DE112014005025T5

DE112014005025T5 - Ringförmige Verbrennungskammer in einem Gasturbinen-Triebwerk und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE112014005025T5
Application number: DE112014005025.3T
Authority: DE
Inventors: lvan lvanovich Kutysh; Dmitry lvanovich Kutysh; Sergei Fedorovich Zhdanov; Aleksei lvanovich Kutysh; Sergei Vasilyevich Kubarov
Original assignee: Publichnoe Aktsionernoe Obschestvo "gazprom"; Publichnoe Aktsionernoe Obschestvo Gazprom
Current assignee: Publichnoe Aktsionernoe Obschestvo "gazprom"; Publichnoe Aktsionernoe Obschestvo Gazprom
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2016-09-01
Anticipated expiration: 2034-08-08
Also published as: RU2561754C1; CN105408691B; DE112014005025B4; WO2015122797A1; CN105408691A

Abstract

Die Erfindung betrifft mechanisches und Energie-Ingenieurwesen, Transport und andere Gebiete, insbesondere die Gestaltung von emissionsarmen ringförmigen Verbrennungskammern (CC) in Gasturbinen-Strahltriebwerken (GTE) und stationären Gasturbinenanlagen (GTP) auf Basis von emissionsarmen Brennern mit Vorbereitung einer mageren Kraftstoff-Luft-Mischung und deren Verbrennung und das Anwenden eines effizienten Betriebsverfahrens. Die Zusammenfassung dieser Erfindung ist wie folgt: – die ringförmige GTE-CC schließt zwei koaxiale Ringe von emissionsarmen Zweikreis-Brennern mit einem porösen Element (PE) ein. Die Brenner sind an der vorderen Wand des Flammrohrs montiert. Die Enden der Brenner liegen in einer Ebene. Die inneren Kanäle der Brenner werden mit Zündkraftstoff versorgt. Diffusionsverbrennung des Kraftstoffs wird in der Bereitschaftsflamme ausgeführt. Die äußeren Kanäle werden mit Hauptkraftstoff und Druckluft von hinter dem Verdichter versorgt. Eine magere Qualitäts-Kraftstoff-Luft-Mischung (FAM) wird im Voraus mit Hilfe einer Strahlzufuhr von Hauptkraftstoff in einer Luft-Querströmung bei der ersten Stufe und einer anschließenden Übertragung des sich ergebenden mageren FAM durch Mikrokanäle des porösen PE-Korpus bei der zweiten Stufe bereitet. Die kinetische Verbrennung einer mageren FAM wird unter Verwendung der Bereitschaftsflamme aufrechterhalten; – die inneren Brennerkanäle des inneren Rings werden in dem inneren ringförmigen Zündkraftstoff-Verteiler zusammengenommen, hingegen die ringförmigen Kraftstoffaufnahmen der Brenner in dem inneren ringförmigen Hauptkraftstoff-Verteiler; – die Strömungswirbelrichtung in den Brennern wird unter Verwendung von axialen Leitschaufeldrallerzeugern beim Wechsel von einem Brenner zu dem anderen benachbarten Brenner innerhalb jedes Rings zur entgegengesetzten Richtung gewechselt, um periodische Wirbelpaare zu erzeugen, die zwei Brenner bedecken, von den einer dem äußeren Ring und der andere mit dem inneren Ring der CC zugeordnet 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 Leitschaufeldrallerzeuger (manchmal gleichzeitig) verwendet. In ringförmigen CC führt ein Wirbel in einer Richtung in gesonderten Brennern zu koaxialen ringförmigen Wirbeln. Ein Druckverlust auf Grund von Wandreibung in dem Flammrohr ist typisch, wenn diese Wirbel aufrechterhalten werden. Deshalb sollten solche Ringwirbel als parasitär behandelt werden. Neben Druckverlust verringern sie die Intensität der Flammen des Brenners und die FAM-Verbrennungsstabilität, 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 FAM-Fremdzündung von einer äußeren Quelle zu passiven Brennern auf Grund einer maximalen Differenz bei Strömungsgeschwindigkeiten an der Stelle, wo lokale Brennerwirbel in Berührung kommen, ernsthaft herausgefordert ist. Diese Differenz bei Strömungsgeschwindigkeiten kann die normale Flammenausbreitungsgeschwindigkeit überschreiten und zu Brennschluss, begleitet von Temperaturmusterverschlechterung in der Brennzone und am CC-Ausgang, führen.
Falls die ringförmige CC einen Ring von Brennern mit einseitig gerichteten Wirbeln hat, treten zwei koaxiale parasitäre Ringwirbel auf, die sich in unterschiedlichen Umfangsrichtungen drehen, mit den durchschnittlichen Durchmessern, die entsprechend größer und kleiner sind als der durchschnittliche Durchmesser, auf dem die Brenner beabstandet sind. Falls die ringförmige CC zwei koaxiale Brennerringe hat, treten drei koaxiale Ringwirbel auf. Deren umlaufende Strömungsrichtungen hängen von der Strömungswirbelrichtung der Brenner ab.
Neben den mit der FAM-Verbrennungsstabilität verbundenen Problemen müssen gleichzeitig Stickoxid-(NO_x-) und Kohlenmonoxid-(CO-)Emissionsverringerungen bewältigt werden, was eine Herausforderung ist, wenn störungsfreie emissionsarme CC entworfen werden.
Das CC-Betriebsverfahren spielt in der Entwurfsphase eine bedeutende Rolle.
Bei CC des Standes der Technik werden die oben erwähnten Herausforderungen üblicherweise nur teilweise gelöst. Deshalb sind neue nicht-triviale technische Lösungen erforderlich.
Eine ringförmige CC des Standes der Technik, die in Strahl-GTE oder stationären GTP verwendet wird [1] ( RF-Patenschrift Nr. 2094705 , F 23 R 3/18, 1997), hat zwei Brennerringe. Die Anzahl von Zweikanal-Brennern (innerer Kraftstoffkanal und äußerer Luftkanal) wird unter Verwendung einer spezifischen Formel gewählt, so dass der Verbrennungsvorgang ähnlich einem mehrflammigen wird. Die Brenner werden in Blöcken von vier Brennern mit zwei Brennern von jedem Ring zusammengenommen. Kraftstoffkanäle von Startbrennern sind zu einem kombinierten Startverteiler, hingegen die Kraftstoffkanäle anderer Brenner im Haupt-Kraftstoffverteiler, zusammengenommen.
Das Ziel dieser Erfindung ist es, NO_x-Emissionen zu verringern.
Das Ziel wird durch das Verringern der Verbrennungszonenlänge und der Zeit, die sich das FAM in den Hochtemperaturzonen befindet, erreicht.
