DE1476785A1

DE1476785A1 - Verfahren und Einrichtung zur flammenlosen Verbrennung

Info

Publication number: DE1476785A1
Application number: DE19661476785
Authority: DE
Inventors: Kydd Paul Harriman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-03-11
Filing date: 1966-03-10
Publication date: 1969-10-23
Also published as: CH457974A; GB1118653A; US3309866A

Description

WU-66/Dr. v.B/E 1 A 7 6 7 8

G.E. I5D-383O (P.H. Kydd)

U.S. Serial No. 439,020

U.S. Filing Date March 11,1965

General Electric Company Schenectady N.Y. , V.St.A.

Verfahren und Einrichtung zur flammenlosen Verbrennung.

Die Erfindung betrifft die Verbrennung von Brennstoffen in der Gasphase, insbesondere Verfahren und Einrichtungen zur flamraenlosen Verbrennung in der Gasphase.

Bei der üblichen Anwendung einer Verbrennung ist die Ausbreitung einer Flamme erforderlich, was wiederum die Notwendigkeit mit sich bringt, daß in dem zu verbrennenden gasförmigen Stoff Mindesttemperaturen zwischen etwa 1000 und 1200 ⁰C herrschen müssen. Gastemperaturen dieser Höhe sind in der Praxis jedoch häufig unerwünscht. So liegt beispielsweise die höchstzulässige Einlaßtemperatur bei Gasturbinen beträchtlich unterhalb der Temperaturen, bei denen Kohlenwasserstoffe in einer Flamme verbrennen. Man hat daher bisher das Arbeitsmittel für eine Gasturbine in einem zweistufigen Verfahren erzeugt, wobei in einer Re-

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aktionsstufe der Brennstoff verbrannt und in einer Verdünnung sstufe die Temperatur der Verbrennungsprodukte auf die zulässige Einlaßtemperatur der Turbine herabgesetzt viurde. Durch diese Maßnahmen werden jedoch der Verbrennungsprozess und die Einrichtung zur Verbrennung unerwünscht kompliziert. Außerdem ist es zwar häufig wünschenswert, sehr verdünnte Brennstoffmischungen verbrennen zu können, z.B. anfallende Anfallprodukte, deren Heizwert nutzbar gemacht werden soll, bei konventionellen Gasturbinen können jedoch keine gasförmigen Brennstoffe schlechter Qualität verwendet werden, um DirektIeistung zu erzeugen.

Für die folgende Erläuterung der Erfindung sollen zuerst einige Fachausdrucke definiert werden:

Der Begriff "Rezirkulation" bedeutet die Kombination von heißem, im wesentlichen völlig verbrannten Gas innerhalb eines Gasturbinenbrenners mit einer Mischung aus Brennstoff und Luft, die in den Brenner eintreten, derart, daß zwischen ihnen eine sehr wirksame Mischung und ein Wärmeaustausch auftreten, um aus ihnen die Direkterzeugung von Leistung zu ermöglichen. Dieser Begriff ist zu unterscheiden von dem Verfahren, Luft heißen, unvollständig verbrannten Triebwerkabgasen oder Abgasen verschiedener industrieller Prozesse zuzusetzen.

Der Begriff "Gase" soll außer permanenten Gasen auch Dämpfe umfassen.

"Verbrennung" oder "Brennen" soll die Oxydation eines Brennstoffes zur Umsetzung seiner chemischen Energie in Wärmeenergie bedeuten.

Die Ausdrücke "Flamme " oder "Flamaienfront" sollen den dünnen Bereich bedeuten, der sich infolge der extrem hohen Geschwindigkeit der Verbrennungsreaktion innerhalb dieses Bereiches in eine brennbare Mischung aus Brennstoff und Luft ausbreiten kann. Für die Reaktionen in Flammenfronten ist es charakteristisch, daß sie in Zeitspannen von der Größenordnung von Millisekunden ablaufen.

