DE1131947B

DE1131947B - Combustion process for gas turbine combustion chambers and equipment for carrying out the process

Info

Publication number: DE1131947B
Application number: DEM41002A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing E H Siegfried Me Dr-Ing
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1959-03-28
Filing date: 1959-03-28
Publication date: 1962-06-20
Also published as: GB922541A

Description

Verbrennungsverfahren für Gasturbinen-Brennkammern und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbrennungsverfahren für Gasturbinen-Brennkammern mit Kraftstoffverdampfung, wobei der flüssige Kraftstoff zwecks Bildung eines Flüssigkeitsfilmes und daraus erfolgender Verdampfung auf die Wandung eines Brennkammerbau@eiles unmittelbar aufgetragen wird und eine um die Flammrohrlängsachse kreisende Luftbewegung vorgesehen ist. Das Ziel einer jeden Brennkammerkonstruktion ist, eine möglichst vollkommene Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes zu erreichen und dabei die konstruktive Länge der Brennkammer so gering wie möglich machen zu können. Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, unter Benutzung der Erkenntnisse über den Ablauf der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Lösungen für dieses Problem anzugeben.Combustion process for gas turbine combustors and equipment for carrying out the method The invention relates to a combustion method for gas turbine combustors with fuel vaporization, the liquid fuel for the purpose of forming a liquid film and resulting evaporation onto the Wall of a Brennkammerbau @ eiles is applied directly and one around the Flame tube longitudinal axis circular air movement is provided. Everyone's goal Combustion chamber construction is the most complete possible combustion of the injected To achieve fuel and thereby the structural length of the combustion chamber so small to be able to do as possible. The present invention has set itself the task of using the knowledge about the combustion process of hydrocarbons To provide solutions to this problem.

Während bei vielen heute verwendeten Brennkammern die Verbrennungsluft und der Kraftstoff dadurch in innige Mischung gebracht werden, daß fein zerstäubende Düsen in den Luftstrom eingebaut werden, und durch die künstlich oder natürlich vorhandene Turbulenz eine Verdampfung des fliegenden flüssigen Tropfens und eine Vermischung der entstehenden Kraftstoffdämpfe mit der Verbrennungsluft herbeigeführt wird, geht also die Erfindung von einem grundsätzlich anderen, ebenfalls bekannten Verfahren aus. Der Kraftstoff wird nicht mehr in fein zerstäubter Form unmittelbar der Luft beigemischt, sondern vor der Vermischung einer Verdampfung unterzogen. Dies gelingt nach den neuesten Erkenntnissen am besten, wenn man den Kraftstoff in einer dünnen Schicht längs einer geeignet temperierten Oberfläche fließen läßt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Verdampfungsgeschwindigkeit, oder wie man es auch ausdrücken kann, die Verweilzeit eines Kraftstoffpartikelchens, beispielsweise eines Tropfens, auf der Wandung bei bestimmten Temperaturen auf ein Minimum herabaesetzt werden kann.While in many of the combustion chambers used today, the combustion air and the fuel can be brought into intimate mixture in that finely atomized Nozzles can be built into the air stream, and by artificial or natural existing turbulence an evaporation of the flying liquid drop and a Mixing of the resulting fuel vapors with the combustion air is brought about is, so the invention is based on a fundamentally different, also known Procedure. The fuel is no longer immediately in a finely atomized form mixed into the air, but subjected to evaporation before mixing. According to the latest findings, this works best if you have the fuel can flow in a thin layer along a suitably tempered surface. Namely, it has been shown that the rate of evaporation, or how to get it can also express the residence time of a fuel particle, for example of a drop on the wall is reduced to a minimum at certain temperatures can be.

Über dieses physikalische Phänomen haben die japanischen Forscher Z. Tamura und Y. Tanasawa einen Aufsatz geschrieben (veröffentlicht in »Seventh Symposium International an Combustion«, London, Butterworths Scientific Publications, 1958). Diese Forscher stellten fest, daß beispielsweise für einen Kohlenwasserstoff der Formel CAH43 bei einer Wandungstemperatur von 340° C eine viel geringere Verweilzeit auftritt, als wenn beispielsweise die Wandungstemperatur 900° C beträgt. Bei dem Ziel, für die Gemischbildung eine möglichst kurze Ausbrennzeit zu erreichen, ist noch ein weiterer Punkt zu beachten, und zwar die Frage, inwieweit die chemische Konstitution des Kraftstoffes während des Gemischbildungsvorganges eine Veränderung erfährt. Es ist bekannt, daß die Fähigkeit des Kraftstoffmoleküls, Sauerstoff aufzunehmen, von seiner Struktur abhängt.Japanese researchers have learned about this physical phenomenon Z. Tamura and Y. Tanasawa wrote an article (published in Seventh Symposium International on Combustion, London, Butterworths Scientific Publications, 1958). These researchers found that, for example, for a hydrocarbon formula CAH43 at a wall temperature of 340 ° C a much shorter residence time occurs as if, for example, the wall temperature is 900 ° C. In which The aim is to achieve the shortest possible burnout time for mixture formation Another point to consider, and that is the extent to which the chemical Constitution of the fuel during the mixture formation process a change learns. It is known that the ability of the fuel molecule to take up oxygen depends on its structure.