Unter den Nachteilen der CC ist Kraftstoff-Diffusionsverbrennung in Start- und Hauptbrennern, gekennzeichnet durch eine ausgedehnte Front und maximale mögliche Temperaturen der FAM-Verbrennung und durch bedeutende NO_x-Emissionen.
Das Betriebsverfahren für die CC wird unten beschrieben.
Während des Starts und bevor die Antriebseinheit im Leerlaufmodus arbeitet, wird der Kraftstoff durch die Zündbrenner des äußeren Rings zugeführt, die ein Viertel aller Brenner bilden. Im Leerlaufmodus wird der Kraftstoff ebenfalls durch andere Zündbrenner des äußeren und des inneren Rings zugeführt, die betrieben werden, bis die Antriebseinheit im Nennmodus ist.
Der Hauptnachteil dieses CC-Betriebsverfahrens liegt in einem potentiellen Brennschluss und einer bedeutenden Temperaturmusterverzerrung beim Start und nach dem Eintreten in den Leerlaufmodus, auf Grund der Kraftstoffzufuhr durch eine kleine Anzahl von Zündbrennern, umgeben von einer großen Anzahl von Zündbrennern mit „kalter” Luft, denen kein Kraftstoff zugeführt wird.
Nachteile dieser CC werden teilweise überwunden in der CC [2] ( RF-Patenschrift Nr. 21724325 , F 23 R 3/28, 2000), wobei der Flammenrohrkopf eine optimale Anzahl von Brennern – 3 je 100 cm² der Brennkammerrohr(-Mittel)-Querschnittsfläche – hat.
Ähnlich wie die CC [1], verwendet die CC [3] ( RF-Patenschrift Nr. 2083926 , F 23 R 3/16, 1997) einen Mehrflammenrohrkopf, der eine ringförmige Reihe von Hauptbrennern und einem Bereitschaftsbrenner mit einem Leitschaufeldrallerzeuger in der Mitte aufweist. Die NO_x-Emission wird durch das Trennen der Flamme in dem Mehrflammenrohrkopf in mehrere kleinere Flammen und durch das Vermindern der Hochtemperaturzonenlänge und der Zeit, die Verbrennungsprodukte in der Hochtemperaturzone sind, verringert. Die kinetische Verbrennung der vorbereiteten FAM bei Abwesenheit von Hochtemperaturzonen in der Flamme wird durch den Bereitschaftsbrenner gewährleistet. Eine zuverlässige Wärmeübertragung von dem Bereitschaftsbrenner zu der FAM der Hauptbrenner wird erreicht, indem der Strömungswirbel dieses Brenners mit Hilfe der Schaufeln dieses Brenners und des Strömungswirbels mit Hilfe der Hauptschaufeln des inneren ringförmigen Raums zueinander auf einander gerichtet werden erreicht. Deshalb wird die Geschwindigkeitsdifferenz von benachbarten Strömungen an ihrer Berührungsstelle minimal und unterhalb des Brennschluss-Geschwindigkeitswertes sein.
Der Stand der Technik schließt ebenfalls eine ringförmige CC [4] ( US-Patenschrift Nr. 5490380 , F 02 C 7/26, 1996) mit einem Ring von Brennern, wobei der Wirbel in allen Brennern eine Richtung hat, ein. Bei dieser CC-Ausführungsform treten, wir oben bemerkt wurde, zwei koaxiale ringförmige parasitäre Wirbel auf, was ein Nachteil ist.
Die Arbeit [5] (Nageshima, T. et al. (2005) Lessons Learnt from the Ultra-Micro Gas Turbine Development at University of Tokyo, in: Micro Gas Turbines (S. 14-1–14-58), Educational Notes RTO-EN-AVT-131, Paper 14, Neuilly-sur-Seine, Frankreich: RTO. Erhältlich unter: http://www.rto.nato.int/abstracts.asp.) beschreibt eine ringförmige propanbetriebene CC 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 FAM-Verbrennung zu stabilisieren, wird ein Luftströmungswirbel verwendet. Zur gleichen Zeit wird, um ein vorteilhaftes Geschwindigkeitsfeld in der Verbrennungszone und ein zufriedenstellendes Temperaturmuster am CC-Ausgang zu erzeugen, der Strömungswirbel in benachbarten Brennern abwechselnd zur entgegengesetzten Richtung (im Uhrzeigersinn, gegen den Uhrzeigersinn) gewechselt. Die Anzahl von Brennern in jedem Ring einer solchen CC muss gerade sein. In dieser CC treten keine parasitären ringförmigen Wirbel auf. Stattdessen bilden sich periodische Paarwirbel, die radiale Strömungen, abwechselnd zu oder von der CC-Mitte, bilden, was zu einer höheren FAM-Verbrennungsstabilität und gleichen Temperaturmustern in der Radialrichtung am CC-Ausgang führt.
Bei dieser Ausführungsform des Standes der Technik [6] ( RF-Patenschrift Nr. 0378505 , F 23 R 3/14, 1979) hat die ringförmige CC mehrere komplanare Brenner an der vorderen Wand, wobei wenigstens zwei Ringe verwendet werden. Die Brenner innerhalb eines Rings haben die gleiche Wirbelrichtung, entgegengesetzt zu der Wirbelrichtung der benachbarten Ringbrenner.
Die Prototypen des Standes der Technik schließen ebenfalls eine ringförmige CC [7] ( RF-Patenschrift Nr. 2062408 , F 23 R 3/14, 1996) mit den Brennern, deren Enden komplanar sind, ein. Die Brenner bilden zwei koaxiale Ringe. Die Brenner jedes Rings haben die gleichen Wirbelrichtungen, wobei sie 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 CC ist immer entgegengesetzt zu der Wirbelrichtung der parasitären ringförmigen Wirbel.
Im Allgemeinen wird die FAM in zwei oder drei Brennern gezündet, die gleichmäßig und im Umfangsrichtung beabstandet um den äußeren Ring angeordnet sind, was eine FAM-Zündung in anderen Brennern dieses Rings und eine FAM-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 CC schließen Folgendes ein:

– höhere Druckverluste auf Grund von parasitären Wirbeln,
– Unzweckmäßigkeit des Erzeugens „einer intensiven Querströmung entlang der CC-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 CC, wenn Zündbrenner durch gezündete Brenner, die nicht mit Kraftstoff versorgt werden, getrennt sind,
– niedrigere Kammer-Verbrennungsintensität und Kraftstoff-Verbrennungseffizienz und teilweise FAM-Verbrennungsstabilitätsverlust auf Grund der Ausdehnung der vorderen Wand und des Volumens der ringförmigen CC, verursacht durch die alternierende Verschiebung von je zwei Brennern nach außen oder zur Mitte jedes Rings hin.