"Flammenlose Verbrennung" soll die Erscheinung bedeuten, daß die Verbrenhungs- oder Oxydationsreaktionen, gleichförmig innerhalb des Volumens eines Brenners oder einer Brennkammer ablaufen. Dieser Verbrennungstyp kann mit Brennstoff-Luft-Verhältnissen erreicht werden, die außerhalb der gewöhnlichen Entflammbarkeitsgrenzen liegt und/oder mit Temperaturen des verbrannten Gases die zu niedrig sind, um eine sich von selbst ausbreitende Flammenfront unterhalten zu können. Die zeitliche Begren zung für die Durchführung der Reaktion entfällt also völlig.

Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, daß eine homogene Oxydation von verschiedenen Gasmischungen außerhalb der normalen Entflammbarkeitsgrenzen dieser Gase durchgeführt werden kann. Diese Untersuchungen betrafen insbesondere die Explosionsgrenzen von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd oder kühle Flammen und damit zusammenhängende

gleich Phänomene bei Kohlenwasserstoffen. Ob/Phänomene dieser Art

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bekannt sind, wurden sie bisher nicht für eine flammenlose Verbrennung in der Gasphase im Hinblick auf die Erzeugung von Leistung angewendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine anzugeben, die sich durch eine einfachere Konstruktion sowie wirtschaftlichere Bauweise und Arbeitsweise auszeichnet als die bisherigen Einrichtungen dieser Art.

Ferner sollen durch die Erfindung Bedingungen angegeben werden, unter denen sich eine wirtschaftliche flammenlose Verbrennung von nicht entflammbaren Gasmischungen mit Geschwindigkeiten durchführen läßt, die hoch genug sind, um den Anforderungen an Brenngaserzeuger von Gasturbinen zu genügen.

Diese und andere Ziele werden gemäß der Erfindung durch eine Gasturbinenkonstruktion erreicht, .bei der Brennstoff durch eine Niederdruckbrennstoffeinspritzeinrichtung, wie eine einfache Vergasereinheit, direkt in den Lufteinlaß eingeführt wird; die Mischung wird dann zuerst zu einem Kompressor oder Verdichter und dann radial nach außen durch einen Diffuser geleitet, um längs des inneren ümfanges eines toroidformigen Rezirkulationsbrenners einzutreten, wobei ein beträchtlicher Anteil der Energie in kinetischer Form erhalten bleibt und daher eine ausgeprägte Wirbelbewegung der Mischung resultiert. Das Eintreten der Mischung mit hoher Geschwindigkeit (mindestens etwa 30m/s oder 100 ft/s) in die Brennkammer fördert eine VeuBischung des eingespeisten Gases mit dem sich bereits in der Brennkammer befindlichen

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Gas und die Wirbelbewegung der eintretenden Gasmischung hält den ganzen Gasinhalt der Brennkammer in wirbelnder Bewegung. Durch diese beiden Mechanismen wird eine Rezirkulatiori bewirkt, während die ankommende Mischung dem in ähnlicher Weise kreisenden, praktisch völlig verbrannten Gas zugesetzt und mit diesem gründlich gemischt wird. Obwohl die zugeführte unverbrannte Gasmischung durch das verbrannte Gas beträchtlich verdünnt wird, setzt diese Verdünnung nur die Geschwindigkeit der Oxydation der gesamten Gasmischung im Verhältnis der Verdünnung herab, und da in der Gasmischung als ganzes ein sehr rascher Temperaturanstieg auftritt, der die Oxydationsgeschwindigkeit exponentiell ansteigen läßt, ergibt sich im Effekt ein beträchtlicher Anstieg der Oxydationsgeschwindigkeit, so daß bei einer Temperatur zwischen etwa 800 und 900 °C eine flammenlose Verbrennung der dünnen gesamten Gasmischung überall in der Brennkammer abläuft.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung von hier interessierenden Teilen einer bekannten Gasturbinenkonstruktion;

Pig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Gasturbinenkonstruktion, die eine Verbrennungseinrichtung gemäß der Erfindung enthält, bei der eine Mischung aus Luft und Brennstoff in den Brenner überall um seine innere Peripherie eintritt, sich wirbelartig fortbewegt, wie es durch Pfeile angedeutet ist, gründlich mit den

