mit abgestufter Porosität, das zwischen der Einlass-Leitschaufel (23) und dem Schaufelverwirbler(26) montiert ist, aufweist,wobei die Wirbelrichtung in den Brennern (1, 2) beim Wechsel von einem Brenner (1, 2) zu einem anderen benachbarten Brenner (1, 2) innerhalb eines Rings (C1, C2) mittels der Schaufelverwirbler (26) in eine entgegengesetzte Richtung wechselt,wobei jeder Brenner (1, 2) ferner eine Kraftstoffaufnahme (24.) aufweist, die oberhalb der Einlass-Leitschaufel (23) angeordnet ist,wobei die inneren Kanäle (32) des inneren und des äußeren Brennerrings (C1, C2) entsprechend in dem inneren und dem äußeren Zündkraftstoff-Verteiler (15, 16) zusammengefasst sind, wohingegen die Kraftstoffaufnahmen (24) der Brenner (1, 2) des inneren und des äußeren Rings (C1, C2) entsprechend in dem inneren und dem äußeren Hauptkraftstoff-Verteiler (13, 14) zusammengefasst sind,wobei jede Zünd- und Hauptkraftstoff-Leitung (7, 8) einen Kraftstoffregler (5, 6) an ihrem Eingang aufweist, undwobei ein Ventil stromaufwärts jedes Eingangs der inneren Zünd- und Hauptkraftstoff-Verteiler (13, 14, 15, 16) in den Kraftstoff-Versorgungsleitungen (7, 8) montiert ist.