Das Betriebsverfahren für diese ringförmige Prototypen-CC [7] ist, dass die Zündbrenner dazu verwendet werden, Kraftstoff zuzuführen, wenn die CC gestartet und ihre Last bis zu 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 Betriebsverfahren des Standes der Technik für eine ringförmige CC [8] ( EPO-Patenschrift Nr. 0401529 , F 23 R 3/46, 1990) wies eine Baugruppe aus Zündbrennern und gezündeten Brennern, die an der vorderen Kammerwand beabstandet sind, auf. In diesem Fall wird, wenn die Kammer gestartet und die Last bis zu einem spezifizierten Wert gesteigert wird, Kraftstoff durch die Zündbrenner zugeführt. Wenn die Last weiter gesteigert wird, wird Kraftstoff durch die gezündeten Brenner zugeführt.
Die Hauptaufgaben der Erfindung sind wie folgt:

– den Druckverlust in der FAM-Verbrennungszone zu verringern,
– die Zuverlässigkeit der Flammenweitergabe zwischen den Brennern zu steigern,
– die Verbrennungsstabilität von mageren FAM zu steigern,
– die Temperaturmuster-Gleichförmigkeit in Radial- und Umfangsrichtung am Ausgang der ringförmigen CC zu verbessern und
– NO_x- und CO-Emissionen zu verringern.

Die obigen Aufgaben werden mit Hilfe der folgenden technischen Lösungen erreicht.
Die ringförmige Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk hat mehrere komplanare Brenner, die an der vorderen Kammerwand beabstandet sind, wobei wenigstens zwei koaxiale Ringe verwendet werden. Innerhalb jedes Rings wird die gleiche und eine gerade Anzahl von emissionsarmen Brennern verwendet. Die Brenner des inneren Rings sind in Halbteilungsintervallen in Bezug auf die Brenner 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 FAM versorgt werden. Der äußere Kanal jedes Brenners hat eine Einlass-Leitschaufel, mit in ihren Wände geschnittenen Löchern zum Zuführen von Kraftstoff zur Luft-Querströmung, einen Leitschaufeldrallerzeuger, der am Kanalausgang eingebaut ist, und ein poröses Element mit abgestufter Porosität, das zwischen der Einlass-Leitschaufel und dem Leitschaufeldrallerzeuger montiert ist. Die Wirbelrichtung in den Brennern wechselt mittels dem Leitschaufeldrallerzeuger beim Verlagern von einem Brenner zu einem anderen, benachbarten Brenner innerhalb jedes Rings entgegengesetzt alternierend oder wechselnd. Jeder Brenner weist ebenfalls eine ringförmige Kraftstoffaufnahme auf, die sich oberhalb der Einlass-Leitschaufel befindet. Die inneren Kanäle des inneren und des äußeren Brennerrings werden entsprechend in dem inneren und dem äußeren Zündkraftstoff-Verteiler, hingegen ringförmige Kraftstoffaufnahmen der Brenner des inneren und des äußeren Rings entsprechend in dem inneren und dem äußeren Hauptkraftstoff-Verteiler, zusammengenommen. Jede Zünd- und Hauptkraftstoff-Leitung hat einen Kraftstoffregler am Eingang. Ein Ventil ist stromaufwärts von jedem Eingang der inneren Zünd- und Hauptkraftstoff-Verteiler in den Kraftstoff-Zufuhrleitungen eingebaut.
Vorzugsweise ist ein axialer Turbo-Leitschaufeldrallerzeuger mit Profilschaufeln zu verwenden.
Vorzugsweise müssen die Schaufeln des axialen Leitschaufeldrallerzeugers nach dem folgenden Gesetz verwirbelt sein:
wobei

R und R_π: – gegenwärtiger Strömungsradius und entsprechender Drallerzeugungsschaufel-Umfangsradius,
φ und φ_π: – gegenwärtiger Strömungswirbelwinkel und entsprechender Drallerzeugungsschaufel-Umfangswinkel,
n: – Exponent, der den Wert im Bereich: 0 > n ≥ –1 besitzt.

Vorzugsweise ist ein poröses Element, das aus Mikrometergaze gefertigt ist, zu verwenden.
Vorzugsweise ist durch das Wählen der Oberflächenausdehnung des porösen Elements die durchschnittliche Mischungs-Strömungsgeschwindigkeit in den Mikroporen des Korpus des porösen Elements im Nennmodus der Verbrennungskammer in dem Bereich zwischen 40 m/s und 60 m/s zu halten.
Das Verfahren zum Betreiben der ringförmigen Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk, die mehrere komplanare Brenner hat, die an der vorderen Kammerwand beabstandet sind, wobei wenigstens zwei koaxiale Ringe verwendet werden, besteht darin, dass, wenn die Kammer gestartet wird und die Last auf einen spezifizierten Wert gesteigert wird, der Kraftstoff durch einen Teil der gesamten Brenner zugeführt wird. Wenn die Last den vorbestimmten Wert überschreitet, werden andere Brenner durch das Zuführen von Kraftstoff zu denselben aktiviert. Innerhalb jedes Rings ist die gleiche und gerade Anzahl von emissionsarmen Brennern eingebaut. Die Brenner des inneren Rings sind in Halbteilungsintervallen in Bezug auf die Brenner des äußeren Rings in Umfangsrichtung versetzt. Alle emissionsarmen Brenner sind zweikanalig. Die inneren Kanäle der Brenner dienen nur für die Zündkraftstoff-Zufuhr, während die äußeren Kanäle mit der verdichteten Luft von hinter dem Verdichter und Hauptkraftstoff mit einer mageren FAM versorgt werden. Der äußere Kanal jedes Brenners hat eine Einlass-Leitschaufel, wobei die Löcher in ihre Wände geschnitten sind, um der Luft-Querströmung Kraftstoff zuzuführen, einen axialen Leitschaufeldrallerzeuger, der am Kanalausgang eingebaut ist, und ein poröses Element mit abgestufter Porosität, das zwischen der Einlass-Leitschaufel und dem axialen Leitschaufeldrallerzeuger eingebaut ist. Die Wirbelrichtung in den Brennern wird unter Verwendung des Leitschaufeldrallerzeugers zur entgegengesetzten alterniert, wenn von einem Brenner zu dem anderen benachbarten Brenner innerhalb jedes Rings gewechselt wird.
Jeder Brenner weist ebenfalls eine ringförmige Kraftstoffaufnahme auf, die sich oberhalb der Einlass-Leitschaufel befindet. Die inneren Kanäle des inneren und des äußeren Brennerrings werden entsprechend in dem inneren und dem äußeren Zündkraftstoff-Verteiler, hingegen ringförmige Kraftstoffaufnahmen der Brenner des inneren und des äußeren Rings entsprechend in dem inneren und dem äußeren Hauptkraftstoff-Verteiler, zusammengenommen. Jede Zünd- und Hauptkraftstoff-Leitung hat einen Kraftstoffregler am Eingang. Ein Ventil ist stromaufwärts von jedem Eingang der inneren Zünd- und Hauptkraftstoff-Verteiler in den Kraftstoff-Zufuhrleitungen eingebaut. Beim Start 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 den Wert nahe dem Leerlauf-Leistungsmodus erreicht und auf den Nennmoduswert gesteigert wird, öffnen beide Ventile und führen Zünd- und Hauptkraftstoff auch den Brennern des inneren Rings zu.
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 durch das Aufrechterhalten des vorbestimmten Gesamtverbrauchs von Haupt- und Zündkraftstoff und ein vorbestimmter Gesamt-Luftüberschussfaktors, während die Verbrennungsstabilität einer mageren Kraftstoff-Luft-Mischung erhalten wird.
Die Gestaltung der ringförmigen CC 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 (in 1 angezeigter Pfeil A).
3. Konfiguration von Stromlinien (gemäß Abwicklung der Flammenrohr-Vorderwand), die während des Betriebs der ringförmigen Verbrennungskammer gebildet werden, 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 angezeigten Schnitt A-A.
Die Begründung für die oben erwähnten technischen Lösungen in Bezug auf die ringförmige Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk wird unten gegeben.