Verwendet man in einer Brennkammer einen Kraftstoff, der eine große Zerfallsneigung besitzt, dann ist die Vorbereitungszeit des Kraftstoffes bis zu seiner Verbrennung nicht kurz genug, um zu vermeiden, daß unter dem Einfluß der Flammenstrahlung ein molekularer Zerfall auftritt, der dazu führt, daß sich Wasserstoffatome aus dem Molekül loslösen und durch diesen Vorgang allmählich ein reaktionsträges Molekül entstehen lassen, das zu einem unerwünschten Nachbrennen führt. Um dieses Nachbrennen zu vermeiden, wird in den Brennkammern durch Zugabe von Zusatzluft eine erhöhte Turbulenz geschaffen. Diese Zusatzluft ist jedoch in vielen Fällen gar nicht erwünscht, da sie in der Tat eigentlich nicht so sehr durch ihren Sauerstoffgehalt wirkt, sondern nur durch die bei dem Vermischungsvorgang hervorgerufene Turbulenz. Da dieser Anteil an Sauerstoff der Luft aber gar nicht zur Verbrennung benötigt wird, denn es war ursprünglich schon genug Sauerstoff vorhanden, setzt diese Zusatzluft nur die Verbrennungstemperatur herab und vermindert weiter dadurch die Reaktionsgeschwindigkeit des an sich schon träge gewordenen Kraftstoffes.If you use a fuel in a combustion chamber that has a large Has a tendency to decay, then the fuel preparation time is up to its burn not short enough to avoid being under the influence of Flame radiation molecular decay occurs, which causes hydrogen atoms to form detach them from the molecule and gradually become inert through this process Let a molecule arise that leads to an undesirable afterburn. To this Avoid afterburning in the combustion chambers by adding additional air created increased turbulence. In many cases, however, this additional air is not at all desirable, as they are in fact not so much due to their oxygen content acts, but only through the turbulence caused by the mixing process. Since this proportion of oxygen in the air is not required for combustion because there was originally enough oxygen available, this additional air is set only lowers the combustion temperature and thereby further reduces the reaction rate of the fuel, which has already become sluggish.

Deshalb geht die Erfindung von dem oben im ersten Absatz dieser Beschreibung erläuterten, bei Gasturbinen-Brennkammern schon bekannten Verfahren aus und will dieses unter Berücksichtigung der neuesten vorhin angegebenen Erkenntnisse verbessern. Es ist hier also keine Düse vorhanden, die den Kraftstoff unmittelbar in die Luft einspritzt oder ihn nach Durcheilen einer gewissen Wegstrecke, beispielsweise teilweise auf einen Flammenhalter (elektrische Funkenstrecke) auftreffen läßt. Vielmehr erfolgt erfindungsgemäß bei mit feststehenden Flammrohren ausgerüsteten Brennkammern zur Erzielung des Kraftstofffilmes über eine möglichst große Fläche die Auftragung des flüssigen Kraftstoffes in einem oder mehreren großflächigen Kraftstoffbändern auf die glatte Innenwandung des Flammrohres, wobei das Temperaturniveau der Flammrohrwand durch ein die Flammrohrwand in an sich bekannter Weise umströmendes Medium entsprechend dem jeweiligen Belastungszustand der Brennkammer auf einer Höhe gehalten wird, die für den jeweils verwendeten Kraftstoff als diejenige Temperatur ermittelt wurde, bei der die Verweilzeit auf der Wandung ein Minimum beträgt. Bevorzugt läßt sich dieses Verfahren benutzen bei zylindrischen oder hohlkörperförmigen rohrförmigen Brennkammern, wobei die Anlegung des Kraftstoffes an der Innenseite des Flammrohres kontinuierlich oder auch diskontinuierlich erfolgt.Therefore, the invention proceeds from the above in the first paragraph of this description explained processes already known in gas turbine combustion chambers and wants to do this, taking into account the latest findings given earlier to enhance. So there is no nozzle here that feeds the fuel directly injected into the air or after hurrying a certain distance, for example can partially hit a flame holder (electrical spark gap). Much more takes place according to the invention with combustion chambers equipped with fixed flame tubes To achieve the fuel film over the largest possible area, the application of the liquid fuel in one or more large fuel bands on the smooth inner wall of the flame tube, the temperature level of the flame tube wall by a medium flowing around the flame tube wall in a manner known per se the respective load condition of the combustion chamber is kept at a level that was determined as the temperature for the fuel used in each case, in which the dwell time on the wall is a minimum. Can be preferred use this method for cylindrical or hollow-body-shaped tubular Combustion chambers, whereby the application of the fuel to the inside of the flame tube takes place continuously or discontinuously.