Description

• Die Erfindung betrifft Verbrennungskammern (combustion chambers - CC), die hauptsächlich in Gasturbinenstrahltriebwerken (jet gas turbine engines - GTE) und stationären Gasturbinenanlagen (gas turbine plants - GTP) verwendet werden, und ein Verfahren zu deren Betrieb.
• Um eine stabile Verbrennung einer Kraftstoff-Luft-Mischung (fuel and air mixture - FAM) sicherzustellen, werden bei Brennern solcher Art stumpfe Körper oder Schaufelverwirbler (vane swirler) - manchmal auch gleichzeitig - verwendet. In ringförmigen Verbrennungskammern führen einseitig gerichtete Wirbel in einzelnen Brennern zu koaxialen ringförmigen Wirbeln. Ein Druckverlust auf Grund von Wandreibung in dem Flammrohr ist typisch, wenn diese Wirbel beibehalten werden. Deshalb sollten solche Ringwirbel als parasitär behandelt werden. Neben Druckverlust verringern sie die Intensität der Flammen des Brenners und die Verbrennungstabilität der Kraftstoff-Luft-Mischungs, da sich ein Teil der parasitären Wirbelströmung nicht an der Verbrennung beteiligt.
• Es sei angemerkt, dass, falls alle Brenner die gleiche Strömungswirbelrichtung haben, eine Übertragung der Flamme von den Brennern mit Fremdzündung der Kraftstoff-Luft-Mischung durch eine äußere Quelle zu passiven Brennern deutlich erschwert wird auf Grund einer maximalen Differenz bei Strömungsgeschwindigkeiten an der Stelle, wo lokale Brennerwirbel mit einander in Berührung kommen. Die Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten kann die normale Flammenausbreitungsgeschwindigkeit überschreiten und zu Brennschluss, in Begleitung von Temperaturmusterverschlechterung in der Brennzone und am Ausgang der Verbrennungskammer führen.
• Falls die ringförmige Verbrennungskammer einen Ring von Brennern mit einseitig gerichteten Wirbeln hat, treten zwei koaxiale parasitäre Ringwirbel auf, die sich in unterschiedlichen Umfangsrichtungen drehen, mit durchschnittlichen Durchmessern, die folglich größer und kleiner sind als der durchschnittliche Durchmesser, auf dem die Brenner beabstandet sind. Falls die ringförmige Verbrennungskammer zwei koaxiale Brennerringe hat, treten drei koaxiale Ringwirbel auf. Deren umlaufende Strömungsrichtungen hängen von den Strömungswirbelrichtungen der Brenner ab.
• Neben Problemen bezüglich der Verbrennungsstabilität der Kraftstoff-Luft-Mischung müssen gleichzeitig Stickoxid- (NO_x-) und Kohlenmonoxid- (CO-) Emissionsverringerungen bewältigt werden, was eine Herausforderung beim Auslegen störungsfreier emissionsarmer Verbrennungskammern ist.
• Das Betriebsverfahren der Verbrennungskammer spielt in der Auslegungsphase eine bedeutende Rolle.
• Bei bekannten Verbrennungskammern werden die oben erwähnten Herausforderungen üblicherweise nur zum Teil gelöst. Deshalb sind neue nicht-triviale technische Lösungen erforderlich.
• Die EP 0 961 907 A1 (siehe auch DE 69715256 T2 ) zeigt eine Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk. Die Brennkammer umfasst eine ringförmige Brennkammer mit radial äußeren und inneren Reihen von Brennstoffeinspritzdüsen, die konzentrisch in der Brennkammerkopfwand angeordnet sind. Die Injektoren in einer der Reihen sind winklig auf die Zwischenräume zwischen den Injektoren in der anderen Reihe ausgerichtet. Jede Brennstoffeinspritzdüse umfasst eine Einrichtung zur Erzeugung eines Brennstoff-Luft-Gemisches mit einer Wirbelbewegung und einen Mischkanal, der stromabwärts der Einrichtung zur Erzeugung des Brennstoff-Luft-Gemisches angeordnet ist. Jeder Mischkanal mündet durch die Brennkammerkopfwand in die Brennkammer und hat eine ausreichende Länge, um eine zumindest teilweise Vermischung des Brennstoff-Luft-Gemisches vor dem Eintritt in die Brennkammer als divergierender Wirbelstrom zu ermöglichen. Mischkanäle in der ersten und zweiten Reihe von Einspritzdüsen haben Längsmittellinien, die so ausgerichtet sind, dass sie mit den erzeugenden Strahlen der ersten bzw. zweiten imaginären konischen Oberfläche zusammenfallen. Diese konischen Flächen schneiden sich unter einem eingeschlossenen Winkel innerhalb einer primären Verbrennungszone in der Brennkammer, wobei die in verschiedenen Reihen angeordneten Injektoren in stromabwärtiger Richtung in einem Winkel zueinander stehen und die divergierenden, wirbelnden Ströme des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die aus verschiedenen Reihen kommen, sich in der Brennkammer in einer ineinandergreifenden Weise kreuzen. Dies erzeugt eine starke Mischungswechselwirkung zwischen den Strömen aus verschiedenen Reihen und verbessert die Gleichmäßigkeit und Schnelligkeit der Verbrennung in der primären Verbrennungszone.
• Die US 2013/0192243 A1 zeigt eine Brennstoffdüsenanordnung zur Verwendung mit einem Turbinentriebwerk. Diese enthält mindestens eine Brennstoffleitung, die mit mindestens einer Brennstoffquelle gekoppelt ist. Die Brennstoffdüsenanordnung enthält auch mindestens einen Verwirbler, der mindestens eine Wand mit einem porösen Abschnitt aufweist. Die mindestens eine Wand ist mit der mindestens einen Brennstoffleitung verbunden. Der poröse Teil ist aus einem Material mit einer Porosität gebildet, die den Brennstoffdurchfluss erleichtert. Dadurch wird mindestens ein Brennstoffströmungsweg durch den porösen Teil der mindestens einen Wand definiert.
• DE 10 2011 117 603A1 beschreibt eine Brennkammer. Die Brennkammer weist eine Verbrennungsvorrichtung und einen Versorgungskreis auf, der eingerichtet ist, um Brennstoff an eine Vielzahl von Standorten der Verbrennungsvorrichtung zu liefern. Der Versorgungskreis weist Verteiler, die Brennstoff sammeln, der unter mindestens einigen der Standorte verteilt werden soll, und Leitungen auf, die von dem mindestens einen Verteiler ausgehen und mindestens einige der Standorte speisen. Einige der Leitungen tragen Ventile, die eine Vielzahl von vorab festgelegten Arbeitsstellungen haben, wobei jede Arbeitsstellung einem anderen Brennstoffdurchsatz durch das Ventil entspricht.
• RU 2094705 C1 zeigt eine bekannte ringförmige Verbrennungskammer, die in Strahl-Gasturbinenstrahltriebwerk oder stationären Gasturbinenanlage verwendet wird und die zwei Brennerringe aufweist. Die Anzahl von Zweikanal-Brennern (innerer Kraftstoffkanal und äußerer Luftkanal) wird mittels einer spezifischen Formel gewählt, so dass der Verbrennungsvorgang ähnlich einem mehrflammigen wird. Die Brenner werden zu Blöcken von vier Brennern mit zwei Brennern pro Ring zusammengefasst. Kraftstoffkanäle von Startbrennern sind zu einem kombinierten Startverteiler zusammengefasst, die Kraftstoffkanäle anderer Brenner hingegen zu einem Haupt-Kraftstoffverteiler.
• Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, NO_x-Emissionen zu verringern.
• Diese Aufgabe wird erreicht durch Verringern der Verbrennungszonenlänge und Verringern der Zeit für die sich das Kraftstoff-Luft-Mischung in Hochtemperaturzonen befindet.
• Unter den Nachteilen der Verbrennungskammern ist Kraftstoff-Diffusionsverbrennung in Start- und Hauptbrennern, gekennzeichnet durch eine ausgedehnte Front und maximale mögliche Temperaturen der Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Mischung und durch bedeutende NO_x-Emissionen.
• Das Betriebsverfahren für die Verbrennungskammer wird nachfolgend beschrieben.
• Während des Starts und bevor die Antriebseinheit im Leerlaufmodus arbeitet, wird der Kraftstoff durch Zündbrenner des äußeren Rings zugeführt, die ein Viertel aller Brenner bilden. Im Leerlaufmodus wird der Kraftstoff auch durch andere Zündbrenner des äußeren und des inneren Rings zugeführt, die betrieben werden, bis die Antriebseinheit im Nennmodus ist.
• Der Hauptnachteil dieses Verbrennungskammer-Betriebsverfahrens liegt in einem potentiellen Brennschluss und einer bedeutenden Temperaturmusterverzerrung beim Start und nach dem Eintritt in den Leerlaufmodus auf Grund der Kraftstoffzufuhr durch eine kleine Anzahl von Zündbrennern, die von einer großen Anzahl von Zündbrennern mit „kalter“ Luft umgeben sind, denen kein Kraftstoff zugeführt wird.
• Nachteile dieser Verbrennungskammer werden teilweise durch die aus RU 2172432 C1 überwunden durch die Verbrennungskammer überwunden, wobei der Flammenrohrkopf eine optimale Anzahl von Brennern - 3 je 100 cm² der Brennkammerrohr(-Mittel)-Querschnittsfläche - hat.
• Ähnlich wie die Verbrennungskammer in RU 2094705 C1 , verwendet die Verbrennungskammer aus RU 2083926 C1 einen Mehrflammenrohrkopf mit einer ringförmigen Reihe von Hauptbrennern und einem Bereitschaftsbrenner mit einem Schaufelverwirbler in der Mitte. Die NO_x-Emission wird verringert durch Aufteilen der Flamme im Mehrflammenrohrkopf in mehrere kleinere Flammen und durch sich Verringern der Hochtemperaturzonenlänge und der Zeit, für die sich Verbrennungsprodukte in der Hochtemperaturzone befinden. Die kinetische Verbrennung der vorbereiteten Kraftstoff-Luft-Mischung ohne Hochtemperaturzonen in der Flamme wird durch den Bereitschaftsbrenner gewährleistet. Eine zuverlässige Wärmeübertragung von dem Bereitschaftsbrenner zu der Kraftstoff-Luft-Mischung der Hauptbrenner wird erreicht, indem der Strömungswirbel dieses Brenners mit Hilfe der Schaufeln und der Strömungswirbels des inneren ringförmigen Raums mit Hilfe der Hauptschaufeln auf einander gerichtet werden. Deshalb wird die Geschwindigkeitsdifferenz von benachbarten Strömungen an ihrer Berührungsstelle minimal und unterhalb des Brennschluss-Geschwindigkeitswertes sein.