1. Zweikanalige Brenner mit Diffusionsverbrennung des Zündkraftstoffs, der durch den inneren Brennerkanal zugeführt wird unter Verwendung eines Sauerstoff-Überschusses in einer mageren FAM, die durch den äußeren Brennerkanal zugeführt wird, um eine Bereitschaftsflamme zu bilden (in ausländischer Literatur wird sie Zündflamme genannt).

Falls mageres FAM in benachbarten Brennern unter Verwendung von Leitschaufeldrallerzeugern 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 CC-Ausgang führen. Um die Geschwindigkeitsdifferenz an den Stellen, wo sich die lokalen Wirbel benachbarter Brenner berühren, zu beseitigen, werden in benachbarten Brennern ein Strömungswirbel in entgegengesetzten Richtungen angewendet, was es ermöglicht, die Wärmeübertragung von dem einen Brenner, in dem die FAM verbrannt wird, zu dem anderen Brenner, wo keine FAM-Verbrennung stattfindet, zu verbessern, um die FAM in ihm zu verbrennen. Ein solcher Strömungswirbel in benachbarten Brennern ist ähnlich wie zwei Zahnräder, die in Eingriff gebracht werden (siehe 2).
Um die Regelmäßigkeit und den 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 CC ist frei von parasitären Wirbeln, was Wandreibungsdruckverluste in dem Flammenrohr verringert. Stattdessen treten periodische Paarwirbel auf, die radiale Strömungen abwechselnd zu und von der CC-Mitte erzeugen, was nicht nur zu zuverlässiger Wärme- und Flammenübertragung zwischen den Brennern, sondern zur Ausrichtung von Temperaturmustern, vor allem in radialer Richtung (siehe 3) führt. Darüber hinaus steigert sich die Anzahl von miteinander in Kontakt stehenden Brennern, die dazu in der Lage sind, die Wärme zu einem Brenner ohne FAM-Verbrennung zu übertragen, mit einem solchen Strömungswirbel auf drei, verglichen mit Ausführungsformen des Standes der Technik [7], wo sie zwei betrug. Das bedeutet eine höhere Zuverlässigkeit bei der Wärme- und Flammenübertragung zwischen den Brennern und eine höhere Zuverlässigkeit beim CC-Betrieb.

2. Vorausgesetzt, dass der Verdichter- und der GTE-Turbinenbetrieb vorrangig in Startmodus und Übergangsmodi angepasst wird, folgt, dass der Luftüberschussfaktor bedeutend zunimmt. Der Betrieb der CC in diesen Modi ist durch bedeutendes FAM-Abmagern, Qualitätsverlust und schlechte Verbrennungsstabilität sowie durch bedeutenden Verbrennungswirkungsgradverlust und CO-Emissionszunahme gekennzeichnet.

In diesem Fall ist es eine aktive Herangehensweise, um CO-Emission zu bekämpfen, die Zufuhr von Haupt- und Zündkraftstoff in die Brenner des inneren Rings zu unterbrechen, die sich auf 50% der Gesamtanzahl der CC-Brenner belaufen. Eine solche technische Lösung ermöglicht es, die FAM der Brenner des äußeren Rings zweifach anzufetten bzw. anzureichern, die Mischungsqualität, die Verbrennungsstabilität bei magerer FAM und den Verbrennungswirkungsgrad zu verbessern, was die CO-Emissionen bedeutend verringert.
Um diese technische Lösung umzusetzen, werden die inneren Kanäle der Brenner des inneren und des äußeren Rings entsprechend in dem inneren und dem äußeren Zündkraftstoffverteiler zusammengenommen, während die ringförmigen Aufnahmen der Brenner des inneren und des äußeren Rings entsprechend in dem inneren und dem äußeren Hauptkraftstoffverteiler zusammengenommen werden. Jede Haupt- und Zündkraftstoff-Leitung hat ein Ventil, das stromaufwärts von dem inneren Haupt- und Zündkraftstoff-Verteiler eingebaut ist. Durch das Schließen der Ventile kann, falls erforderlich, die Zufuhr von Haupt- und Zündkraftstoff zu den Brennern des inneren Rings unterbrochen werden.
Es sollte ebenfalls bemerkt werden, dass es das Zusammennehmen der inneren und der äußeren Brennerkanäle in gemeinsamen Kraftstoffverteilern ermöglicht, die Anlagen beider Ringe zur Haupt- und Zündkraftstoffzufuhr zu vereinfachen und die Kraftstoffzufuhranlagen jedes Rings 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 durch das Anwenden der Wirbel in entgegengesetzter Richtung in benachbarten Brennern mit einem gleichen Niveau an Zuverlässigkeit gelöst.