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heißen herumwirbelnden verbrannten Gasen gemischt und von diesen erhitzt wird und mit hoher Geschwindigkeit oxydiert, ohne daß die Erzeugung oder Aufrechterhaltung einer Flammenfr ont nötig wäre und

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Gasturbine mit einem Brenner gemäß der Erfindung in Korabination mit einer einfachen, Niederdruckbrennstoff injektionsanordnung.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Gasturbine ist bekannt (siehe z.B. US-Patentschrift Nr. 2,601,000). Ein in der Mitte angeordneter Verdichter 11 saugt reine Luft L an, verdichtet sie und fördert die verdichtete Luft durch einen ringförmigen Diffuser 13 in eine ringförmige Anfüllkammer 12. Innerhalb der Anfüllkammer 12 befindet sich eine Anzahl einzelner Brennereinsätze oder -einheiten 14, die in Umfangsrichtung der Kammer 12 in Abständen voneinander angeordnet und mit ihren Auslässen an den Umfang eines ringförmigen Düsenkastens einer Turbine 17 angeschlossen sind. Die verdichtete Luft in der Kammer 12 tritt durch Löcher in die Brennereinsätze 14 ein, in die außerdem durch eine Düse 19 Brennstoff eingespritzt wird. Die Brennstoff-Luft-Mischung wird durch eine Zündeinrichtung, z.B. eine Zündkerze 21, entzündet. Innerhalb eines Brennereinsatzes 14 werden also zwei Zonen gebildet und aufrecht erhalten, nämlich eine Primärzone 20 angrenzend an die Brennstoffdüse 19,

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In der eine turbulente Strömung herrscht, die zur Erhaltung einer -Flame dient, und eine Sekundärzone 20, in der den heißen Verbrennungsgasen kühlere Luft zugemischt wird, so dafl die Verbrennungegase auf eine Temperatur abgekühlt werden, die der.EiJiIaB der Turbine verträgt. Bei einer solchen Konstruktion muß eine Flammenfront aufrechterhalten werden und die Verbrennung hört auf« wenn die Flamme ausgeblasen wird.

Da die Temperatur, die für die in die Turbine eintretenden Verbrennungsprodukte zulässig ist« beträchtlich niedriger liegt als die Temperatur der Gase in der PrlmKrzone, 1st es schwierig, eine gleichförmige Temperaturvertellung an Turbineneinlaß aufrecht zu erhalten. Sine ungleichförmige Temperaturvertellung am Turbineneinlaß setzt aber den Betriebewirkungsgrad des Kraftwerkes herab.

Im Gegensatz zu dieser konventionellen Brennerkonstruktion, bei der.der Brennstoff direkt in die Brennereinheit selbst eingeführt werden muß, um die erforderliche Flammenfront aufrecht zu erhalten, und bei dem als Folge davon In der Brennereinheit beträchtliche Temperaturgradienten auftreten, wird bei der Erfindung eine gleichförmige Temperaturverteilung am Turbineneinlaß durch eine flammenlose Verbrennung in der Brennereinheit erreicht, wobei die Verbrennungsreaktion mit hoher Geschwindigkeit abläuft, dies jedoch bei einer Temperatur In allen Teilen der Brenner-

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einheit, die höchstens gleich der Turbineneinlaßtemperatur ist. Infolge dieses Merkmals ist eine höhere Turbineneinlaßtemperatur zulässig und/oder die Lebensdauer der Turbine wird entsprechend erhöht.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die dargestellte Rezirkulationsgasturbine enthält einen Axialverdichter 31, der eine Luft-Brennstoffmischung (z.B. von einem nichtdargestellten einfachen Vergaser) mit niedrigem Druck ansaugt, den Druck auf den Betriebsdruck erhöht und die verdichtete Mischung Über einen Diffuserabschnitt 32 in eine Brennkammer 33 fördert, die toroidförmig ausgebildet ist. Vorzugsweise verlaufen der Einlaß für die zugeführte Gasmischung und der Auslaß für die Verbrennungsgase zur Turbine J>h tangential zu der gekrümmten Wand 35 der Brennkammer 33. Um eine dauernde Wirbelbewegung der zugeführten Mischung zu gewährleisten, reicht eine ringförmige Platte 36 als Fortsetzung des Diffuserabschnittes 32 wie dargestellt in das Innere der Brennkammer 33. Die Rezirkulationswirkung, also aas Mischen der zugeführten Mischung mit den verbrannten Gasen, wird durch die Anordnung von Löchern 37 gefördert, die im Abstand längs des Innenumfanges der ringförmigen Platte 36 vorgesehen sind. Da sich die Löcher 27 angrenzend an einen Bereich 32a niederen Druckes befinden und der äußere Umfang der Platte 36 mit der Wand 35 der Brennkammer 33 eine Zone höheren Drucks 32b begrenzt, ist ein Druckunterschied vorhanden, der die