• US 5,490,380 zeigt eine ringförmige Verbrennungskammer mit einem Brennerring, wobei der Wirbel in allen Brennern eine Richtung hat. Bei dieser Verbrennungskammer-Ausführungsform treten, wie oben angemerkt, zwei koaxiale ringförmige parasitäre Wirbel auf, was ein Nachteil ist.
• Nageshima, T. et al., „Lessons Learnt from the Ultra-Micro Gas Turbine Development at University of Tokyo“, MICRO GAS TURBINES, 2005, Seiten 14-1 bis 14-58.; Elektronisch abrufbar unter: https://www.sto.nato.int/publications/STO%20Educational%20Notes/RTO-EN-AVT- 131/EN-AVT-131-14.pdf) beschreibt eine ringförmige propanbetriebene Verbrennungskammer mit acht Mikrobrennern und deren thermodynamische und ökologische Eigenschaften. Der Innendurchmesser der radialen Wirbelschaufeln beträgt 16 mm. Es werden Zweikanalbrenner (innerer Kraftstoff-Kanal und äußerer Luft-Kanal) mit Kraftstoff-Diffusionsverbrennung verwendet.
• Um die Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Mischung zu stabilisieren, wird ein Luftströmungswirbel verwendet. Zur gleichen Zeit wird der Strömungswirbel in benachbarten Brennern wechselnd in entgegengesetzte Richtungen (im Uhrzeigersinn, gegen den Uhrzeigersinn) gewechselt, um ein vorteilhaftes Geschwindigkeitsfeld in der Verbrennungszone und ein zufriedenstellendes Temperaturmuster am Ausgang der Verbrennungskammer zu erzeugen. Die Anzahl von Brennern in jedem Ring einer solchen Verbrennungskammer muss gerade sein. In dieser Verbrennungskammer treten keine parasitären ringförmigen Wirbel auf. Stattdessen bilden sich periodische Paarwirbel, die alternierende radiale Strömungen zur oder von der Mitte der Verbrennungskammer erzeugen, was zu einer höheren Verbrennungsstabilität der Kraftstoff-Luft-Mischung und gleichen Temperaturmustern in Radialrichtung am Ausgang der Verbrennungskammer führt.
• Bei dieser aus der EP 0 378 505 A1 bekannten Ausführungsform hat die ringförmige Verbrennungskammer mehrere komplanare Brenner an der vorderen Wand unter Verwendung wenigstens von zwei Ringen. Die Brenner innerhalb eines Rings haben die gleiche Wirbelrichtung, die entgegengesetzt zu der Wirbelrichtung der benachbarten Ringbrenner ist.
• Bekannte Prototypen umfassen ebenfalls eine ringförmige Verbrennungskammer mit Brennern, deren Enden komplanar sind. Eine solche Verbrennungskammer ist in US 5,400,587 A gezeigt. Die Brenner bilden zwei koaxiale Ringe. Die Brenner jedes Rings haben die gleichen Wirbelrichtungen, die jedoch entgegengesetzt zu den Wirbelrichtungen der Brenner des benachbarten Rings sind. Auf Grund eines solchen Wirbels bilden sich drei koaxiale ringförmige Wirbel: zwei parasitäre Wirbel (äußerer und innerer) und ein Zwischenwirbel. Die Richtungen des äußeren und des inneren parasitären Wirbels stimmen mit der Wirbelrichtung in den Brennern des äußeren Rings überein. Die Wirbelrichtung des ringförmigen Zwischenwirbels dieser Verbrennungskammer ist immer entgegengesetzt zu der Wirbelrichtung der parasitären ringförmigen Wirbel.
• Im Allgemeinen wird die Kraftstoff-Luft-Mischung in zwei oder drei Brennern gezündet, die gleichmäßig und im Umfangsrichtung beabstandet um den äußeren Ring angeordnet sind, was eine Kraftstoff-Luft-Mischung-Zündung in anderen Brennern dieses Rings und eine Kraftstoff-Luft-Mischung-Zündung in den Brennern des inneren Rings verhindert. Die Bildung des Zwischenwirbels löst das mit der Weitergabe der Flamme zwischen den Brennern verbundene Problem teilweise. Die Flamme wird abwechselnd von dem Brenner des einen Rings zu dem benachbarten Brenner des anderen Rings weitergegeben, usw. Die mit Kraftstoff versorgten Zündbrenner belaufen sich auf fünf Sechstel aller Brenner.
• Die Hauptnachteile dieser Verbrennungskammer schließen Folgendes ein:
• - höhere Druckverluste auf Grund von parasitären Wirbeln,
• - Unzweckmäßigkeit des Erzeugens „einer intensiven Querströmung entlang der Verbrennungskammer-Wände und in der Mitte“, um eine zuverlässige Weitergabe der Flamme zwischen den Brennern sicherzustellen, da die Zündbrenner „die gezündeten Brenner wirksam umschließen“ und sich auf fünf Sechstel aller Brenner belaufen,
• - niedrigere Zuverlässigkeit der Kraftstoffweiterleitung in der ringförmigen Verbrennungskammer, wenn Zündbrenner getrennt sind durch gezündete Brenner, die nicht mit Kraftstoff versorgt werden,
• - niedrigere Kammer-Verbrennungsintensität und Kraftstoff-Verbrennungseffizienz und teilweise Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Mischungsstabilitätsverlust auf Grund der Ausdehnung der vorderen Wand und des Volumens der ringförmigen Verbrennungskammer, auf Grund der alternierenden Verschiebung von je zwei Brennern nach außen oder zur Mitte jedes Rings hin.
• Das Betriebsverfahren für diese ringförmige Prototypen-Verbrennungskammer gemäß US 5,400,587 A besteht darin, dass Zündbrenner verwendet werden, um Kraftstoff zuzuführen, wenn die Verbrennungskammer gestartet und ihre Last auf 40 % bis 55 % gesteigert wird. Der Kraftstoffverbrauch wird in dem Bereich von 40 % bis 55 % und von 65 % bis 80 % auf dem gleichen Niveau gehalten. Wenn die Last 65 % bis 80 % überschreitet, werden die Zündbrenner aktiviert.
• Ein bekanntes Betriebsverfahren für eine ringförmige Verbrennungskammer ist in der EP 0 401 529 A1 gezeigt. Diese zeigt eine Baugruppe aus Zündbrennern und gezündeten Brennern, die an der vorderen Kammerwand beabstandet sind. In diesem Fall wird Kraftstoff durch die Zündbrenner zugeführt, wenn die Kammer gestartet und die Last bis zu einem spezifizierten Wert gesteigert wird. Wenn die Last weiter gesteigert wird, wird Kraftstoff durch die gezündeten Brenner zugeführt.
• Die Hauptaufgaben der Erfindung lauten wie folgt:
• - den Druckverlust in der Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Mischungszone zu verringern,
• - die Zuverlässigkeit der Flammenweitergabe zwischen den Brennern zu steigern,
• - die Verbrennungsstabilität von mageren Kraftstoff-Luft-Mischung zu steigern,
• - die Temperaturmuster-Gleichförmigkeit in Radial- und Umfangsrichtung am Ausgang der ringförmigen Verbrennungskammer zu verbessern und
• - NO_x- und CO-Emissionen zu verringern.
• Die obigen Aufgaben werden durch den Gegenstand des Hauptanspruchs 1 und des nebengeordneten Verfahrensanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiter Gegenstand der abhängigen Patenansprüche und werden nachfolgend erläutert.
• Eine erfindgungsgemäße, ringförmige Verbrennungskammer ist zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk vorgesehen und weist mehrere komplanare Brenner auf, die an der vorderen Kammerwand beabstandet sind, wobei wenigstens zwei koaxiale Ringe eingesetzt sind. Innerhalb jedes Rings ist die gleiche und gerade Anzahl von emissionsarmen Brennern montiert. Die Brenner des inneren Rings sind in Halbteilungs-Intervallen (half-pitch intervals) relativ zu den Brennern des äußeren Rings in Umfangsrichtung versetzt. Alle Brenner sind zweikanalig. Die inneren Kanäle der Brenner dienen nur der Zündkraftstoff-Zufuhr, während die äußeren Kanäle mit verdichteter Luft von hinter dem Verdichter und Hauptkraftstoff mit magerer Kraftstoff-Luft-Mischung versorgt werden. Der äußere Kanal jedes Brenners hat eine Einlass-Leitschaufel, mit in ihren Wände geschnittenen Löchern zum Zuführen von Kraftstoff zur querströmenden Luft, einen Schaufelverwirbler, der am Kanalausgang montiert ist, und ein poröses Element mit abgestufter Porosität, das zwischen der Einlass-Leitschaufel und dem Schaufelverwirbler montiert ist. Die Wirbelrichtung in den Brennern wechselt mittels dem Schaufelverwirbler beim Verlagern von einem Brenner zu einem anderen, benachbarten Brenner innerhalb jedes Rings entgegengesetzt alternierend oder wechselnd. Jeder Brenner weist ferner eine ringförmige Kraftstoffaufnahme auf, die sich oberhalb der Einlass-Leitschaufel befindet. Die inneren Kanäle des inneren und des äußeren Brennerrings sind entsprechend in dem inneren und dem äußeren Zündkraftstoff-Verteiler zusammengefasst, wobei ringförmige Kraftstoffaufnahmen der Brenner des inneren und des äußeren Rings entsprechend in dem inneren und dem äußeren Hauptkraftstoff-Verteiler zusammengefasst sind. Jede Zünd- und Hauptkraftstoff-Leitung hat am Eingang einen Kraftstoffregler. Ein Ventil ist stromaufwärts von jedem Eingang der inneren Zünd- und Hauptkraftstoff- Verteiler in den Kraftstoff-Zufuhrleitungen montiert.
• Vorzugsweise ist ein axialer Turbo-Schaufelverwirbler mit Profilschaufeln zu verwenden.
• Vorzugsweise müssen die Schaufeln des axialen Schaufelverwirblers nach dem folgenden Gesetz verwirbelt sein: $$tg\phi ={\left(\frac{R_{\pi }}{R}\right)}^{n}tg{\phi }_{\pi }\text{,}$$