3. Nach der Ausführungsform des Standes der Technik [9] (Levebvre A., Gas turbine combustion (Gasturbinenverbrennung), 1986.- 566 S.) und [10] (Kutysh I. I., Power unit gas treatment methods and devices. Textbook (Antriebseinheit-Gasbehandlungsverfahren und -vorrichtung. Lehrbuch) Moskau: MGOF Znanie, 2012, 800 S., 2. Geänderte Fassung) ermöglicht die Verbrennung eines im Voraus bereiteten mageren FAM, durch das Verbrennen des mageren FAM bei einer niedrigen adiabatischen Temperatur die NO_x-Emission bedeutend zu verringern. Deshalb wird ein im Voraus bereitetes mageres FAM in zweikanaligen Brennern der ringförmigen Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk verbrannt. Besondere Aufmerksamkeit wird der Qualität des mageren FAM gewidmet.
4. Es ist gut bekannt, dass die Mischungsqualität, verstanden als das Niveau der Kraftstoff-Konzentrationsgleichförmigkeit bezogen auf das Volumen des mageren FAM eine bedeutende Auswirkung auf die NO_x-Emission hat. Falls die Qualität des mageren FAM niedrig ist, treten lokale Bereiche von verdünnter und angereicherter FAM auf, mit höherer adiabatischer Verbrennungstemperatur und höherer NO_x-Emission. Es ist schwieriger, eine gute Qualität einer mageren FAM zu bekommen als eine gute Qualität einer Mischung im stöchiometrischen Verhältnis. Daher müssen im Fall einer bedeutenden FAM-Abmagerung zusätzliche nicht-triviale technische Lösungen angewendet werden, um die FAM-Qualität zu verbessern.

Zu diesem Zweck ist ein poröses Element (PE) zwischen der Einlass-Leitschaufel (inlet guide vane – IGV) und dem axialen Leitschaufeldrallerzeuger (axial vane swirler – AVS) eingebaut.
Der vorgeschlagene Brenner weist ein zweistufiges System der Bereitung eines mageren FAM auf: Strahlzufuhr und Mischen von Hauptkraftstoff mit Querströmung im IGV-Bereich (erste Stufe) und zusätzliches Mischen des sich ergebenden mageren FAM in Mikrokanälen des porösen Elementkorpus (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 FAM in den Verbrennungsbereich zugeführt wird.

5. Die Ergebnisse experimenteller Forschungen, die poröse Materialien auf der Grundlage von metallischem Mikrometerpulver, Faser und Gaze einbezogen [11] (Kutysh I. I., Kutysh A. I., New metal ceramic filters for diesel engine gas treatment and their hydraulic properties (Neue Metallkeramikfilter zur Dieselmotor-Gasbehandlung und ihre hydraulischen Eigenschaften). Conversion in mechanical engineering.- 2002.- Nr. 4, S. 32–37), [12] (Kutysh I. I., Kutysh D. I., Experimental research of resistance coefficients of porous plates made of micron powder//Materials from the 16^th International Conference an Computational Mechanics and Modern Application Programme Systems (Experimentelle Untersuchung von Widerstandskoeffizienten aus Mikrometerpulver hergestellter poröser Platten//Materialien der 16. Internationalen Konferenz zu Numerischer Mechanik und modernen Anwendungsprogrammsystemen) (VMSPPS '2009), 25.–31. Mai 2009, Alushta,- Moskau: MAI-PRINT, 2009.- S. 473–475), [13] (Kutysh I. I., Kutysh A. I., Kutysh D. I., Results of experimental research of resistance coefficients of metallic micron gauze packages//Materials from the 17^th International Conference an Computational Mechanics and Modern Application Programme Systems (Ergebnisse experimenteller Untersuchung von Widerstandskoeffizienten metallischer Mikrometergazeverpackungen//Materialien der 17. Internationalen Konferenz zu Numerischer Mechanik und modernen Anwendungsprogrammsystemen) (VMSPPS '2011), 25.–31. Mai 2011, Alushta,- Moskau: MAI-PRINT, 2011.- S. 579–580), [14] (Kutysh I. I., Kutysh A. I., Kutysh D. I., Results of experimental research of resistance coefficients of metal ceramic porous materials of different types and their comparison//Materials from the 9^th International conference an nonequilibrium processes in nozzles and jets (Ergebnisse experimenteller Untersuchung von Widerstandskoeffizienten poröser Metallkeramikmaterialien unterschiedlicher Arten und deren Vergleich//Materialien der 9. Internationalen Konferenz zu Nichtgleichgewichtsprozessen in Düsen und Strahlen) (NPNJ '2012), 25.–31. Mai 2012, Alushta,- Moskau: MAI, 2011.- S. 54–57), zeigten, das 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 die Mischung durch Mikroporen des porösen Elementkorpus hindurchgeht, und ein zufriedenstellendes Mischen 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 Bereitung eines mageren FAM im Voraus verwendet werden.
Ein anderes wesentliches Merkmal von porösen Materialien ist ihre Kompaktheit, was die Mischbahn der Bestandteile, verglichen mit Strahlmischung, optimiert.

6. Leitschaufeldrallerzeuger werden weithin in Verbrennungskammer-Brennern verwendet [15] (Shchukin V. K., Khalatov A. A., Heat Exchange, Mass Exchange and hydrodynamics of swirl flows in axially symmetric channels (Wärmeaustausch, Masseaustausch und Hydrodynamik von Wirbelströmungen in axialsymmetrischen Kanälen).- Moskau: Mashinostroeniye, 1982, 200 S.). Sie tragen bedeutend zur Bildung von Geschwindigkeitsfeldern bei, die durch die Strömungswirbelausdehnung und das Verhalten der Drehgeschwindigkeit innerhalb des Schaufelradius gekennzeichnet sind. 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-AVS mit Profilschaufeln in willkürlichem Querschnitt (Schaufelhöhe). Solche Kaskaden gewährleisten eine nicht-abgelöste Strömung in dem Kanal von Schaufel zu Schaufel mit minimalen Druckverlusten, d. h., haben nicht die oben erwähnten Nachteile.
Geometrische oder strukturelle Wirbelwinkel in dem AVS-Ausgangsquerschnitt unterscheiden sich von dem Strömungswirbelwinkel.
Die Differenz zwischen diesen Winkeln hängt von der Anzahl und der Profilsehne von Schaufeln im AVS ab und nimmt ab, wenn diese Parameter zunehmen.
Das Gesetz der Strömungswirbelwinkel-Variationen innerhalb des AVS-Schaufelradius kann als eine Abhängigkeitsformel niedergeschrieben werden: uRⁿ = const, (1) wobei:

u: – rotatorische Komponente der Strömungsgeschwindigkeit am AVS-Ausgang im Radius R,
n: – Exponent, der die Werte von –1 ≤ n ≤ 3 besitzt.