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Rezirkulation sehr lebhaft fördert und die Geschwindigkeit der flaffimenlosen Verbrennung auf den für die Erzeugung von Leistung erforderlichen Wert bringt.

Bei der beschriebenen Anordnung wird eine ankommende Luft-Brennstoffmischung verdichtet und dem Brenner zugeführt. Die zugeführte, verdichtet Mischung hat je nach dem Verdichtungsverhältnis gewöhnliche eine Temperatur im Bereich von etwa 100 bis etwa 350 ⁰C. Wenn die ankommende Mischung mit den praktisch völlig verbrannten Gasen, die immer noch in der Brennkammer 33 kreisen, in Berührung kommt, tritt eine gründliche Mischung (Rezirkulation) der wirbelnden ankommenden Mischung und der wirbelnden verbrannten Gase ein. Diese Rezirkulation hat einen schnellen Anstieg der Temperatur, der nun verdünnten zugeführten Mischung zur Folge. Mit dem Temperaturanstieg setzt eine Oxydationsreaktion ein, gewöhnlich bei etwa 550 ⁰C und darüber, und beim weiteren Anstieg der Temperatur schreitet die flammenlose Verbrennung bei Temperaturen im Bereich zwischen 8OO und 900 ⁰C rasch fort.

Bei dieser Art der Verbrennung ist die Aufrechterhaltung einer Plammenfront nicht nötig, so daß die damit verknüpften Schwierigkeiten vermieden und Brenner wesentlich einfacherer Konstruktion verwendet werden können. Wie bei den üblichen Gasturbinen wird beim Anfahren der Einheit zum Betrieb des Verdichters eine Hilfskraftquelle verwendet.

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Wenn es auch im allgemeinen vorteilhaft ist, in der Brennkammer 35 eine Zündeinrichtung vorzusehen, z.B. eine kombinierte Brennstoffdüsen-Zündkerzen-Einheit 38, so kann doch der Betrieb dieser Einheit gleich unterbrochen werden, wenn sich in der Brennkammer 33 genügend heißes, verbranntes Gas gebildet hat, um eine effektive Rezirkulation zur Einleitung einer normalen flammenlosen Verbrennung zu gewährleisten. Gewtlnsentenfalls kann die Brennkammer 33 auch gegen Wärmeverluste isoliert werden, um die Brennstoffmenge herabzusetzen, die erforderlich ist, um eine bestimmte Temperatur der verbrannten Gase aufrecht zu erhalten.

Bei einer ohne Flamme arbeitenden Verbrennungseinrichtung, die für eine wirkungsvolle Rezirkulation konstruiert und/oder geformt ist, und die mit Kohlenwasserstoffbrennstoffen bei einer Temperatur der verbrannten Gase von etwa 900 °C arbeitet, kann das in der Verbrennungseinrichtung erforderliche Volumen aufgrund der Tatsache errechnet werden, daß die erforderliche Verweilzeit in der Verbrennungseinrichtung zwischen etwa 0,5 und etwa 0,1 Sekunden liegt und daß diese Werte im wesentlichen unabhängig vom Druck sind.