  

  wobei R und R_π - gegenwärtiger Strömungsradius und entsprechender Drallerzeugungsschaufel-Umfangsradius,
  φ und φ_π - gegenwärtiger Strömungswirbelwinkel und entsprechender Drallerzeugungsschaufel-Umfangswinkel,
  n - Exponent mit einem Wert im Bereich: 0 > n ≥ -1.
• Vorzugsweise ist ein poröses Element zu verwenden, das aus Mikrometergaze gefertigt ist.
• Vorzugsweise ist durch das Wählen der Oberflächenausdehnung des porösen Elements die durchschnittliche Mischungs-Strömungsgeschwindigkeit in den Mikroporen des Körpers des porösen Elements im Nennmodus der Verbrennungskammer in dem Bereich zwischen 40 m/s und 60 m/s zu halten.
• Das Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen ringförmigen Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk, besteht darin, dass beim Starten der Kammer und beim Steigern der Last auf einen vorbestimmten Wert der Kraftstoff nur einem Teil der Brenner der Verbrennungskammer zugeführt wird. Wenn die Last den vorbestimmten Wert überschreitet, werden andere Brenner Kraftstoff aktiviert indem ihnen Kraftstoff zugeführt wird. Innerhalb jedes Rings ist die gleiche und gerade Anzahl von emissionsarmen Brennern montiert. Die Brenner des inneren Rings sind relativ zu den Brennern des äußeren Rings in Halbteilungs-Intervallen (half-pitch intervals) in Umfangsrichtung versetzt, wie beispielhaft in 2 gezeigt wird. Alle emissionsarmen Brenner sind zweikanalig. Die inneren Kanäle der Brenner dienen nur der Zündkraftstoffzufuhr, während die äußeren Kanäle mit verdichteter Luft von hinter dem Verdichter und Hauptkraftstoff mit einer mageren Kraftstoff-Luft-Mischung versorgt werden. Der äußere Kanal jedes Brenners hat eine Einlass-Leitschaufel mit in ihre Wände geschnittenen Löchern, um der querströmenden Luft Kraftstoff zuzuführen, einen axialen Schaufelverwirbler, der am Kanalausgang montiert ist, und ein poröses Element, das zwischen der Einlass-Leitschaufel und dem axialen Schaufelverwirbler eingebaut ist. Die Wirbelrichtung in den Brennern wird unter Verwendung des Schaufelverwirblers zur entgegengesetzten alterniert, wenn von einem Brenner zu dem anderen benachbarten Brenner innerhalb eines Rings gewechselt wird. Jeder Brenner weist ferner eine ringförmige Kraftstoffaufnahme auf, die oberhalb der Einlass-Leitschaufel angeordnet ist. Die inneren Kanäle des inneren und des äußeren Brennerrings werden entsprechend in dem inneren und dem äußeren Zündkraftstoff-Verteiler zusammengefasst, wohingegen ringförmige Kraftstoffaufnahmen der Brenner des inneren und des äußeren Rings entsprechend in dem inneren und dem äußeren Hauptkraftstoff-Verteiler, zusammengefasst werden. Jede Zünd- und Hauptkraftstoff-Leitung hat am Eingang einen Kraftstoffregler. Ein Ventil ist stromaufwärts jedes Eingangs der inneren Zünd- und Hauptkraftstoff-Verteiler in den Kraftstoff-Zufuhrleitungen montiert. Beim Starten und wenn die Last auf den Wert nahe dem Leerlauf-Leistungsmodus (65 % bis 70 % der Nennlast) gesteigert wird, sind die Ventile geschlossen. Daher werden Zünd- und Hauptkraftstoff nur den Brennern des äußeren Rings zugeführt. Wenn die Last einen Wert nahe dem Leerlauf-Leistungsmodus erreicht und auf den Nennmodus-Wert gesteigert wird, öffnen beide Ventile und stellen Zünd- und Hauptkraftstoff auch den Brennern des inneren Rings bereit.
• Vorzugsweise ist der relative Zündkraftstoffverbrauch in den Brennern des äußeren und des inneren Rings - definiert als das Verhältnis zwischen dem Zündkraftstoffverbrauch und dem Gesamtverbrauch von Haupt- und Zündkraftstoff - unter Verwendung der Kraftstoffregler zu vermindern, vorausgesetzt, dass eine minimale Stickoxidemission erzeugt wird indem der vorbestimmte Gesamtverbrauch von Haupt- und Zündkraftstoff und ein vorbestimmter Gesamt-Luftüberschussfaktor beibehalten werden, während die Verbrennungsstabilität einer mageren Kraftstoff-Luft-Mischung erhalten wird.
• Die Auslegung der ringförmigen Verbrennungskammer und das Verfahren zu ihrem Betrieb werden in den folgenden Figuren erläutert.
• 1. Darstellung der ringförmigen Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk.
• 2. Ansicht der ringförmigen Verbrennungskammer (gemäß dem in 1 angezeigten Pfeil A).
• 3. Stromlinienkonfiguration (gemäß Abwicklung der Flammenrohr-Vorderwand), die während des Betriebs der ringförmigen Verbrennungskammer gebildet wird, auf der Grundlage der experimentellen Forschungsergebnisse.
• 4. Darstellung eines zweikanaligen emissionsarmen Brenners mit einem porösen Element.
• 5. Abwicklung der axialen Turbinenleitschaufeldrallerzeugerkaskade mit Profilschaufeln in dem in 4 gezeigten Schnitt A-A.
• Die Begründung für die oben erwähnten technischen Lösungen in Bezug auf die ringförmige Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk wird im Folgenden gegeben.
1. 1. Zweikanalige Brenner mit Diffusionsverbrennung des Zündkraftstoffs, der durch den inneren Brennerkanal zugeführt wird unter Verwendung eines Sauerstoff-Überschusses in einer mageren Kraftstoff-Luft-Mischung, die durch den äußeren Brennerkanal zugeführt wird, um eine Bereitschaftsflamme zu bilden (in ausländischer Literatur wird sie Zündflamme genannt).
• Falls eine magere Kraftstoff-Luft-Mischung in benachbarten Brennern unter Verwendung von Schaufelverwirblern in eine Richtung verwirbelt wird, dann wird die Geschwindigkeitsdifferenz an der Stelle, wo sich die lokalen Brennerwirbel berühren, maximal sein. Diese Strömungsgeschwindigkeitsdifferenz kann die normale Flammenausbreitungsgeschwindigkeit überschreiten und zu Brennschluss mit sich verschlechterndem Temperaturmuster in der Verbrennungszone und am Ausgang der Verbrennungskammer führen. Um die Geschwindigkeitsdifferenz an den Stellen, wo sich die lokalen Wirbel benachbarter Brenner berühren, zu beseitigen, werden in benachbarten Brennern entgegengesetzt gerichtete Strömungswirbel bereitgestellt. Im Vergleich zu anderen Brenner, in denen keine Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Mischung stattfindet ermöglicht dies, die Wärmeübertragung von einem Brenner, in dem die Kraftstoff-Luft-Mischung verbrannt wird zu verbessern, um die Kraftstoff-Luft-Mischung in ihm zu verbrennen. Ein solcher Strömungswirbel in benachbarten Brennern ist ähnlich wie zwei Zahnräder, die in Eingriff gebracht werden (siehe 2).
• Um eine Regelmäßigkeit und einen Abschluss dieses Wärmeübertragungsvorgangs zwischen den Brennern, die einen Ring bilden, zu gewährleisten, muss die Anzahl der Brenner in dem Ring gerade sein.
• Die vorgeschlagene ringförmige Verbrennungskammer ist frei von parasitären Wirbeln, was Wandreibungsdruckverluste in dem Flammenrohr verringert. Stattdessen treten periodische Paarwirbel auf, die radiale Strömungen abwechselnd zu und von der Mitte der Verbrennungskammer erzeugen, was nicht nur zu zuverlässiger Wärme- und Flammenübertragung zwischen den Brennern führt, sondern zur Ausrichtung von Temperaturmustern, vor allem in radialer Richtung (siehe 3). Darüber hinaus steigert sich die Anzahl von miteinander in Kontakt stehenden Brennern, die dazu in der Lage sind, die Wärme zu einem Brenner ohne Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Mischung zu übertragen, mit einem solchen Strömungswirbel auf drei, verglichen mit Ausführungsformen gemäß US 5,400,587 A , wo sie zwei betrug. Das bedeutet eine höhere Zuverlässigkeit bei der Wärme- und Flammenübertragung zwischen den Brennern und eine höhere Zuverlässigkeit beim Verbrennungskammer-Betrieb.
• 2. Vorausgesetzt, dass der Verdichter- und der Gasturbinenstrahltriebwerk-Turbinenbetrieb vorrangig in einem Startmodus und Übergangsmodi angepasst sind, folgt daraus, dass der Luftüberschussfaktor bedeutend zunimmt. Der Betrieb der Verbrennungskammer in diesen Modi ist wesentlich durch bedeutende Kraftstoff-Luft-Mischung-Abmagerung, Qualitätsverlust und schlechte Verbrennungsstabilität sowie durch bedeutenden Verbrennungswirkungsgradverlust und CO-Emissionszunahme gekennzeichnet.