Um das Gesetz (1) am AVS-Ausgang umzusetzen, müssen dessen Schaufeln eine gewisse Abhängigkeit des strukturellen Drall – bzw. Wirbelwinkels vom Radius haben: φ = f(R). Die einfachste Abhängigkeit wird in der Annahme erreicht, dass axiale Geschwindigkeiten W_a an dem AVS-Eingang und -Ausgang gleichförmig in der Schaufelhöhe verteilt sind:
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 einen zunehmenden Strömungswirbel bzw. -drall bereitstellt, wenn sich der AVS-Schaufelradius ausdehnt. Bei n = 0 wird der Wirbel bei AVS-Schaufelhöhe aufrechterhalten. Ein maximales Steigern des Wirbels bei AVS-Schaufelhöhe nach dem Wirbelgesetz (2) wird bei n = –1 erreicht. Es folgt, dass der Exponent n nur negative Werte in folgendem Bereich hat: –1 ≤ n < 0. (3)
Die Ergebnisse experimenteller Forschung zeigten, das AVS mit einem solchen Gesetz (2) und unter Berücksichtigung des Ausdrucks (3) eine stabile Verbrennung der FAM 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 FAM aufrechterhalten wird –, desto geringer ist die NO_x-Emission. Um dazu in der Lage zu sein, den relativen Verbrauch von Zündkraftstoff zu verändern, 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, die mit dem Verfahren zum Betrieb der ringförmigen Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk verbunden sind, gegeben.

1. Wie oben erwähnt wurde, tritt in Start- und Übergangsmodi bei Leerlaufleistung mit der Last von 65% bis 70% der GTE-Nennlast ein sehr hoher Luftüberschussfaktor auf, der gekennzeichnet ist durch eine schlechte Verbrennungsstabilität von magerer FAM, Mischungsqualitätsverlust, schlechtem Kraftstoff-Verbrennungswirkungsgrad und hoher CO-Emission. Um diesen Nachteil zu überwinden, wird die Haupt- und Zündkraftstoffzufuhr zu einem 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 CC-Rings abgetrennt. In diesem Fall vermindert sich der Luftüberschussfaktor zweifach, was zu höherer Verbrennungsstabilität von magerer FAM, Steigerung der adiabatischen Verbrennungstemperatur, höherem Kraftstoff-Verbrennungswirkungsgrad und niedrigerer CO-Emission fuhrt.
2. Falls der Verbrauch von Zünd- und Hauptkraftstoff in allen Betriebsmodi einer ringförmigen CC reguliert wird, während unter der Voraussetzung, dass der vorbestimmte Gesamtverbrauch von Kraftstoff und die Verbrennungsstabilität von magerer FAM aufrechterhalten werden, ein minimaler relativer Verbrauch von Zündkraftstoff gewährleistet wird, kann die NO_x-Emission bedeutend verringert werden, was durch experimentelle Forschung unterstützt wird. Der Grund für die Emissionsverringerung ist, dass die Hochtemperaturzone der Zündkraftstoff-Diffusionsverbrennung kleiner wird. Niedrigere Zündkraftstoff-Verbrennung und dementsprechend höherer Hauptkraftstoff-Verbrauch durch die Brenner führt zur Sättigung von magerer FAM und einer höheren Verbrennungsstabilität der FAM.