Die Ausgangsleistung einer verbesserten Gasturbine der hier beschriebenen Art läßt sich wie bei Kolbenbrennkraftmaschinen durch Drosseln steuern. Diese Steuerung läßt sich leicht durchführen und ergibt einen besseren

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Teillastbetrieb, da die Verdichter- und Turbinenverluste bei verringertem Durchsatz abnehmen und da die Turbineneinlaßtemperatur konstant gehalten wird. Der Druckabfall im Verbrennungsteil der Gasturbine ist vernachlässigbar, da es nicht länger erforderlich ist, die Verbrennungsprodukte mit Luft zu verdünnen, um ihre Temperatur am Turbineneinlaß herabzusetzen, wie es bei einer Verbrennung mit Flamme üblich ist.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die dargestellte Oasturbine 40 enthält eine Läuferscheibe 41, die sowohl zu einem Zentrlfugalverdich-

auch
ter 42 als/zu einer Turbine 43 mit radialem Einlaß gehört.

Die erzeugte Leistung wird durch eine Welle 4 zu einem nichtdargestellten Verbraucher übertragen. Bei einer solchen Konstruktion erfolgt die Kühlung der Turbine 4^ zum Teil mittels Wärmeleitung durch die Scheibe 4l in Richtung auf die Verdichterseite und zum Teil durch den Luftstrom, der über eine äußere Turbinenabdeckscheibe 43 strömt, wie durch Pfeile angedeutet ist. Diese Art der Kühlung erlaubt relativ hohe Turbineneinlaßtemperaturen. Eine zusätzliche Kühlung kann dadurch erreicht werden, daß man der durch einen Einlaß 47 einströmenden Luft direkt flüssigen Brennstoff anstatt gasförmigen Brennstpffes, z.B. mittels eines Vergasers 48, zusetzt. Bei dieser Art der Brennstoffzuführung braucht man keine HochdruoksprUhdüsen, wie sie normalerweise bei den gewöhnlichen Gasturbinen verwendet werden, und man erreicht

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den zusätzlichen Vorteil, daß die angesaugte Luft durch den verdampfenden Brennstoff vorgekuhlt wird und dementsprechend höhere Druckerhöhungsverhältnisse mit einfaohen Verdichtern und weniger Verdichterleistung verwendet werden können. Ein derartiges Zusetzen flüssigen Treibstoffes unterstützt auch die Ableitung von Wärme, die von der Turbine durch die Lauferscheibe 41 hindurch übertragen wurde, ohne daß dadurch die Punktion des Verdichters beeinträchtigt wird. GewUnschtenfalls kann in die angesaugte Brennstoff-Luft-Mischung auch noch Wasser eingespritzt werden, um die beschriebenen Vorteile optimal ausnutzen zu können.

Die verdichtete Brennstoff-Luft-Mischung strömt·' vom Verdichter 42 in einen Rezirkulationsbrenner 49. Pur das Entstehen und die Aufrechterhaltung einer Rezirkulationsströmung sind sowohl Porm als auch Volumen des Brenners 49 wichtig. Das Volumen des Brenners 49 ist bei vergleichbaren Liftdurchsätzen größer als das konventioneller Brenner.

Die für die Erzeugung und Aufrechterhaltung der Rezirkulation erforderliche Strömungsverteilung wird weitgehend durch die Konstruktion eines Diffusere 51 bestimmt, der der Brennstoff-Luft-Mischung genügend kinetische Energie beläßt, um nach im wesentlichen tangentialem Eintre* ten in den Brenner 49 dessen Inhalt in wirbelnder Bewegung zu halten. Die Wirbelwirkung gewährleistet wie bei dem anhand von Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Re-

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Zirkulationswirkung, wobei die zugeführte Brennstoff-Luft-Mischung gründlich mit den heißen, im wesentlichen vollständig oxydierten Gasen gemischt wird und hierauf die flammenlose Verbrennung fortschreitet. Selbstverständlich können weitere Maßnahmen zur Förderung der Rezirkulation vorgesehen sein, wie^ bei der Beschreibung des in Pig. dargestellten Ausführungsbeispiels erwähnt wurde.