• In diesem Fall besteht eine aktive Herangehensweise zur Bekämpfung von CO-Emission darin, die Zufuhr von Haupt- und Zündkraftstoff in die Brenner des inneren Rings zu unterbrechen, die sich auf 50 % der Gesamtanzahl der Brenner der Verbrennungskammer belaufen. Eine solche technische Lösung ermöglicht es, die Kraftstoff-Luft-Mischung der Brenner des äußeren Rings zweifach anzureichern, die Mischungsqualität, die Verbrennungsstabilität bei magerer Kraftstoff-Luft-Mischung und den Verbrennungswirkungsgrad zu verbessern, was die CO-Emissionen bedeutend verringert.
• Um diese technische Lösung umzusetzen, sind die inneren Kanäle der Brenner des inneren und des äußeren Rings entsprechend in dem inneren und dem äußeren Zündkraftstoffverteiler zusammengefasst, während die ringförmigen Aufnahmen der Brenner des inneren und des äußeren Rings entsprechend in dem inneren und dem äußeren Hauptkraftstoffverteiler zusammengefasst sind. Jede Haupt- und Zündkraftstoff-Leitung hat ein Ventil, das stromaufwärts von dem inneren Haupt- und Zündkraftstoff-Verteiler montiert ist. Durch das Schließen der Ventile kann, falls erforderlich, die Versorgung von Haupt- und Zündkraftstoff zu den Brennern des inneren Rings unterbrochen werden.
• Es sollte ebenfalls bemerkt werden, dass es das Zusammenfassen der inneren und der äußeren Brennerkanäle in gemeinsamen Kraftstoffverteilern ermöglicht, die Anlagen beider Ringe zur Haupt- und Zündkraftstoffversorgung zu vereinfachen und die Kraftstoffversorgungsanlagen der Ringe unabhängig zu machen.
• Es sollte hervorgehoben werden, dass das Abtrennen des inneren Brennerrings zu diesem Zweck praktischer ist als das Abtrennen des äußeren Brennerrings, da der Zugang zu den Brennern des äußeren Rings während der Verbrennungsvorphase leichter ist als zu den Brennern des inneren Rings. Zur gleichen Zeit wird das mit Wärme- und Flammenübertragung zwischen den Brennern in jedem Ring verbundene Problem gelöst durch das Bereitstellen der entgegengesetzt gerichteten Wirbel in benachbarten Brennern bei gleichbleibendem Zuverlässigkeitsniveau.
• 3. Die Fachbücher Lefebvre A., „Gas turbine combustion“ („Gasturbinenverbrennung“), Hrsg. CRC Press, 1986, Kutysh 1. 1., „Power unit gas treatment methods and devices“, MGOF Znanie, 2012, 2. Geänderte Fassung, beschreiben eine Stand der Technik, der es ermöglicht, die die NO_x-Emission der Verbrennung einer vorbereiteten mageren Kraftstoff-Luft-Mischung, durch das Verbrennen der mageren Kraftstoff-Luft-Mischung bei einer niedrigen adiabatischen Temperatur bedeutend zu verringern. Deshalb wird eine vorbereitete magere Kraftstoff-Luft-Mischung in zweikanaligen Brennern der ringförmigen Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk verbrannt. Besondere Aufmerksamkeit wird der Qualität der mageren Kraftstoff-Luft-Mischung gewidmet.
• 4. Es ist gut bekannt, dass die Mischungsqualität, verstanden als das Niveau der Kraftstoff-Konzentrationsgleichförmigkeit bezogen auf das Volumen des mageren Kraftstoff-Luft-Mischung eine bedeutende Auswirkung auf die NO_x-Emission hat. Falls die Qualität des mageren Kraftstoff-Luft-Mischung niedrig ist, treten lokale Bereiche von verdünnter und angereicherter Kraftstoff-Luft-Mischung auf, mit höherer adiabatischer Verbrennungstemperatur und höherer NO_x-Emission. Es ist schwieriger, eine gute Qualität einer mageren Kraftstoff-Luft-Mischung zu bekommen als eine gute Qualität eines Gemischs mit stöchiometrischem Verhältnis. Daher müssen im Fall einer bedeutenden Abmagerung der Kraftstoff-Luft-Mischung zusätzliche nicht-triviale technische Lösungen angewendet werden, um die Qualität der Kraftstoff-Luft-Mischung zu verbessern.
• Zu diesem Zweck ist ein poröses Element zwischen der Einlass-Leitschaufel (inlet guide vane - IGV) und dem axialen Schaufelverwirbler (axial vane swirler - AVS) eingebaut.
• Der vorgeschlagene Brenner weist ein zweistufiges System zur Vorbereitung einer mageren Kraftstoff-Luft-Mischung auf: Strahlzufuhr und Mischen von Hauptkraftstoff mittels Querströmung im Einlass-Leitschaufel-Bereich (erste Stufe) und zusätzliches Mischen der sich ergebenden mageren Kraftstoff-Luft-Mischung in Mikrokanälen des Körpers des porösen Element (zweite Stufe) unter Verwendung von turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen, turbulentem Druck, turbulenter Temperatur und turbulenten Bestandteilkonzentrationen. Die Bestandteile (Luft und Kraftstoff) werden in zwei Stufen gemischt, bevor die magere Kraftstoff-Luft-Mischung in den Verbrennungsbereich zugeführt wird.
• 5. Die Ergebnisse experimenteller Forschungen, die poröse Materialien auf der Grundlage von metallischem Mikrometerpulver, Faser und Gaze einbezogen ist beispielsweise in Kutysh I. I. et al.., „New metal ceramic filters for diesel engine gas treatment and their hydraulic properties", Conversion in mechanical engineering, 2002.- Nr. 4, S. 32-37; Kutysh I. I. et al., „Experimental research of resistance coefficients of porous plates made of micron powder", in Materials from the 16th International Conference on Computational Mechanics and Modern Application Programme Systems25.-31. Mai 2009, Alushta, Moskau, S. 473-475; Kutysh I. I. et al., „Results of experimental research of resistance coefficients of metallic micron gauze packages", in Materials from the 17th International Conference on Computational Mechanics and Modern Application Programme Systems, 25.-31. Mai 2011, Alushta, Moskau, S. 579-580); und Kutysh I. I. et al., „Results of experimental research of resistance coefficients of metal ceramic porous materials of different types and their comparison", in Materials from the 9th International conference on non-equilibrium processes in nozzles and jets, 25.-31. Mai 2012, Alushta, Moskau, S. 54-57) gezeigt. Diese Veröffentlichungen zeigen, dass alle Arten von porösen Materialien eine hohe Qualität einer Mischung von flüssigem/gasförmigem Kraftstoff und Luft gewährleisten. Jedoch haben aus metallischen Mikrometergazen hergestellte poröse Materialien einen minimalen hydraulischen Widerstand und eine maximale Festigkeit. Minimale Volldruckverluste, wenn das Gemisch durch Mikroporen des Körpers des porösen Elements hindurch geht, und ein zufriedenstellende Mischung der Bestandteile werden erreicht, wenn die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit der Mischung 40 bis 60 m/s nicht überschreitet.
• Diese Eigenschaften von aus metallischen Mikrometergazen hergestellten porösen Materialien definieren deren Vorteile gegenüber anderen Arten von porösen Materialien, wenn sie in Brennern zur Vorbereitung einer mageren Kraftstoff-Luft-Mischung verwendet werden.
• Ein anderes wesentliches Merkmal von porösen Materialien ist ihre Kompaktheit, was die Mischbahn der Bestandteile, verglichen mit Strahlmischung, optimiert.
• 6. Schaufelverwirbler werden weithin in Verbrennungskammer-Brennern verwendet, wie zum Beispiel in dem Fachbuch Shchukin V. K., Khalatov A. A., „Heat Exchange, Mass Exchange and hydrodynamics of swirl flows in axially symmetric channels“, - Mashinostroeniye, 1982 gezeigt wird. Sie tragen bedeutend zur Bildung von Geschwindigkeitsfeldern bei, die charakterisiert sind durch die Strömungswirbelausdehnung und das Verhalten der Drehgeschwindigkeit innerhalb des Schaufelradius. In der Praxis werden Drallerzeuger mit flachen (Leit-)Schaufeln und mit gebogenen Platten verwendet (der Drallerzeugungs- bzw. Wirbelwinkel variiert von 15° bis 60°). Jedoch können Kaskaden solcher insbesondere flachen Schaufeln keine nicht-abgelöste Strömung in dem Kanal von Schaufel zu Schaufel gewährleisten, was zu höheren Verlusten führt.
• Zum Beispiel zeigt 5 die Kaskade eines Turbinen-Schaufelverwirbler mit Profilschaufeln in willkürlichem Querschnitt (Schaufelhöhe). Solche Kaskaden gewährleisten eine nicht-abgelöste Strömung mit minimalen Druckverlusten in dem Kanal von Schaufel zu Schaufel, d.h., haben nicht die oben erwähnten Nachteile.
• Geometrische oder strukturelle Wirbelwinkel in dem Schaufelverwirbler-Ausgangsquerschnitt unterscheiden sich von dem Strömungswirbelwinkel.
• Die Differenz zwischen diesen Winkeln hängt von der Anzahl und der Profilsehne von Schaufeln im Schaufelverwirbler ab und nimmt ab, wenn diese Parameter zunehmen.
• Das Gesetz der Strömungswirbelwinkel-Variationen innerhalb des Schaufelverwirbler-Schaufelradius kann als eine Abhängigkeitsformel niedergeschrieben werden: $$u{R}^n=const$$