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 Bild in 1). Die inneren Kanäle 18 der Brenner 1 des äußeren Rings C1 und die inneren Kanäle 17 der Brenner 2 des inneren Rings C2 sind entsprechend in dem äußeren ringförmigen Zündkraftstoff-Verteiler 16 und dem inneren ringförmigen Zündkraftstoff-Verteiler 15 zusammengenommen, an deren Eingang zum Beispiel das elektrische Ventil 11 in der Zündkraftstoff-Zufuhrleitung bzw. -Versorgungsleitung 7 eingebaut ist. Ringförmige Aufnahmen 19 der Brenner 1 des äußeren Rings C1 und ringförmige Aufnahmen 20 der Brenner 2 des inneren Rings C2 sind entsprechend in dem äußeren ringförmigen Hauptkraftstoff-Verteiler 14 und dem inneren ringförmigen Hauptkraftstoff-Verteiler 13 zusammengenommen, an deren Eingang zum Beispiel das elektrische Ventil 12 in der Hauptkraftstoff-Zufuhrleitung 8 eingebaut ist. In der Hauptkraftstoff-Zufuhrleitung 8 und der Zündkraftstoff-Zufuhrleitung 7 sind entsprechend Kraftstoffregler 5 und 6 für Hauptkraftstoff 9 und Zündkraftstoff 10 eingebaut.
Das Bild in 2 zeigt eine Mittellinie E des Flammenrohres, die den äußeren und den inneren Ring der Verbrennungskammer trennt, und eine Auslegungsgrafik der Brenner A1 mit Wirbel im Uhrzeigersinn und Brenner A2 mit Wirbel gegen den Uhrzeigersinn im äußeren Ring C1 sowie Brenner B1 mit Wirbel im Uhrzeigersinn und Brenner B2 mit Wirbel gegen den Uhrzeigersinn 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 an die Leerlaufleistung, die etwa 65% bis 70% der Nennlast beträgt, kommt.
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 mit der Bildung periodischer Wirbelpaare, die sich in entgegengesetzten Richtungen drehen und die zwei Brenner A1 und B1 mit ähnlichem Strömungswirbel, aber mit umgekehrter Drehung, bedecken. Ein Brenner A1 oder A2 in jedem Wirbel ist dem äußeren Ring, hingegen zugeordnet 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 Haupt- und Zündkraftstoff nicht nur den Brennern des äußeren Rings C1, sondern auch den Brennern des inneren Rings C2, zugeführt werden.
Wie aus dem Strömungsdiagramm (siehe Bild in 3) zu sehen ist, hat jeder CC-Brenner 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.
Nach der in 4 gezeigten Darstellung hat der Brenner die ringförmige Kraftstoffaufnahme 2, den inneren Kanal 10 und den äußeren Kanal, der durch Wände 5, 10 und 11 umschlossen wird.
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 IGV 8, einen am Ausgang des äußeren Kanals eingebauten Turbinen-AVS 4 mit Profilschaufeln und ein zwischen der IGV 8 und dem AVS 4 montiertes PE 3 mit einer spezifizierten Porosität.
5 zeigt eine Abwicklung der Kaskade des Turbinen-AVS nach dem in 4 spezifizierten Schnitt A-A.
Die Kaskade ist so profiliert, dass eine sanfte kontinuierliche Strömungsgeschwindigkeitszunahme in dem Kanal von Schaufel zu Schaufel zwischen dem Kaskadeneingang und -ausgang gewährleistet wird.
Ein Schaufelhöhenwirbel wird in Übereinstimmung mit Gesetz (2) und unter Berücksichtigung des Ausdrucks (3) umgesetzt.
Am Ausgang der Kaskade wird ein Geschwindigkeitsdreieck gezeigt, das entsprechend durch die absolute Strömungsgeschwindigkeit W, ihre Axiale Wa und ihre Umlaufende u gebildet wird. Vektoren W → und W →a der Geschwindigkeiten W und Wa bilden entsprechend einen strukturellen Winkel φ des AVS-Wirbels.
Der Betrieb der ringförmigen Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk und die Umsetzung ihres Betriebsverfahrens werden wie folgt ausgeführt.
Während des Starts der GTE-CC (siehe 1) und wenn die Last auf Leerlaufleistung gesteigert wird, 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 mit dem äußeren Ring C1 verbundenen Brenner 1 (siehe 2). Durch die Löcher in den IGV-Wänden wird der Kraftstoff in der Form eines Strahlsystems der Druckluft-Querströmung 22, die von dem GTE-Verdichter kommt, in den äußeren Kanälen der Brenner 1 zugeführt.
Der Zündkraftstoff 10 wird durch den Regler 6 unter einem Druck, der denjenigen 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 FAM-Verbrennung 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 die 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 denjenigen in der Luftströmung 22 überschreitet, ebenfalls zu dem inneren ringförmigen Hauptkraftstoff-Verteiler 13 zu strömen, von wo er zu allen ringförmigen Kraftstoffaufnahmen 20 der mit dem inneren Ring C2 verbundenen Brenner 2 strömt. Durch die Löcher in den IGV-Wänden wird der Hauptkraftstoff in der Form eines Strahlsystems der Druckluft-Querströmung 22, die von dem GTE-Verdichter kommt, in den äußeren Kanälen der Brenner 2 zugeführt.
Der Zündkraftstoff 10 wird unter einem Druck, der denjenigen in der Luftströmung 22 überschreitet, zuerst dem inneren ringförmigen Zündkraftstoff-Verteiler 15 und darin den inneren Kanälen der mit dem inneren Ring C2 verbundenen Brenner 2 zugeführt (siehe 1 und 2).
Wenn die Last die Leerlaufleistung überschreitet und Haupt- und Zündkraftstoff allen Brennern zugeführt werden, wird vom 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 ist mit Hilfe von Paarwirbeln mit drei benachbarten Brennern in Kontakt, was eine höhere Zuverlässigkeit der Wärme- und Flammenübertragung zwischen den Brennern bedeutet (siehe 3). Der Strömungswirbel in benachbarten Brennern beider Ringe in der ringförmigen CC führt zur Bildung von periodischen Paarwirbeln bzw. alternierenden Wirbelpaaren an der vorderen Wand der ringförmigen CC (siehe Abwicklung in 3), was zur Gleichförmigkeit von Temperaturmustern in Radial- und Umfangsrichtung sowohl in der Kraftstoff-Verbrennungszone als auch am Ausgang der ringförmigen CC führt.
Der Zündkraftstoffregler 6 wird dazu verwendet, den Verbrauch von Zündkraftstoff in allen möglichen Modi des GTE-CC-Betriebs zu regeln, um die NO_x-Emission zu verringern, während die Verbrennungsstabilität magerer FAM aufrechterhalten wird.
Mageres Qualitäts-FAM wird mit Hilfe eines zweistufigen Mischens der Bestandteile (Druckluft und Hauptkraftstoff) in einem Brenner vorbereitet (siehe 4). In Übereinstimmung mit der in 4 gezeigten Darstellung eines emissionsarmen Brenners wird der Zündkraftstoff 6 durch den inneren Kanal 10 zugeführt. Dann strömt er in eine Rückflusszone 12, die sich hinter dem hohlen Kegelstabilisator 5 befindet.
Die Druckluft 7 von dem Verdichter wird nur dem äußeren Kanal des Brenners zugeführt. Der Hauptkraftstoff strömt von der ringförmigen Kraftstoffaufnahme 2 durch die Löcher in der IGV 1 in Form eines Strahlsystems 8 zu der Luft-Querströmung 7. Dann wird während der Strahlstufe gebildetes mageres FAM zusätzlich durch Mikrokanäle eines porösen Elements übertragen, was die zweite Stufe des Bestandteilmischens ist, wobei auf Grund von turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen, Druck, Temperatur und Bestandteilkonzentration eine hohe Konzentrationsgleichförmigkeit der mageren FAM (d. h., eine hohe Mischungsqualität) erreicht wird.
Um Volldruckverluste der mageren FAM 9 zu verringern, wenn sie durch Mikroporen des porösen Elementkorpus 3 hindurchgeht bzw. hindurchfließt, wird die Oberfläche des porösen Elements 3 so gewählt (zum Beispiel zwei abgestumpfte Kegel), dass der durchschnittliche Mischungs-Strömungswert 9 im CC-Nennmodus 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 FAM 9 wird durch das Erzeugen einer Rückflusszone 12 hinter dem Kegelstabilisator 5 gewährleistet, die als ein Hochwiderstandskörper dient, wenn das magere FAM 9 über dieselbe strömt. Zur gleichen Zeit wird eine stabile kinetische Verbrennung des mageren FAM 9 durch das Bringen von Wärme von der Bereitschaftsflamme und durch das Bilden einer zusätzlichen Rückflusszone 13 unter Verwendung des AVS 4 gewährleistet.
Die folgenden Vorteile der vorgeschlagenen ringförmigen GTE-CC (1 bis 5) und ihres Betriebsverfahrens, verglichen mit einer ringförmigen CC und deren Prototypen-Betriebsverfahren können hervorgehoben werden:

– zuverlässige Wärme- und Flammenübertragung zwischen den Brennern beim CC-Start und in allen ihren möglichen Betriebsmodi,
– verringerte Volldruckverluste, wenn sich die Mischungsströmung entlang der vorderen Wand des CC-Flammenrohrs bewegt,
– verringerte Stick- und Kohlenmonoxid-Emissionen,
– höhere Verbrennungsstabilität von magerer FAM in allen möglichen Betriebsmodi der ringförmigen CC,
– bessere Temperaturmuster-Gleichförmigkeit in Radial- und Umfangsrichtung in der Verbrennungszone und am Ausgang der ringförmigen CC.

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 GTE-CC auf eine umfassende Weise gelöst werden. Bei den erwähnten Analoga und Prototypen werden diese Nachteile nur teilweise gelöst oder werden überhaupt nicht gelöst.