Wichtig für das Gelingen der Auftragung ist nun das Zusammenwirken. mit der Luftbewegung. Der Kraftstoff wird zur Vermeidung der Zerstäubung mit geringer Geschwindigkeit an der Brennraumwandung vorgelagert, während .die Verteilung des Kraftstoffes auf der Wandung im wesentlichen durch die Luft erfolgen soll. Dabei hat sich herausgestellt, daß es Vorteile besitzt, der Luft eine kräftige Drehung im Flammrohr zu geben. Auf diese Art und Weise wird der Kraftstoff ähnlich einem spiraligen Band auf der Wandung ausgebreitet, wobei, wie gesagt, die Temperatur der Wandung auf die Temperatur der geringsten Verweilzeit des Kraftstoffes eingestellt wird. Die Einsellung der Wandtemperatur kann in bekannter Art und Weise erfolgen, indem beispielsweise um das Flammrohr herum Kühlluft oder Zusatzluft geleitet wird, welche die Flammrohrwandung auf der gewünschten Temperatur hält. Durch entsprechende Aufteilung des Luftstromes in Verbrennungsluft und Kühlluft läßt sich die Flammrohrwandung stets auf die Temperatur bringen, die dem gerade verwendeten Kraftstoff entspricht. Es gelingt so,. eine außerordentliche Unabhängigkeit des Verbrennungswirkungsgrades von der Art des Kraftstoffes zu erreichen. Grundsätzlich soll hier noch einmal wiederholt werden, daß es wichtig ist, den Kraftstoff wirklich filmartig auf die Wand zu bringen und daß deshalb Düsen, die eine Zerstäubung ergeben und die den Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit austreten lassen, hier nicht zur Verwendung kommen, es sei denn in dem besonderen Falle einer Anlaßhilfe. Hier wird dann zweckmäßig eine besondere Kraftstoffdüse der Zündquelle vorgelagert. Außerdem ist zur Begünstigung der Filmauftragung auf die Flammrohrwand eine kreisende Luftströmung vorgesehen, die in an sich bekannter Weise durch Anordnung von verstellbaren Leitschaufeln im Lufteinlaßkanal erzeugt wird. Weitere Einzelheiten der Erfindung sind im Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Brennkammer, schematisch gezeichnet, und Fig. 2 einen Schnitt durch die Haupteinspritzdüse. ebenfalls nur -schematisch dargestellt. Dem im Axialschnitt gezeigten, beispielsweise zwischen einem hier nicht weiter dargestellten Kompressor und einer Gasturbinenanlage liegenden Flammrohr 1, das hier runden Querschnitt aufweist und dessen Durchmesser vom Einlaß bis zum Auslaß leicht konisch abnimmt, wird von einem Ende her - hier Einlaß 2 - Druckluft zugeführt. Diese Luft durchströmt dann das eigentliche Flammrohr, wobei innerhalb desselben Kraftstoff verbrannt wird. Zu diesem Zweck ist in diesem Ausführungsbeispiel von gegebenenfalls vorhandenen mehreren Düsen eine einzige Einspritzdüse 3 eingezeichnet, aus deren schlitzartiger Düsenmündung der geschlossene Kraftstoffstrahl 4 ohne freie Strahlweglänge, also unmittelbar auf die Flammrohrwand aufgeschoben und dort, wie noch später beschrieben wird, als großflächiger Film 40 aufgetragen wird (Fig.2, 30, zeigt den Mündungsschlitz der Düse, der hier quer zur Strömungsrichtung liegt).The interaction is now important for the success of the application. with the movement of air. To avoid atomization, the fuel is stored in front of the combustion chamber wall at low speed, while the fuel is to be distributed on the wall essentially through the air. It has been found that there are advantages in giving the air a strong rotation in the flame tube. In this way, the fuel is spread like a spiral band on the wall, the temperature of the wall being set to the temperature of the shortest residence time of the fuel. The wall temperature can be set in a known manner, for example by passing cooling air or additional air around the flame tube, which keeps the flame tube wall at the desired temperature. By appropriately dividing the air flow into combustion air and cooling air, the flame tube wall can always be brought to the temperature that corresponds to the fuel being used. It works like this. to achieve an extraordinary independence of the combustion efficiency of the type of fuel. Basically, it should be repeated here once again that it is important to bring the fuel to the wall in a film-like manner and that therefore nozzles that produce an atomization and allow the fuel to emerge at high speed are not used here, unless otherwise in the special case of a start-up aid. A special fuel nozzle is then expediently positioned upstream of the ignition source. In addition, to promote the application of the film to the flame tube wall, a circular air flow is provided, which is generated in a manner known per se by arranging adjustable guide vanes in the air inlet duct. Further details of the invention are shown in the exemplary embodiment with reference to the drawing. 1 shows a longitudinal section through the combustion chamber, drawn schematically, and FIG. 2 shows a section through the main injection nozzle. also shown only schematically. The flame tube 1 shown in axial section, for example between a compressor not shown here and a gas turbine system, which here has a round cross-section and whose diameter decreases slightly conically from the inlet to the outlet, is supplied with compressed air from one end - here inlet 2. This air then flows through the actual flame tube, with fuel being burned within it. For this purpose, a single injection nozzle 3 is shown in this exemplary embodiment of several nozzles that may be present, from whose slot-like nozzle mouth the closed fuel jet 4 without a free jet path length, i.e. pushed directly onto the flame tube wall and applied there as a large-area film 40, as will be described later (Fig. 2, 30, shows the mouth slot of the nozzle, which is here transverse to the direction of flow).