  

  wobei:
  u - rotatorische Komponente der Strömungsgeschwindigkeit am Schaufelverwirbler-Ausgang im Radius R,
  n - Exponent, der die Werte von -1 ≤ n ≤ 3 besitzt.
• Um das Gesetz (1) am Schaufelverwirbler-Ausgang umzusetzen, müssen dessen Schaufeln eine gewisse Abhängigkeit des strukturellen Drall - bzw. Wirbelwinkels vom Radius haben: φ = f(R). Die einfachste Abhängigkeit wird unter der Annahme erreicht, dass axiale Geschwindigkeiten W_a an dem Schaufelverwirbler-Eingang und -Ausgang gleichförmig über die Schaufelhöhe verteilt sind: $$tg\phi ={\left(\frac{R_{\pi }}{R}\right)}^{n}tg{\phi }_{\pi }$$

  

  wobei:
  R_π - Schaufelradius am Umfang des Strömungsteils des Brenners,
  φ_π - struktureller Drall- bzw. Wirbelwinkel im Radius R_π,
  φ - struktureller Drall- bzw. Wirbelwinkel im Radius R.
• Von besonderem Interesse ist das Drall- bzw. Wirbelgesetz, das bei Vergrößerung des L-Schaufelradius der Schaufelverwirbler einen zunehmenden Strömungswirbel bzw. -drall bereitstellt. Bei n=0 wird der Wirbel in Schaufelhöhe der der Schaufelverwirbler aufrechterhalten. Eine maximale Steigerung des Wirbels in Schaufelhöhe der Schaufelverwirbler nach dem Wirbelgesetz (2) wird bei n=-1 erreicht. Es folgt, dass der Exponent n nur negative Werte in folgendem Bereich hat: $$-1\le \text{n}<0$$

  

  Die Ergebnisse experimenteller Forschung zeigten, das Schaufelverwirbler mit einem solchen Gesetz (2) und unter Berücksichtigung des Ausdrucks (3) eine stabile Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Mischung gewährleisten.
• 7. Experimentelle Untersuchung der ökologischen Eigenschaften von zweikanaligen Brennern mit Diffusionsverbrennung von Zündkraftstoff zeigten, dass die NO_x-Emission bedeutend vom relativen Verbrauch von Zündkraftstoff abhängt. Je geringer der relative Verbrauch von Zündkraftstoff ist - während eine stabile Verbrennung von magerer Kraftstoff-Luft-Mischung aufrechterhalten wird -, desto geringer ist die NO_x-Emission. Um den relativen Verbrauch von Zündkraftstoff verändern zu können, während der vorbestimmte Gesamtverbrauch von Haupt- und Zündkraftstoff beibehalten wird, sind entsprechende Kraftstoffregler (siehe 1) in den Haupt- und Zündkraftstoff-Leitungen eingebaut.
• Unten wird die Begründung für die vorgeschlagenen technischen Lösungen angegeben, die mit dem Verfahren zum Betrieb der ringförmigen Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk verbunden sind.
1. 1. Wie oben erwähnt wurde, tritt in Start- und Übergangsmodi bei Leerlaufleistung mit einer Last von 65 % bis 70 % der Nennlast der Gasturbinenstrahltriebwerks ein sehr hoher Luftüberschussfaktor auf, der gekennzeichnet ist durch eine schlechte Verbrennungsstabilität von magerer Kraftstoff-Luft-Mischung, Mischungsqualitätsverlust, schlechtem Kraftstoff-Verbrennungswirkungsgrad und hoher CO-Emission. Um diesen Nachteil zu überwinden, wird die Haupt- und Zündkraftstoffversorgung für einen Teil der Brenner durch das Schließen entsprechend zugeordneter Ventile unterbrochen, und der gesamte Kraftstoff wird dann dem anderen Teil der Brenner zugeführt. Bei diesem Beispiel, das in 2 gezeigt wird, wird die Hälfte der Brenner des inneren Verbrennungskammer-Rings abgetrennt. In diesem Fall vermindert sich der Luftüberschussfaktor zweifach, was zu höherer Verbrennungsstabilität von magerer Kraftstoff-Luft-Mischung, Steigerung der adiabatischen Verbrennungstemperatur, höherem Kraftstoff-Verbrennungswirkungsgrad und niedrigerer CO-Emission führt.
2. 2. Falls der Verbrauch von Zünd- und Hauptkraftstoff in allen Betriebsmodi einer ringförmigen Verbrennungskammer reguliert wird, während unter der Voraussetzung, dass der vorbestimmte Gesamtverbrauch von Kraftstoff und die Verbrennungsstabilität von magerer Kraftstoff-Luft-Mischung aufrechterhalten werden, ein minimaler relativer Verbrauch von Zündkraftstoff gewährleistet wird, kann die NO_x-Emission bedeutend verringert werden, was durch experimentelle Forschung gestützt ist. Der Grund für die Emissionsverringerung ist, dass die Hochtemperaturzone der Zündkraftstoff-Diffusionsverbrennung kleiner wird. Geringere Zündkraftstoff-Verbrennung und entsprechend höherer Hauptkraftstoff-Verbrauch durch die Brenner führt zur Sättigung von magerer Kraftstoff-Luft-Mischung und einer höheren Verbrennungsstabilität der Kraftstoff-Luft-Mischung.
• Eine vorgeschlagene ringförmige Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk mit dem vorgeschlagenen Betriebsverfahren wird in den Figuren (1 bis 5) gezeigt.
• Zweikanalige Brenner 1 des äußeren Rings C1 und zweikanalige Brenner 2 des inneren Rings C2 sind an der vorderen Wand 3 des Flammenrohrs 4 montiert. Die Enden der Brenner beider Ringe befinden sich in einer vertikalen Ebene (siehe 1). Die inneren Kanäle 18 der zweikanaligen Brenner 1 des äußeren Rings C1 und die inneren Kanäle 17 der zweikanaligen Brenner 2 des inneren Rings C2 sind entsprechend in dem äußeren ringförmigen Zündkraftstoff-Verteiler 16 und dem inneren ringförmigen Zündkraftstoff- Verteiler 15 zusammengefasst, an deren Eingang beispielsweise ein elektrisches Ventil 11 in der Zündkraftstoff-Zufuhrleitung bzw. -Versorgungsleitung 7 eingebaut ist. Ringförmige Aufnahmen 19 der zweikanaligen Brenner 1 des äußeren Rings C1 und ringförmige Aufnahmen 20 der zweikanaligen Brenner 2 des inneren Rings C2 sind entsprechend in dem äußeren ringförmigen Hauptkraftstoff-Verteiler 14 und dem inneren ringförmigen Hauptkraftstoff-Verteiler 13 zusammengefasst, an deren Eingang zum Beispiel das elektrische Ventil 12 in der Hauptkraftstoff-Zufuhrleitung 8 eingebaut ist. In der Hauptkraftstoff-Zufuhrleitung 8 und in der Zündkraftstoff-Zufuhrleitung 7 sind entsprechende Kraftstoffregler 5 und 6 für Hauptkraftstoff 9 und Zündkraftstoff 10 montiert.
• 2 zeigt eine Mittellinie E des Flammenrohres, die den äußeren und den inneren Ring der Verbrennungskammer trennt, und eine Auslegungsgrafik von Brennern A1 mit Wirbel im Uhrzeigersinn und von Brennern A2 mit Wirbel im Gegenuhrzeigersinn im äußeren Ring C1, sowie Brennern B1 mit Wirbel im Uhrzeigersinn und Brennern B2 mit Wirbel im Gegenuhrzeigersinn im inneren Ring C2. Die graue Farbe wird verwendet, um die Brenner des äußeren Rings zu markieren, die in allen möglichen Betriebsmodi der Gasturbinentriebwerk-Verbrennungskammer mit Haupt- und Zündkraftstoff versorgt werden. Die weiße Farbe wird verwendet, um die Brenner des inneren Rings zu markieren, die mit Haupt- und Zündkraftstoff versorgt werden, wenn die Last nahe der Leerlaufleistung nahekommt, die etwa 65 % bis 70 % der Nennlast beträgt.
• Das Bild in 3 zeigt eine Abwicklung der vorderen Wand 3 des Flammrohrs 4, an der ein aus experimenteller Forschung gewonnenes Gasströmungsdiagramm illustriert wird. Die Pfeile zeigen Gasströmungsrichtungen unter der Bildung periodischer Wirbelpaare, die sich in entgegengesetzten Richtungen drehen und die zwei Brenner A1 und B1 mit ähnlichem Strömungswirbeln, aber umgekehrtem Drehsinn, bedecken. Je Brenner A1 oder A2 pro Wirbel ist dem äußeren Ring zugeordnet, wohingegen die Brenner B1 oder B2 entsprechend dem inneren Ring zugeordnet sind.
• Wo sich die benachbarten Wirbel berühren, liegt die Strömungsgeschwindigkeit-Differenz bei null, was eine zuverlässige Wärme- und Flammenübertragung von den Brennern A1 des äußeren Rings zu den Brennern B2 des inneren Rings oder von den Brennern A2 des äußeren Rings zu den Brennern B1 des inneren Rings bedeutet, in Modi, welche die Leerlauflast überschreiten, wenn nicht nur die Brenner des äußeren Rings C1, sondern auch die Brenner des inneren Rings C2, mit Haupt- und Zündkraftstoff versorgt werden.
• Wie aus dem Strömungsdiagramm (siehe 3) zu sehen ist, hat jeder Brenner der Verbrennungskammer drei Verbindungen mit benachbarten Brennern, in denen auf Grund einer Strömungsgeschwindigkeit-Differenz von null an der Stelle, wo sich benachbarte Wirbel berühren, sodass eine zuverlässige Wärme- und Flammenübertragung garantiert ist.
• 4 zeigt eine Darstellung eines zweikanaligen emissionsarmen Brenners mit einem porösen Element. Gemäß der in 4 gezeigten Darstellung hat der Brenner eine ringförmige Kraftstoffaufnahme 24, einen inneren Kanal und einen äußeren Kanal, der durch Wände 27, 32 und 33 umgeben ist. Der innere Kanal endet mit einem hohlen Kegelstabilisator mit einem stromaufwärts gelegenen Scheitel. Der äußere Kanal des Brenners hat eine am Eingang des äußeren Kanals montierte Einlass-Leitschaufel 23, einen am Ausgang des äußeren Kanals eingebauten Turbinen-Schaufelverwirbler 26 mit Profilschaufeln und ein zwischen der Einlass-Leitschaufel 23 und dem Schaufelverwirbler 26 montiertes poröses Element 25 mit vorbestimmten Porositätswerten.
• 5 zeigt eine Abwicklung der Kaskade der Turbinen-Schaufelverwirbler gemäß dem Schnitt A-A in 4.
• Die Kaskade ist so profiliert, dass eine sanfte kontinuierliche Strömungsgeschwindigkeitssteigerung in dem Kanal von Schaufel zu Schaufel zwischen dem Kaskadeneingang und -ausgang bereitgestellt wird.
• Ein Schaufelhöhenwirbel wird gemäß dem Gesetz (2) und unter Berücksichtigung des Ausdrucks (3) realisiert.
• Am Ausgang der Kaskade ist ein Geschwindigkeitsdreieck dargestellt, das entsprechend durch die absolute Strömungsgeschwindigkeit W, ihre entsprechende Axiale Wa und Umlaufende u gebildet wird. Vektoren $\overrightarrow{W}$