Claims

Ringförmige Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk, die mehrere Brenner umfasst, die in einer Ebene an der vorderen Wand der Verbrennungskammer beabstandet sind, unter Verwendung von wenigstens zwei koaxialen Ringen, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb jedes Rings die gleiche und eine gerade Anzahl von emissionsarmen Brennern verwendet wird. Die Brenner des inneren Rings sind in Halbteilungsintervallen in Bezug auf die Brenner des äußeren Rings in Umfangsrichtung versetzt. Alle Brenner sind zweikanalig. Die inneren Kanäle der Brenner dienen nur für die Zündkraftstoff-Zufuhr, während die äußeren Kanäle mit der verdichteten Luft von hinter dem Verdichter und Hauptkraftstoff mit magerer FAM versorgt werden. Der äußere Kanal jedes Brenners hat eine Einlass-Leitschaufel, wobei die Löcher in ihre Wände geschnitten sind, um der Luft-Querströmung Kraftstoff zuzuführen, einen Leitschaufeldrallerzeuger, der am Kanalausgang montiert ist, und ein poröses Element mit abgestufter Porosität, das zwischen der Einlass-Leitschaufel und dem Leitschaufeldrallerzeuger montiert ist. Die Wirbelrichtung in den Brennern wird unter Verwendung der Leitschaufeldrallerzeuger wechselt beim Wechsel von einem Brenner zu einem anderen benachbarten Brenner innerhalb eines Rings zur entgegengesetzten Richtung. Jeder Brenner weist ebenfalls eine ringförmige Kraftstoffaufnahme auf, die sich oberhalb der Einlass-Leitschaufel befindet. Die inneren Kanäle des inneren und des äußeren Brennerrings werden entsprechend in dem inneren und dem äußeren Zündkraftstoff-Verteiler, hingegen ringförmige Kraftstoffaufnahmen der Brenner des inneren und des äußeren Rings entsprechend in dem inneren und dem äußeren Hauptkraftstoff-Verteiler, zusammengenommen. Jede Zünd- und Hauptkraftstoff-Leitung hat einen Kraftstoffregler am Eingang. Ein Ventil ist stromaufwärts von jedem Eingang der inneren Zünd- und Hauptkraftstoff-Verteiler in den Kraftstoff-Zufuhrleitungen eingebaut.
Kammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein axialer Turbinen-Leitschaufeldrallerzeuger mit Profilschaufeln als der Leitschaufeldrallerzeuger verwendet ist.
Kammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln des axialen Leitschaufeldrallerzeugers nach dem folgenden Gesetz verwirbelt sind:
wobei R und R_π – gegenwärtiger Radius und entsprechend Wirbelschaufel-Umfangsradius sind, φ und φ_π – gegenwärtiger Wirbelwinkel und entsprechend Wirbelschaufel-Umfangswinkel sind, n – Exponent, der den Wert im Bereich: 0 > n ≥ –1 besitzt.
Kammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein poröses Element auf der Grundlage von Mikrometergaze als das poröse Element verwendet wird.
Kammer nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wählen der Quadratfläche des porösen Elements die durchschnittliche Mischungs-Strömungsgeschwindigkeit in den Mikroporen eines porösen Korpus des porösen Elements im Nennbetriebsmodus der Verbrennungskammer in dem Bereich zwischen 40 m/s und 60 m/s gehalten wird.
Verfahren zum Betreiben der ringförmigen Verbrennungskammer in einem Gasturbinentriebwerk, die mehrere komplanare Brenner hat, die an der vorderen Kammerwand beabstandet sind, unter Verwendung von wenigstens zwei koaxialen Ringen ist, dass, wenn die Kammer gestartet wird und die Last auf einen vorbestimmten Wert gesteigert wird, der Kraftstoff durch einen Teil der gesamten Brenner zugeführt wird. Wenn die Last den vorbestimmten Wert überschreitet, werden andere Brenner durch das Zuführen von Kraftstoff zu denselben aktiviert. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb jedes Rings die gleiche und gerade Anzahl von emissionsarmen Brennern montiert ist. Die Brenner des inneren Rings sind in Halbteilungsintervallen in Bezug auf die Brenner des äußeren Rings in Umfangsrichtung versetzt. Alle emissionsarmen Brenner sind zweikanalig. Die inneren Kanäle der Brenner dienen nur für die Zündkraftstoff-Zufuhr, während die äußeren Kanäle mit der verdichteten Luft von hinter dem Verdichter und Hauptkraftstoff mit magerer FAM versorgt werden. Der äußere Kanal jedes Brenners hat eine Einlass-Leitschaufel, wobei die Löcher in ihre Wände geschnitten sind, um der Luft-Querströmung Kraftstoff zuzuführen, einen axialen Leitschaufeldrallerzeuger, der am Kanalausgang montiert ist, und ein poröses Element, das zwischen der Einlass-Leitschaufel und dem axialen Leitschaufeldrallerzeuger montiert ist. Die Wirbelrichtung in den Brennern wird unter Verwendung der Leitschaufeldrallerzeuger zur entgegengesetzten Richtung wechselt, wenn von einem Brenner zu dem anderen benachbarten Brenner innerhalb jedes Rings gewechselt wird. Jeder Brenner weist ebenfalls eine ringförmige Kraftstoffaufnahme auf, die sich oberhalb der Einlass-Leitschaufel befindet. Die inneren Kanäle des inneren und des äußeren Brennerrings werden entsprechend in dem inneren und dem äußeren Zündkraftstoff-Verteiler, hingegen ringförmige Kraftstoffaufnahmen der Brenner des inneren und des äußeren Rings entsprechend in dem inneren und dem äußeren Hauptkraftstoff-Verteiler, zusammengenommen. Jede Zünd- und Hauptkraftstoff-Leitung hat einen Kraftstoffregler am Eingang. Ein Ventil ist stromaufwärts von jedem Eingang der inneren Zünd- und Hauptkraftstoff-Verteiler in den Kraftstoff-Zufuhrleitungen montiert. Beim Start 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 den Wert nahe dem Leerlauf-Leistungsmodus erreicht und auf den Nennmoduswert gesteigert wird, öffnen beide Ventile und führen Zünd- und Hauptkraftstoff auch den Brennern des inneren Rings zu.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Zündkraftstoffverbrauch in den Brennern des äußeren und des inneren Rings – definiert als ein Verhältnis zwischen dem Zündkraftstoffverbrauch und dem Gesamtverbrauch von Haupt- und Zündkraftstoff – unter Verwendung der Kraftstoffregler zu vermindern, vorausgesetzt, dass eine minimale Stickoxidemission erzeugt wird durch das Aufrechterhalten des spezifizierten Gesamtverbrauchs von Haupt- und Zündkraftstoff und des spezifizierten Gesamt-Luftüberschussfaktors, während die Verbrennungsstabilität einer mageren Kraftstoff-Luft-Mischung erhalten wird.