Des weiteren ist im Flammrohr eine hinter der Einspritzdüse liegende elektrische Zündfunkenstrecke 5 angeordnet, die beispielsweise aus der Zündeinrichtung 50 gespeist wird. Dieser Zündfunkenstrecke ist als Anlaßhilfe eine besondere Kraftstoffeinspritzdüse 6 vorgeschaltet, deren weltstreuender Kraftstoffstrahl 60 direkt in den Bereich der Zündfunkenstrecke 5 gerichtet ist. Auf diese Weise kann dann beim Anlassen die Hilfsdüse 6 eingeschaltet, und sobald das Flammrohr durch die heißen Brenngase genügend erhitzt ist, wieder abgeschaltet werden. Damit innerhalb des Flammrohres der Effekt einer intensiven rotierenden, gerichteten Luftströmung 7 erzielt wird, sind am Flammrohreinlaß bekannte Einrichtungen zur Erzeugung einer kreisenden Luftbewegung, beispielsweise verstellbare Leitschaufeln ä angeordnet, die mittels einer Kurbel 9 und natürlich auch selbsttätig mit an sich bekannten Mitteln jeweils in die gewünschte Stellung gebracht werden können. Koaxial um die Flammrohraußenwand ist mit radialem Abstand 10 ein zweiter Hohlkörper 11 angeordnet, wobei ein Teil der Einlaßluft durch den so gebildeten Ringkanal 12 geleitet wird, so daß die Flammrohrwandtemperatur auf einem Niveau gehalten werden kann, das die geringste Verweilzeit des Kraftstoffes auf der Wandung ergibt. Die in den Ringraum 12 abgezweigte Luft wird mengenmäßig gesteuert, so daß dann jeweils ein verschiedener Kühleffekt für die Flammrohrwand erreicht wird. Zu diesem Zweck ist an der Ringraummündung ein Verstellorgan 13 angeordnet, das durch einen auf die Flammrohrwandtemperatur ansprechenden Thermostaten 14 gesteuert wird. Im Ausführungsbeispiel besteht dieses Verstellorgan 13 aus einem ort3-festen, mit radialen Schlitzen versehenen Ring 15 und einem danebenliegenden, jedoch um die Flammrohrlängsachse drehbaren, ebenfalls Radialschlitze aufweisenden zweiten Steuerring 16, der über einen durch den Thermostaten 14 gesteuerten Servomotor 17 sowie ein zwischengeschaltetes Getriebe 1s und ein Zahnsegment 19 verstellt werden kann. Als Verstellorgan 13 können aber ebensogut radial verlaufende, drehbar gelagerte Leitschaufeln verwendet werden, deren nach außen überstehende, als Kurbeln ausgebildete Zapfen in an sich bekannter Weise in Kurvenbahnen eines auf dem äußeren Zylinder 11 drehbeweglich gelagerten Verstellringes geführt sind, wobei dann dieser Verstellring ebenso von Hand aus oder selbsttätig durch den Thermostaten 14 betätigt wird.There is also one located behind the injection nozzle in the flame tube arranged electrical ignition spark gap 5, for example from the ignition device 50 is fed. This ignition spark gap is a special fuel injection nozzle as a starting aid 6 upstream, the world-scattering fuel jet 60 directly into the area the ignition spark gap 5 is directed. In this way, when starting the Auxiliary nozzle 6 switched on, and as soon as the flame tube is sufficiently through the hot combustion gases switched off again. So the effect inside the flame tube an intense rotating, directed air flow 7 is achieved, are at the flame tube inlet known devices for generating a circular air movement, for example adjustable guide vanes ä arranged by means of a crank 9 and of course also automatically in each case by means known per se in the desired position can be brought. Coaxially around the outer wall of the flame tube is at a radial distance 10 a second hollow body 11 is arranged, with part of the inlet air through the so formed annular channel 12 is passed, so that the flame tube wall temperature can be maintained at a level that has the lowest residence time of the fuel results on the wall. The air branched off into the annular space 12 is quantitative controlled, so that then each a different cooling effect for the flame tube wall is achieved. For this purpose, an adjusting element 13 is arranged at the mouth of the annular space, controlled by a thermostat 14 responsive to the flame tube wall temperature will. In the exemplary embodiment, this adjusting element 13 consists of a fixed-location, with radial slots provided ring 15 and an adjacent, but around the longitudinal axis of the flame tube rotatable, also having radial slots Control ring 16, which is controlled by a servomotor 17 controlled by the thermostat 14 as well as an interposed gear 1s and a toothed segment 19 can be adjusted can. Radially extending, rotatably mounted ones can just as well be used as adjusting member 13 Guide vanes are used whose outwardly protruding, designed as cranks Pin in a manner known per se in curved paths on the outer cylinder 11 rotatably mounted adjusting ring are guided, then this adjusting ring is also operated by hand or automatically by the thermostat 14.

Im Verlauf der Verbrennung im Flammrohr nimmt die Temperatur in Strömungsrichtung beträchtlich zu. infolge der heftigen Drehbewegung im Flammrohr werden die spezifisch leichteren Teile des Gases, also im wesentlichen diejenigen, die infolge der Verbrennung eine größere Temperatur angenommen haben, nach innen abströmen, während die kühleren Gasmassen durch das Zentrifugalfeld hindurch an die Fiammrohrwand befördert werden. Im Verlauf der Verbrennung ist jedoch die gesamte Luftmenge im Flammrohr zur Verbrennung herangezogen worden, und es muß deshalb zur Bauteillcühlung eine Kühlluft beigefügt werden. Zweckmäßigerweise wird diese Drittluft nicht durch einfache, an der Flammrohrwand angeordnete radiale Bohrungen eingeführt, sondern durch tangentiale, im Sinne der Drehrichtung der Luft im Flammrohr angeordnete Düsen 20 in der Zuführungsleitung 21. Diese Düsen sind dann geeignet, die Drehbewegung im Flammrohr 1 mittels eines Steuerorganes 21u je nach den erforderlichen Bedürfnissen aufrechtzuerhalten oder gar zu verstärken, wobei durch die wirbelnde Bewegung dafür gesorgt wird, daß die kalte Kühlluft sich wirklich an der Außenwand des Flammrohres anlegt. Zeigt sich, daß bei besonders verbrennungsträgen Kraftstoffen eine örtlich erhöhte Turbulenz erforderlich ist, dann lassen sich diese einströmenden Kühlluftstrahlen auch dazu benutzen, die Turbulenz zu erhöhen, indem sie teilweise gegen die Drehrichtung angeordnet sind. Es soll jedoch hier noch einmal erwähnt werden, daß das Ziel dieses Flammrohres ist, ohne wesentliche Zusatzluftzuführung auszukommen, um die Temperaturen in der Verbrennungszone möglichst hoch zu halten.In the course of the combustion in the flame tube, the temperature increases in the direction of flow considerably too. as a result of the violent rotation in the flame tube the specifically lighter parts of the gas, i.e. essentially those which have assumed a higher temperature as a result of the combustion, towards the inside flow away, while the cooler gas masses through the centrifugal field through the pipe wall can be conveyed. In the course of the combustion, however, is the entire Amount of air in the flame tube has been used for combustion, and it must therefore be used Cooling air can be added to the component cooling. This third air is expediently not inserted through simple radial bores arranged on the flame tube wall, but by tangential, in the sense of the direction of rotation of the air arranged in the flame tube Nozzles 20 in the supply line 21. These nozzles are then suitable for the rotary movement in the flame tube 1 by means of a control element 21u depending on the requirements required to maintain or even strengthen, being done by the swirling movement for this it is ensured that the cold cooling air is really on the outer wall of the flame tube applies. It turns out that with particularly inert fuels a local If increased turbulence is required, these inflowing cooling air jets can be used also use it to increase the turbulence by partially turning it against the direction of rotation are arranged. However, it should be mentioned again here that the aim is this Flame tube is to manage without significant additional air supply to the temperatures to be kept as high as possible in the combustion zone.