  

   und $\overrightarrow{W}a$

  

  der Geschwindigkeiten W und Wa bilden entsprechend einen strukturellen Winkel φ des Schaufelverwirbler-Wirbels.
• Der Betrieb der ringförmigen Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk und die Umsetzung ihres Betriebsverfahrens werden wie folgt ausgeführt.
• Während des Starts der Gasturbinenstrahltriebwerk-Verbrennungskammer (siehe 1) und beim Steigern der Last auf Leerlaufleistung, sind die Ventile 11 und 12 geschlossen.
• Der Hauptkraftstoff 9 wird dem äußeren ringförmigen Hauptkraftstoff-Verteiler 14 unter einem Druck zugeführt, der denjenigen in einer Luftströmung 22 überschreitet. Dann strömt der Hauptkraftstoff von dem Verteiler 14 zu den ringförmigen Kraftstoffaufnahmen 19 der dem äußeren Ring C1 zugeordneten Brenner 1 (siehe 2). Durch die Löcher in den Wänden der Einlass-Leitschaufel wird der Kraftstoff in Form eines Strahlsystems der Druckluft-Querströmung 22, die von dem Gasturbinenstrahltriebwerk-Verdichter kommt, in den äußeren Kanälen der Brenner 1 zugeführt.
• Der Zündkraftstoff 10 wird durch den Regler 6 unter einem Druck, der den in der Luftströmung 22 überschreitet, zuerst dem äußeren ringförmigen Zündkraftstoff-Verteiler 16 und dann den inneren Kanälen der mit dem äußeren Ring C1 zugeordneten Brenner 1 zugeführt.
• Bei einigen Brennern (zum Beispiel bei zwei von drei) ist die äußere Quelle für die - Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Mischung verantwortlich. Die Brenner sind in 2 mit grauer Farbe markiert.
• Wenn Haupt- und Zündkraftstoff den Brennern des äußeren Rings C1 zugeführt werden, wird auf Grund der Strömungsgeschwindigkeit-Differenz von null an der Stelle eine zuverlässige Wärme- und Flammenübertragung zwischen den Brennern gewährleistet, wo sich abwechselnde bzw. periodische Paarwirbel berühren, die sich in umgekehrten Richtungen - im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn - drehen.
• Wenn eine Last nahe der Leerlaufleistung erreicht wird, werden die beiden Ventile 11 und 12 gleichzeitig geöffnet. In diesem Fall beginnt der Hauptkraftstoff 9 unter einem Druck, der den in der Luftströmung 22 überschreitet, auch zu dem inneren ringförmigen Hauptkraftstoff-Verteiler 13 zu strömen, von wo aus er zu allen ringförmigen Kraftstoffaufnahmen 20 der dem inneren Ring C2 zugeordneten Brenner 2 strömt. Durch die Löcher in den Wänden der Einlass-Leitschaufel wird der Hauptkraftstoff in der Form eines Strahlsystems der Druckluft-Querströmung 22, die von dem -Verdichter des Gasturbinenstrahltriebwerks kommt, in den äußeren Kanälen der Brenner 2 zugeführt.
• Mit Zündkraftstoff 10 werden unter einem Druck, der denjenigen in der Luftströmung 22 überschreitet, zuerst der innere ringförmige Zündkraftstoff-Verteiler 15 und dann die inneren Kanäle der dem inneren Ring C2 zugeordneten Brenner 2 versorgt (siehe 1 und 2).
• Wenn die Last die Leerlaufleistung überschreitet und alle Brenner mit Haupt- und Zündkraftstoff versorgt werden, wird durch das Betreiben der Brenner des äußeren Rings eine zuverlässige Wärme- und Flammenübertragung zu den Brennern des inneren Rings gewährleistet, auf Grund der Strömungsgeschwindigkeit-Differenz von null an der Stelle, wo sich periodische Paarwirbel berühren, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen. Wenn die Verbrennungskammer bei dieser Last betrieben wird, bedeckt jedes Wirbelpaar zwei Brenner beider Ringe. Jeder einzelne Brenner steht durch Paarwirbel bzw. Wirbelpaare mit drei benachbarten Brennern in Kontakt, was eine höhere Zuverlässigkeit der Wärme- und Flammenübertragung zwischen den Brennern bedeutet (siehe 3). Strömungswirbel benachbarter Brennern beider Ringe in der ringförmigen Verbrennungskammer führen zur Bildung von periodischen Paarwirbeln bzw. alternierenden Wirbelpaaren an der vorderen Wand der ringförmigen Verbrennungskammer (siehe Abwicklung gemäß 3), was zur Gleichförmigkeit von Temperaturmustern in Radial- und Umfangsrichtung sowohl in der Kraftstoff-Verbrennungszone als auch am Ausgang der ringförmigen Verbrennungskammer führt.
• Der Zündkraftstoffregler 6 wird dazu verwendet, den Verbrauch von Zündkraftstoff in allen möglichen Modi des Gasturbinenstrahltriebwerk-Verbrennungskammer-Betriebs zu regeln, um die NO_x-Emission zu verringern, während die Verbrennungsstabilität magerer Kraftstoff-Luft-Mischung aufrechterhalten wird.
• Eine magere Qualitäts-Kraftstoff-Luft-Mischung wird mit Hilfe eines zweistufigen Mischens der Bestandteile (Druckluft und Hauptkraftstoff) in einem Brenner vorbereitet (siehe 4). Gemäß der in 4 gezeigten Darstellung eines emissionsarmen Brenners wird der Zündkraftstoff durch den Zündkraftstoffregler 6 über den inneren Kanal 32 bereitgestellt.
• Dann strömt er in eine Rückflusszone 34, die sich hinter dem hohlen Kegelstabilisator 27 befindet.
• Komprimierte Luft 29 von dem Verdichter wird nur dem äußeren Kanal des Brenners zugeführt. Der Hauptkraftstoff strömt von der ringförmigen Kraftstoffaufnahme 24 durch die Löcher in der Einlass-Leitschaufel 23 in Form eines Strahlsystems 30 in den Strom der komprimierten Luft 29. Dennoch wird während der Strahlstufe gebildetes mageres Kraftstoff-Luft-Mischung zusätzlich durch Mikrokanäle eines porösen Elements übertragen, worin die zweite Stufe des Bestandteilmischens besteht, wobei auf Grund von turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen, Druck, Temperatur und Bestandteilkonzentration eine hohe Konzentrationsgleichförmigkeit der mageren Kraftstoff-Luft-Mischung (d.h., eine hohe Gemischqualität) erreicht wird.
• Um Volldruckverluste der mageren Kraftstoff-Luft-Mischung 31 zu verringern, wenn sie durch Mikroporen des porösen Elementkörpers 25 hindurchfließt, wird die Oberfläche des porösen Elements 25 so gewählt (zum Beispiel als zwei abgestumpfte Kegel), dass der durchschnittliche Strömungswert der Kraftstoff-Luft-Mischung 31 im Nennmodus der Verbrennungskammer im Bereich von 40 m/s bis 60 m/s liegt.
• Eine stabile Verbrennung von Zündkraftstoff in der Bereitschaftsflamme unter Verwendung von überschüssiger Luft einer mageren Kraftstoff-Luft-Mischung 31 wird durch das Erzeugen einer Rückflusszone 34 hinter dem Kegelstabilisator 27 bereitgestellt, die als ein Hochwiderstandskörper dient, wenn die magere Kraftstoff-Luft-Mischung 31 über sie strömt. Zur gleichen Zeit wird eine stabile kinetische Verbrennung der mageren Kraftstoff-Luft-Mischung 31 durch das Einbringen von Wärme von der Bereitschaftsflamme und durch das Bilden einer zusätzlichen Rückflusszone 35 unter Verwendung des Schaufelverwirbler 26 gewährleistet.
• Die folgenden Vorteile der vorgeschlagenen ringförmigen Gasturbinenstrahltriebwerk-Verbrennungskammer (1 bis 5) und ihres Betriebsverfahrens, verglichen mit einer ringförmigen Verbrennungskammer und deren Prototypen-Betriebsverfahren können hervorgehoben werden:
• - zuverlässige Wärme- und Flammenübertragung zwischen den Brennern beim Starten der Verbrennungskammer und in allen ihren möglichen Betriebsmodi,
• - verringerte Volldruckverluste, wenn sich die Mischungsströmung entlang der vorderen Wand des Flammenrohrs der Verbrennungskammer bewegt,
• - verringerte Stick- und Kohlenmonoxid-Emissionen,
• - höhere Verbrennungsstabilität von magerer Kraftstoff-Luft-Mischung in allen möglichen Betriebsmodi der ringförmigen Verbrennungskammer,
• - bessere Temperaturmuster-Gleichförmigkeit in Radial- und Umfangsrichtung in der Verbrennungszone und am Ausgang der ringförmigen Verbrennungskammer.
• Diese Vorteile werden mit Hilfe der oben angegebenen und begründeten technischen Lösungen erreicht.
• Es sollte hervorgehoben werden, dass alle erwähnten Nachteile bei der vorgeschlagenen ringförmigen Gasturbinenstrahltriebwerk-Verbrennungskammer auf umfassende Weise gelöst werden. Bei den erwähnten Analoga und Prototypen werden diese Nachteile nur teilweise oder überhaupt nicht gelöst.