Zum Anfahren wird der Verdichter durch einen Anlasser angetrieben und dem Brenner 49 wird bei geeigneter Einstellung einer nicht näher bezeichneten Drosselklappe eine reichere Brennstoff-Luft.Mischung zugeführt. Diese reichere Mischung wird mit der Zündkerze 52 oder einer wirkungsgleichen Zündanordnung gezündet, so daß im Brenner 49 heiße verbrarmte Gase entstehen. Die eintretende Brennstoff-Luft-Mischung wird sich dann mit den verbrannten Gasen wie bei einem gut umgerührten Reaktionsgefäß gründlich mischen und dabei wird die flammenlose Verbrennung in der oben beschriebenen Weise einsetzen. Die Zündkerze 52 wird dann nicht benötigt und der Brennstoffgehalt des Gemisches wird für den normalen Betrieb etwas ärmer eingestellt.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eignet sich besonders für die Verwendung von flüssigen Brennstoffen, während das Ausführungsbeispiel der Pig. 2 vorzugsweise für gasförmige Brennstoffe verwendet wird, z.B. Gase geringer Qualität, wie sie als Abfallprodukte anfallen. Solche Gase geringer Qualität vermögen keine

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richtige Flamme 201 bilden und erst die vorliegende Erfindung ermöglicht durch die erfolgreiche Verwendung einer flammenlosen Verbrennung wie diese Energiequelle zur direkten Erzeugung von Leistung auszunutzen.

Bei beiden dargestellten Ausführungsbeispielen (Pig. 2 und 3) können Gase geringer Qualität als Brennstoff verwendet und mit einer Oxydationstemperatur, die schließlich etwa 800 bis 900 ⁰C beträgt, verbrannt werden. Bei diesen Temperaturen beträgt die Geschwindigkeit der Wärme-

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erzeugung größenordnungsmäßig 3 χ 10 BTU/hr.cu.ft. bei 1 Atmosphäre; bei höheren Drücken ist sie entsprechend größer. Da die sich bei der flammenlosen Verbrennung ergebende Temperatur der Turbineneinlaßtemperatur entspricht, sind keine Einsätze oder Ausfütterungen erforderlich, um die Verbrennungsprodukte vor ihrer Zuführung zur Turbine durch Luftzusatz zu verdünnen. Durch die Erfindung kann auch die bisher erforderliche getrennte Verdichtung von Brennstoff und Luft entfallen, wie es bei der Verwendung von gasförmigen Brennstoffen in den Üblichen Gasturbinen bisher nötig war und die bei der Erfindung vor der Verdüitung möglicheMischung von Brennstoff und Luft erlaubt ohne Explosionsgefahr eine gleichförmigere Mischung herzustellen, da diese Mischungen genügend außerhalb der Entflammbarkeitsgrenzen liegen.

Es ist selbstverständlich auch möglich, Brennstoffe zu verwenden, die schon unter erhöhtem Druck stehen,

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sehr heiß oder sehr unrein sind. In solchen Fällen würde es unwirtschaftlich oder unzweckmäßig sein, solche Brennstoffe durch den Verdichter strömen zu lassen und die Er-

auch

findung 1st anpassungsfähig genug, um/eine Verwendung solcher Brennstoffe zu ermöglichen, in dem diese unter geeignetem Druck beim Diffuser in das System eingespeist wer« den, von wo sie durch die verdichtete Luft mit hoher Geschwindigkeit in den Brenner geführt und dort flammenlos verbrannt werden. In speziellen Fällen, wo eine Abzapfung von reiner Luft aus dem Verdichter gefordert wird, z.B. zur Druckerzeugung in einer Flugzeugkabine, können ähnliche Maßnahmen erforderlich sein.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung besteht in der Verbrennung von schwach verunreinigtem Gas, wie es z.B. bei einem Kraftwerk der Fall ist, das mit einer Kohlevergasungsanifege kombiniert 1st. Ein ernstes technisches Problem beider Entwicklung solcher kombinierter Anlagen bestand bisher darin, daß beim Verbrennen der ziemlich reinen Abgase des Gaserzeugers in einer üblichen Gasturbinenanlage die entstehende Rückstandsasche kurzzeitig auf ihren Schmelzpunkt erhitzt wird (nämlich während der Verbrennung und vor der Verdünnung der Verbrennungsprodukte zu ihrer Abkühlung auf die Turbineneinlaßtemperatür), und die Asche sich dann in diesem Zustand auf den Innenflächen der Anlage ablagerte. Die Ascheablagerungen brechen dann später in