Die kräftige, einem Potentialwirbel nahekommende Drehung der Luft im Flammrohr hat eine Druckverteilung zur Folge. In der Achse des Flammrohres herrschen deshalb sehr geringe Drücke. Es besteht aus diesem Grunde immer die Gefahr, daß eine starke Rezirkulationsströmung am Auslaß auftritt. Diese Rezirkulationsströmung kann in vorteilhafter Weise dazu benutzt werden. um im Teillastbetrieb günstig Verbrennungserscheinungen herbeizuführen, indem verbrannte Gase bewußt zurückgeführt werden. Man kann beispielsweise durch die beiden Leitungen 24 mit Drosselklappe 25 und 22 (die andere Leitung) n-it Drosselklappe 23 den Kern des Wirbels im Flammrohr dazu benutzen, eine Kreislaufströmung innerhalb des Flammrohres herbeizuführen, derart, daß beispielsweise durch die Leitung 24 mit Drosselklappe 25 verbrannte Gase eintreten, die aus der Leitung 22 wieder austreten und die Achse des Flammrohres durchströmen. .Je nach den sich einstellenden Druckverhältnissen im Flammrohr kann die Kreislaufluftströmung auch umgekehrt verlaufen. Bei voller Beschickung des Flammrohres wird durch Regelorgane dafür gesorgt, daß der Kreislauf im wesentlichen Frischluft enthält, so daß eine Rezirkulationsströmung von Abgasen vermieden wird. Bei Teillast dagegen wird dieser Rezirkulationskreislauf mit heißen Abgasen beschickt, so daß die Flammrohrgesamttemperatur eine entsprechende Anhebung erfährt.The powerful rotation of the air, approaching a potential vortex pressure distribution in the flame tube results. Rule in the axis of the flame tube therefore very low pressures. For this reason there is always the risk that a strong recirculation flow occurs at the outlet. This recirculation flow can be used advantageously for this purpose. in order to reduce combustion phenomena in partial load operation to bring about by deliberately recirculating burned gases. One can for example through the two lines 24 with throttle valve 25 and 22 (the other line) n-it Throttle valve 23 use the core of the vortex in the flame tube to create a circulatory flow bring about within the flame tube, such that, for example, through the line 24 with the throttle valve 25 enter gases, which come from the line 22 again exit and flow through the axis of the flame tube. .Depending on the Pressure conditions in the flame tube, the circulating air flow can also be reversed. When the flame tube is fully charged, regulating devices ensure that the circuit contains essentially fresh air, so that a recirculation flow of exhaust gases is avoided. At part load, however, this recirculation cycle is charged with hot exhaust gases, so that the total flame tube temperature is a corresponding Experiences increase.

Der Ablauf des Gemischbildungs- und Verbrennungsvorganges ist nun folgender: Bei Inbetriebnahme der Anlage wird zunächst das Durchströmen der Verbrennungsluft durch das Flammrohr 1 eingeleitet. Gleichzeitig werden aber auch noch die Zündfunkenstrecke 5 eingeschaltet und die Hauptdüse 3 sowie die Hilfsdüse 6 geöffnet. Der Brennstofffilm 40 wird dann durch die Hauptdüse 3 unter der Wirkung des Luftwirbels 7 auf die Flammrohrwand aufgeschoben, während an der Zündfunkenstrecke 5 durch den weltstreuenden Strahl 60 der Hilfsdüse 6 eine Brennflamme zustande kommt. Sobald die Temperatur im Flammrohr entsprechend angestiegen ist, verdampft der Kraftstoffiten auf der Flammrohrwand. Dieser Kraftstoffdampf wird vom Luftwirbel 7 bis zur Zündquelle 5 geführt, um sich dort zu entzünden. Die Luftbewegung führt den weiteren Brennstoff jedoch nunmehr ausschließlich in Dampfform an die sich hinter der Zündquelle bildende Verbrennungszone heran, wodurch die Flamme weiter genährt wird. Da die nunmehr einsetzende schnelle Temperatursteigerung im Flammrohr und da ferner die intensive Strahlung der Flamme die Verdampfung des aufgetragenen Kraftstoffilmes wesentlich beschleunigen, werden zeitlich immer größere Dampfmengen vom Luftwirbel ? erfaßt, mit diesem vermischt und dem Bereich der Brennzone zugeführt. Die Hilfsdüse 6 kann dann wieder geschlossen werden.The sequence of the mixture formation and combustion process is now the following: When the system is started up, the combustion air will flow through first initiated through the flame tube 1. At the same time, however, the spark gap is also created 5 switched on and the main nozzle 3 and the auxiliary nozzle 6 opened. The fuel film 40 is then through the main nozzle 3 under the action of the air vortex 7 on the flame tube wall postponed while at the ignition spark gap 5 by the world-scattering beam 60 of the auxiliary nozzle 6 a burning flame comes about. As soon as the temperature in the flame tube has risen accordingly, the fuel will evaporate on the flame tube wall. This fuel vapor is carried around by the air vortex 7 to the ignition source 5 to ignite there. However, the air movement now carries the further fuel exclusively in vapor form to the combustion zone behind the ignition source approach, which further nourishes the flame. Since the now onset of rapid Increase in temperature in the flame tube and there also the intense radiation of the flame significantly accelerate the evaporation of the applied fuel film Increasing amounts of steam from the air vortex over time? captured, mixed with this and fed to the area of the burning zone. The auxiliary nozzle 6 can then be closed again will.