Claims (6)

1. Ringförmige Verbrennungskammer zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk, wobei die Verbrennungskammer mehrere, wenigstens in zwei koaxialen Ringen (C1, C2) angeordnete, zweikanalige Brenner (1, 2) umfasst, die in einer Ebene an der vorderen Wand (3) der Verbrennungskammer verteilt sind, wobei innerhalb jedes Rings (C1, C2) die gleiche und gerade Anzahl von emissionsarmen zweikanaligen Brennern (1, 2) installiert sind, wobei die Brenner (2) des inneren Rings (C1) relativ zu den Brennern (1) des äußeren Rings (C2) in Umfangsrichtung versetzt sind, wobei die inneren Kanäle (17, 18) der Brenner (1, 2) nur der Zufuhr von Zündkraftstoff (10) dienen, während die äußeren Kanäle mit verdichteter Luft (29) sowie mit Hauptkraftstoff (9) mit magerer Kraftstoff-Luft-Mischung (31) versorgt werden, wobei der äußere Kanal jedes Brenners (1, 2) eine Einlass-Leitschaufel (23) mit in ihre Wände geschnittenen Löchern hat, um der querströmenden Luft Kraftstoff zuzuführen, sowie einen Schaufelverwirbler (26), der am Kanalausgang montiert ist, und ein poröses Element (25) mit abgestufter Porosität, das zwischen der Einlass-Leitschaufel (23) und dem Schaufelverwirbler(26) montiert ist, aufweist, wobei die Wirbelrichtung in den Brennern (1, 2) beim Wechsel von einem Brenner (1, 2) zu einem anderen benachbarten Brenner (1, 2) innerhalb eines Rings (C1, C2) mittels der Schaufelverwirbler (26) in eine entgegengesetzte Richtung wechselt, wobei jeder Brenner (1, 2) ferner eine Kraftstoffaufnahme (24.) aufweist, die oberhalb der Einlass-Leitschaufel (23) angeordnet ist, wobei die inneren Kanäle (32) des inneren und des äußeren Brennerrings (C1, C2) entsprechend in dem inneren und dem äußeren Zündkraftstoff-Verteiler (15, 16) zusammengefasst sind, wohingegen die Kraftstoffaufnahmen (24) der Brenner (1, 2) des inneren und des äußeren Rings (C1, C2) entsprechend in dem inneren und dem äußeren Hauptkraftstoff-Verteiler (13, 14) zusammengefasst sind, wobei jede Zünd- und Hauptkraftstoff-Leitung (7, 8) einen Kraftstoffregler (5, 6) an ihrem Eingang aufweist, und wobei ein Ventil stromaufwärts jedes Eingangs der inneren Zünd- und Hauptkraftstoff-Verteiler (13, 14, 15, 16) in den Kraftstoff-Versorgungsleitungen (7, 8) montiert ist.
2. Kammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelverwirbler (26) ein axialer Turbinen- Schaufelverwirbler mit Profilschaufeln sind.
3. Kammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Element (25) ein poröses Element auf Basis metallischer Mikrometergaze ist.
4. Kammer nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wahl der Quadratfläche des porösen Elements (25) die durchschnittliche Mischungs-Strömungsgeschwindigkeit in den Mikroporen eines porösen Körpers des porösen Elements (25) im Nennbetriebsmodus der Verbrennungskammer in einem Bereich zwischen 40 m/s und 60 m/s liegt.
5. Verfahren zum Betreiben einer ringförmigen Verbrennungskammer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem Gasturbinentriebwerk, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Zuführen von Kraftstoff an einen Teil der Brenner (1, 2) der Verbrennungskammer, wenn die Verbrennungskammer gestartet wird und die Last auf einen vorbestimmten Wert gesteigert wird; Aktivieren anderer Brenner (1, 2) der Verbrennungskammer durch das Zuführen von Kraftstoff, wenn die Last den vorbestimmten Wert überschreitet; Schließen von Ventilen der Verbrennungskammer, wenn die Verbrennungskammer gestartet wird und wenn die Last auf einen Wert nahe dem Leerlauf-Leistungsmodus, der 65 % bis 70 % der Nennlast entspricht, gesteigert wird, so dass nur den Brennern (1, 2) des äußeren Rings (Ci) der Verbrennungskammer Zünd- und Hauptkraftstoff (9, 10) zugeführt wird; und Öffnen von Ventilen der Verbrennungskammer, so dass auch den Brennern (1, 2) des inneren Rings (C2) der Verbrennungskammer Zünd- und Hauptkraftstoff (9, 10) zugeführt werden, wenn die Last den Wert nahe dem Leerlauf-Leistungsmodus erreicht und die Last auf einen Nennmoduswert gesteigert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verhältnis zwischen dem Zündkraftstoffverbrauch und dem Gesamtverbrauch von Haupt- und Zündkraftstoff (9, 10) in den Brennern (1, 2) des äußeren und des inneren Rings (C1, C2)unter Verwendung der Kraftstoffregler (6) vermindert wird, wobei dabei vorausgesetzt wird, dass eine minimale Stickoxidemission durch das Aufrechterhalten des spezifizierten Gesamtverbrauchs von Haupt- und Zündkraftstoff (9, 10) und des spezifizierten Gesamt-Luftüberschussfaktors erzeugt wird, während die Verbrennungsstabilität eines mageren Kraftstoff-Luft-Mischung erhalten bleibt.

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