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großen Stücken ab, die zu.schweren Beschädigungen der Turbine führen können. Wenn solche nicht ganz reinen Abgase durch flammenlose Verbrennung oxydiert werden, kann die Temperatur in der Brennkammer nicht über die Turbineneinüaßtemperatur ansteigen, so daß die Asche nicht erweicht wird und keine störenden Ablagerungen und spätere Ablösungen auftreten können. . _t

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Claims

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Patentansprüche.

Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffes zur Leistungserzeugung, insbesondere für eine Gasturbine,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus verdichtetem Brennstoff und verdichteter Luft in eine toroidförmige Brennkammer (33,49) eingeleitet w?".rd, daß die eingeleitete Mischung mit. heißen, im wer.e ulichen verbrannten Gasen in der Brennkammer gemischt und die gesamte Gasmischung über die Oxydationstemperatur der Brennstoffkomponente erhitzt wird, um eine flammenlose Verbrennung aufrecht zu erhalten, und daß die Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer einem Turbinenläufer (34, 46) zum Antrieb zugeleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung aus verdichtetem Brennstoff und verdichteter Luft in das toroidförmige Brennkammergehäuse mit einer Geschwindigkeit von mindestens 30 m/s (100 ft/s) eingeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der verbrannten Gase auf einem Wert unter 1000 ⁰C

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gehalten wird, so daß keine Flammenfront unterhalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichne ti daß eine nicht entflammbare Mischung aus Brennstoff und Luft verwendet wird, die keine Flammenfront zu unterhalten vermag.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsdauer größer als etwa 0,01 Sekunden ist, so daß keine Flammenfront unterhalten werden kann.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rezirkulation der zugeführten Mischung mit den heißen, im wesentlichen verbrannten Gasen erzeugt wird, um die gesamte Gasmischung zu erhitzen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit jedes Teiles der Strömung der gesamten Gasmischung in der Brennkammer mindestens etwa 0,01 Sekunden beträgt, um eine vollständige flammenlose Verbennung zu ermöglichen.

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8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Verdichter« der am (Anfang einen Auslaß aufweist, und mit einem Brennstoffinjektor, der an einen Lufteinlaß des Verdichters angeschlossen ist« gekennzeichnet durch die Kombination eines toroidförmigen Brennkammergehäuses (33* ^9)# in dem die verdichtete Brennstoff-Luft-Mischung mit heißen, im wesentlichen verbrannten Oasen in Berührung kommen kann, einem ersten hohlen Kanal (32, 51) der mit dem Verdichter (3I, 42) und dem Brennkammergehäuse (33, 39) in Verbindung steht und so geformt ist, daß die verdichtete Brennstoff-Luftmischung mit hoher Geschwindigkeit und radialer Richtung in das Gehäuse eintritt, und einem zweiten hohlen Kanal, der mit dem Gehäuse und einem Turbineneinlaß (34) in Verbindung steht und so geformt ist, daß er diesem aufgenommene Abgase radial zuführt.
9· Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff injektor ein Vergaser (48) 1st.
10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennkammergehäuse (33, 49) einen hohlen Metallmantel enthält, dessen Querschnitt in jeder Ebene, die in Draufsicht radial

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zu dem Torus verläuft, im wesentlichen kreisförmig ist, und daß die gekrümmte Innenwand (35) des Brennkammergehäuses im wesentlichen frei von Hindernissen ist, um eine Rezirkulation zu fördern.
11. Einrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (32, 42) die Brennstoff-Luft-Mischung im wesentlichen tangential in die Brennkammer einleitet.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9*10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in das Innere der Brennkammer (33) eine ringförmige Platte (36) reicht, um deren Innenumfang in einem Bereich (32a) relativ niedrigen Druckes Löcher (37) vorgesehen sind.

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