Das der Brennzone bei diesem Ausführungsbeispiel kontinuierlich zugeführte Brennstoffdampf-Luft-Gemisch wird mengenmäßig durch die Verdampfungsgeschwindigkeit des Brennstoffilmes 40 gesteuert, die außerdem von der durch die Leitschaufeln 13 geregelten Luftmenge und damit von der Luftbewegung selbst abhängig ist. Dabei wird die Temperatur der Flammrohrwand derart auf die geringste Verweilzeit des jeweils verwendeten Kraftstoffes eingesteuert, daß bei entsprechender Einstellung des Thermostaten 14 von diesem das Luftmengenverstellorgan 13 jeweils so eingestellt wird, daß die Flammrohrwandung entsprechend gekühlt, d. h. auf der gewünschten Temperatur gehalten wird.That which is fed continuously to the combustion zone in this exemplary embodiment The amount of fuel-vapor-air mixture is determined by the rate of evaporation of the fuel film 40 controlled, which is also controlled by the guide vanes 13 regulated air volume and thus depends on the air movement itself. It will the temperature of the flame tube wall in such a way to the shortest dwell time of each Fuel used controlled that with the appropriate setting of the thermostat 14 of this the air volume adjusting member 13 is set so that the Flame tube wall cooled accordingly, d. H. kept at the desired temperature will.

Schließlich wird noch vorgeschlagen, in die rotierende Luftströmung außer dem für die Filmauftragung vorgesehenen Kraftstoff noch zusätzlich luftverteilten Kraftstoff in das Flammrohr einzuführen. An sich ist es allerdings bekannt, Zusatzkraftstoff zusammen mit Zusatzluft in das Innere eines besonderen, gleichzeitig als Flammenhalter dienenden Verdampferkörpers für den Hauptkraftstoff einzuführen, und zwar zu dem besonderen Zweck, den in das stromabwärts liegende offene Ende des Verdampferkörpers infolge Unterdruck angesaugten Strom eines bereits brennenden Brennstoff-Sauerstoff-Trägergemisches in bezug auf die angestrebte Erwärmung der Verdampferwand und damit der Verdampferleistung zu ergänzen. Demgegenüber wird beim Erfindungsgegenstand mit der Einfüllung von Zusatzkraftstoff ein andersartiges Ziel verfolgt. Durch diese Maßnahmen sollen quasi durch Dopierung oder Sensibilisierung eines Teiles der Verbrennungsluft die Bedingungen hinsichtlich der kontinuierlichen Verbrennungseinleitung und des gesamten Verbrennungsablaufes insbesondere auf direktem Wege verbessert werden. Da demnach eine mehrfache Kraftstoffzuführung an verschiedenen Stellen einer Gasturbinen-Brennkammer bekannt ist, soll dieses Merkmal für sich allein nicht Gegenstand des Schutzes sein.Finally, it is proposed to move into the rotating air flow in addition to the fuel provided for the film application, additional air is distributed Introduce fuel into the flame tube. It is known per se, however, additional fuel together with additional air into the interior of a special one, at the same time as a flame holder to introduce serving evaporator body for the main fuel, namely to the special purpose, the one in the downstream open end of the evaporator body As a result of negative pressure sucked in flow of an already burning fuel-oxygen carrier mixture with regard to the desired heating of the evaporator wall and thus the evaporator output to complete. In contrast, when the subject of the invention is filled in, Additional fuel pursues a different goal. These measures are supposed to by doping or sensitizing a part of the combustion air the conditions with regard to the continuous initiation of combustion and the entire combustion process in particular, can be improved directly. Since, therefore, a multiple fuel supply is known at various points in a gas turbine combustion chamber, this should Characteristic in and of itself cannot be the subject of protection.

Zum ermittelten Stand der Technik wird folgendes bemerkt: Es ist eine Gasturbinenanlage mit kontinuierlicher Verbrennung bekanntgeworden, bei der eine filmartige Anlagerung des flüssigen Kraftstoffes auf Wandungsteile innerhalb der Brennkammer stattfindet. Diese Verbrennungseinrichtung umfaßt aber mehrere zueinander konzentrische, ringförmige, zur Verbrennungsleitung koaxiale Verdampferstangen verschiedenen Durchmessers, die durch Speichen zusammengefaßt sind. Außerdem bedarf dieses quasi ein Rad darstellende Gebilde noch besonderer Antriebsmittel, da es in Umdrehung versetzt werden soll, die hier unumgänglich zur Bildung eines Kraftstoffilmes an der Innenfläche der Verdampferringe ist. Ansonsten würden nämlich die den Kraftstoff haltenden Zentrifugalkräfte nicht zustande kommen. Die bekannte Einrichtung ist daher kompliziert und bedarf außerdem einer besonderen Wartung; es sind hier sogar besondere Schabemittel zum Entfernen von Koksablagerungen auf den Verdampferstangen erforderlich. Schließlich kommt hier nur eine relativ geringflächige Filmauftragung zustande.The following is noted about the determined prior art: It is a Gas turbine plant with continuous combustion became known in which a film-like accumulation of the liquid fuel on wall parts within the Combustion chamber takes place. However, this combustion device comprises several to each other different concentric, ring-shaped evaporator rods coaxial to the combustion line Diameter, which are grouped together by spokes. In addition, this needs to be a kind of wheel Formation even more special drive means, since it is to be set in rotation, which is indispensable here for the formation of a fuel film on the inner surface of the evaporator rings is. Otherwise the centrifugal forces holding the fuel would not be occurrence. The known device is therefore complicated and also requires special maintenance; there are even special scraping means for removal here of coke deposits on the evaporator rods. Finally come here only a relatively small area of film is applied.

Eine filmartige Auftragung von flüssigem Kraftstoff wurde auch schon bei einer Raketenkammer vorgeschlagen. Hier ist jedoch in Anbetracht der gleichzeitigen Anwendung verschiedener Kraftstoffarten und Zusätze, wie Benzin und flüssiger Sauerstoff, der Ablauf des eigentlichen Verbrennungsvorganges gegenüber dem beim Erfindungsgegenstand andersartig, was insofern von Bedeutung ist, als dadurch eine axiale Durchströmung der Brennkammer mit Luft einschließlich ihres relativ hohen und praktisch unbeeinflußbaren Ballastes an Stickstoff völlig fehlt. Außerdem hat hier die Filmauftragung eine andere Aufgabe, denn es sollen hier Brennraumwandungsteile, nämlich im Brennraum angeordnete Schalen, durch eine derartige Filmauftragung gegen Überhitzung geschützt werden. Die Filmauftragung hat also hier die andersartige Bedeutung einer Hitzeisolierumhüllung.A film-like application of liquid fuel has also been done proposed in a missile chamber. Here, however, considering the simultaneous Use of various types of fuel and additives, such as gasoline and liquid oxygen, the sequence of the actual combustion process compared to that of the subject of the invention different, which is important in that it results in an axial flow the combustion chamber with air including its relatively high and practically unaffected Nitrogen ballast is completely absent. In addition, the film application has one here Another task, because there should be combustion chamber wall parts, namely in the combustion chamber arranged shells, protected against overheating by such a film application will. The film application here has the different meaning of a heat insulating cover.

Was die Zuführung von Drittluft anbelangt, ist dies bei Gasturbinen-Brennkammern, und zwar mit unmittelbarer Vermischung des flüssigen Kraftstoffes mit der Luft, an sich bekannt. Jedoch geht es hierbei nur darum, Strähnenbildung ungekühlter heißer Gase zu vermeiden, welche die innere Brennkammerwand gefährden könnten.As far as the supply of third air is concerned, this is the case with gas turbine combustion chambers, with direct mixing of the liquid fuel with the air, known per se. However, this is only about streaking uncooled hotter Avoid gases that could endanger the inner combustion chamber wall.

Des weiteren ist es an sich bekannt, das Flammrohr als einen Hohlkörper mit rundem Querschnitt auszubilden. Im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand verjüngt sich jedoch bei der bekannten Anordnung der als Flammrohr dienende Brennkammerhohlraum nicht vom Einlaß an konisch, vielmehr erweitert er sich sogar am Anfang und in Strömungsrichtung gesehen sehr stark. Ein solcher, als Brennkonus bezeichneter Vorderteil des Flammrohres ist sehr nachteilig, denn er bringt zusätzliche Druckverluste mit sich, die den thermodynamischen Wirkungsgrad negativ beeinflussen.It is also known per se to use the flame tube as a hollow body train with a round cross-section. Tapered in contrast to the subject matter of the invention however, in the known arrangement of the combustion chamber cavity serving as a flame tube not conical from the inlet, rather it even widens at the beginning and in the direction of flow seen very strong. Such a front part of the flame tube, known as the combustion cone is very disadvantageous because it entails additional pressure losses that reduce the negatively affect thermodynamic efficiency.

Als an sich bekannt und daher ohne selbständigen Schutz hat ferner auch das Merkmal der mehrfachen Kraftstoffzufuhr an verschiedenen Stellen einer Gasturbinen-Brennkammer zu gelten.As known per se and therefore without independent protection also has also the feature of multiple fuel supply at different points one Gas turbine combustor to apply.

Es ist ferner bekannt, einer aus einer elektrischen Funkenstrecke bestehenden Fremdzündungsquelle eine besondere Einspritzdüse (Hilfsdüse) mit großer Strahlstreuung vorzulagern, wobei diese Hilfsdüse, in Richtung der Längsachse der Brennkammer gesehen, hinter der Haupteinspritzdüse liegt. Aus diesem Grunde soll das diesbezügliche Merkmal für sich allein nicht Gegenstand des Schutzes sein. Das gleiche gilt für das Merkmal, daß ein Verstellorgan aus einem mit radialen Schlitzen versehenen ortsfesten Ring und einem daneben angeordneten,. ebenfalls mit Schlitzen versehenen, jedoch drehbaren Ring zur Steuerung einer Durchflußmenge besteht. Schließlich ist die Ausbildung eines Verstellorgans für eine Durchflußmenge durch verdrehbare Leitschaufeln nicht mehr neu, deren als Kurbeln ausgebildete Zapfenenden jeweils in einer Kurvenbahn eines auf dem zweiten Zylinder gelagerten Verstellringes geführt sind. Diese Merkmale sollen daher nur in Verbindung mit dem Gegenstand des Hauptanspruches der Erfindung unter Schutz gestellt werden.It is also known to include an electrical spark gap existing spark ignition source a special injection nozzle (auxiliary nozzle) with a large Upstream jet scattering, this auxiliary nozzle, in the direction of the longitudinal axis of the Combustion chamber seen behind the main injector. This is why it should the relevant characteristic cannot in itself be the subject of protection. That the same applies to the feature that an adjusting member consists of one with radial slots provided stationary ring and one arranged next to it. also with slots provided, but rotatable ring for controlling a flow rate. In the end is the formation of an adjusting member for a flow rate through rotatable Guide vanes no longer new, their pin ends designed as cranks each guided in a cam track of an adjusting ring mounted on the second cylinder are. These features are therefore only intended in connection with the subject matter of the main claim of the invention are placed under protection.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Combustion process for gas turbine combustion chambers, with fuel evaporation, the liquid fuel for the purpose of forming a liquid film and the resulting evaporation directly onto the wall of a combustion chamber component is applied and an air movement circling around the longitudinal axis of the flame tube is provided is, characterized in that equipped with fixed flame tubes Combustion chambers to achieve the fuel film over the largest possible area the application of the liquid fuel in one or more large fuel bands takes place on the smooth inner wall of the flame tube and that the temperature level the flame tube wall through a flow around the flame tube wall in a manner known per se Medium according to the respective load condition of the combustion chamber at the same height is kept that for the particular fuel used as that temperature was determined, in which the dwell time on the wall is a minimum.

2. Combustion method according to Claim 1, characterized in that the flame tube wall medium flowing around, as is known per se, the combustion air of the flame tube and / or Additional air is used.

3. Combustion process according to claims 1 and 2, characterized in that tangential in the circulating air flow in the flame tube Third air is introduced in or against the direction of flow.

4. Combustion process according to claims 1 to 3, characterized in that, as known per se, of Combustion gases branched off from the flame tube at the inlet of the flame tube through a line (24) are introduced into the core of the air vortex (7), traverse this flame tube and discharged again at the outlet through line (22).

5. Incineration process according to claims 1 to 3, characterized in that at the outlet of the flame tube fresh air is introduced into the core of the air vortex (7).

6. Combustion process according to claims 1 to 4, characterized in that at the same time for feeding of combustion gases at the inlet of the flame tube still fresh air at the outlet of the flame tube is fed.

7. Combustion method according to claims 4 to 6, characterized in that that the introduction of combustion gases and fresh air depending on the flame tube load is carried out in such a way that fresh air at full load and at decreasing part load more and more combustion gases are introduced. B.

Combustion process according to claims 4 to 7, characterized in that the introduction of combustion gases and fresh air depending on the wall temperature of the Flame tube wall is carried out.

9. Combustion method according to claims 1 to 8, characterized in that in the rotating air flow (7) in addition to the Fuel provided for film application is still air-dispersed Fuel is supplied through line (24).

10. Implementation facility of the method according to claims 1 to 9, characterized in that the flame tube consists of a cylindrical tube, in the inlet area for the purpose of adapting the rotating air flow to the respective operating conditions known per se, Automatically adjustable air guide elements (guide vanes 8) for generating a Air swirls are arranged.

11. Facility for carrying out the procedure according to claims 1 to 9, characterized in that the flame tube is known per se Way consists of a hollow body with a round cross-section, the diameter this hollow body from the dimensions to the outlet is slightly conical at a cone angle decreases from about 7 °.

12. Device according to claims 1 to 11, characterized in that that in a manner known per se, seen in the direction of the longitudinal axis of the flame tube, behind the injection nozzle (3), consisting of an electrical spark gap External ignition source (5) an additional injection nozzle (auxiliary nozzle 6) with a large Beam scattering is upstream.

13. Device according to claims 1 to 12, characterized characterized in that, as known per se, coaxially around the flame tube (1) with radial A second hollow body (11) is arranged at a distance, whereby through the space (ring channel 12) some of the air is passed between the flame tube and the hollow body.

14. Establishment according to claims 1 to 13, characterized in that in the annular channel (12), such as known per se, a quantity adjustment element (13) is provided for the branched air stream is.

15. Device according to claims 1 to 14, characterized in that the Adjusting member (13) in a known manner by hand or automatically a thermostat (14) arranged on the flame tube wall electrically, pneumatically or hydraulically controlled.

16. Device according to claims 1 to 15, characterized in that the adjusting member consists of a stationary ring (15) provided with radial slots and an adjacent ring (16) also provided with slots, but rotatable, the rotatable ring ( 16) is actuated by the thermostat and by intermediate transmission elements (17, 18, 19).

17. Device according to claims 1 to 15, characterized in that the adjusting member (13) consists of rotatable guide vanes, the pin ends of which are designed as cranks each in a cam track of an adjusting ring mounted on the second cylinder (11) are led. Considered publications: German Patent Specifications No. 959 694, 892 096, 865 683, 853 535, 749 456, 730 691; German utility model No. 1777112; Swiss patents No. 324 502, 297140, 274 976, 260175, 241750, 230 332, 229 934, 214,477, 163 490; French patent specification No. 1011417, 348124; British Patent Nos. 700 672, 685 062, 621789; U.S. Patents No. 2,819,732, 2,654,997, 2,621,477, 2,110,209; Article by Z. Tamura and Y. Tanasawa in Seventh Symposium International on Combustion, London, Butterworths Scientific Publications, 1958, pp. 124-137.