DE19510743A1

DE19510743A1 - Combustion chamber with two stage combustion

Info

Publication number: DE19510743A1
Application number: DE19510743A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Althaus; Jakob J Prof Dr Keller
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-02-20
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 1996-09-26
Also published as: JPH08247419A; EP0727611A1

Abstract

The combustion chamber comprises at least one primary burner (110) of pre-mixture design. Fuel is intensively mixed with combustion air prior to ignition by sprays (117) which spray fuel into the inside of the pre-mixing chamber (130). The primary burners are formed to be flame stabilising without mechanical flame holders. The primary burner is equipped with tangential in-flows of combustion air into the pre-mixing chamber. A secondary burner (150) is provided downstream from the pre-combustion chamber (61). The secondary burner is formed so as not to be self operating.

Description

Technical field

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer mit zweistufiger Verbrennung, mit mindestens einem Primärbrenner der Vor mischbauart, bei dem innerhalb eines Vormischraumes der über Düsen eingespritzte Brennstoff vorgängig der Zündung mit der Brennluft intensiv vermischt wird, und mit mindestens einem Sekundärbrenner, der stromabwärts einer Vorbrennkammer ange ordnet ist.The invention relates to a two-stage combustion chamber Combustion, with at least one primary burner from the pre Mixed design, in which the over Fuel injected prior to ignition with the nozzle Combustion air is mixed intensively, and with at least one Secondary burner, the downstream of a pre-combustion chamber is arranged.

State of the art

Die Verbrennung mit der größtmöglichen Luftüberschußzahl, - einmal dadurch gegeben, daß die Flamme überhaupt noch brennt und im weiteren dadurch, daß nicht zuviel CO entsteht - vermindert nicht nur die Schadstoffmenge an NO_x, sondern bewirkt darüberhinaus auch die Tiefhaltung anderer Schadstoffe, nämlich von CO und von unverbrannten Kohlen wasserstoffen. Dies erlaubt die Wahl einer größeren Luft überschußzahl, wobei dann zwar zunächst größere Mengen CO entstehen, diese aber zu CO₂ weiter reagieren können, so daß schließlich die CO-Emissionen gering bleiben. Anderer seits aber bildet sich wegen des großen Luftüberschusses nur wenig zusätzliches NO. Da in einer Brennkammer für beispielsweise Gasturbinen in der Regel eine größere Anzahl Brenner angeordnet sind, werden bei der Lastregelung jeweils nur soviele Elemente mit Brennstoff betrieben, daß sich für die jeweilige Betriebsphase (Start, Teillast, Vollast) die optimale Luftüberschußzahl ergibt.Combustion with the largest possible excess of air, given that the flame is still burning at all and furthermore that not too much CO is produced, not only reduces the amount of NO _x pollutants, but also lowers other pollutants, namely CO and from unburned hydrocarbons. This allows the choice of a larger excess air number, in which case initially larger amounts of CO arise, but these can react further to CO₂, so that ultimately the CO emissions remain low. On the other hand, due to the large excess of air, little additional NO is formed. Since a larger number of burners are usually arranged in a combustion chamber for gas turbines, for example, only so many elements are operated with fuel in the load control that the optimum excess air number results for the respective operating phase (start, part load, full load).

Um eine verläßliche Zündung des Gemischs in der nachge schalteten Brennkammer und einen genügenden Ausbrand zu erzielen, ist eine innige Mischung des Brennstoffs mit der Luft erforderlich. Eine gute Durchmischung trägt auch dazu bei, sogenannte "hot spots" in der Brennkammer zu vermeiden, die unter anderem zur Bildung des unerwünschten NO_x führen. Aus diesem Grund werden zunehmend zweistufige Brennkammern mit Vormischbrennern der eingangs genannten Art in der Primärstufe eingesetzt.In order to achieve reliable ignition of the mixture in the downstream combustion chamber and sufficient burnout, an intimate mixture of the fuel with the air is required. A good mixing also helps to avoid so-called "hot spots" in the combustion chamber, which among other things lead to the formation of the undesired NO _x . For this reason, two-stage combustion chambers with premix burners of the type mentioned at the outset are increasingly being used in the primary stage.

Die einstufigen Brennkammern mit Vormischbrennern weisen nämlich die Unzulänglichkeit auf, daß zumindest in den Betriebszuständen, in denen nur ein Teil der Brenner mit Brennstoff betrieben wird, oder bei denen die einzelnen Brenner mit einer verringerten Brennstoffmenge beaufschlagt werden, nahe an die Grenze der Flammenstabilität gestoßen wird. In der Tat wird die Löschgrenze aufgrund des sehr mageren Gemisches und der sich daraus ergebenden niedrigen Flammentemperatur bei typischen Gasturbinenbedingungen schon bei einer Luftüberschußzahl von etwa 2,0 erreicht.The single-stage combustion chambers with premix burners feature namely the inadequacy that at least in the Operating states in which only part of the burner with Fuel is operated, or where the individual Burner charged with a reduced amount of fuel are pushed close to the limit of flame stability becomes. In fact, the deletion limit is due to the very lean mixture and the resulting low Flame temperature in typical gas turbine conditions, yes reached at an excess air ratio of about 2.0.

Diese Tatsache führt zu einer relativ komplizierten Fahr weise der Brennkammer mit entsprechend aufwendiger Regelung. Eine andere Möglichkeit, den Betriebsbereich von Vormisch brennern zu erweitern, wird in der Stützung des Brenners mittels einer kleinen Diffusionsflamme gesehen. Diese Pilot flamme erhält ihren Brennstoff rein, oder zumindest schlecht vorgemischt, was einerseits zwar zu einer stabilen Flamme führt, andererseits jedoch die für Diffusionsverbrennung typischen hohen NO_x-Emissionen zur Folge hat. This fact leads to a relatively complicated driving, the combustion chamber with a correspondingly complex regulation. Another way of expanding the operating range of premix burners is to support the burner with a small diffusion flame. This pilot flame receives its fuel pure, or at least poorly premixed, which on the one hand leads to a stable flame but on the other hand results in the high NO _x emissions typical of diffusion combustion.

Presentation of the invention

Die Erfindung versucht all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine emissionsarme Sekundärverbrennung zu schaffen.The invention tries to avoid all these disadvantages. your the underlying task is a low-emission To create secondary combustion.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Pri märbrenner ein flammenstabilisierender Vormischbrenner ohne mechanischen Flammenhalter ist, mit zumindest annähernd tan gentialer Einströmung der Brennluft in den Vormischraum, und daß der Sekundärbrenner ein nicht selbstgängiger Vormisch brenner ist.According to the invention this is achieved in that the Pri märbrenner a flame stabilizing premix burner without mechanical flame holder is, with at least approximately tan potential inflow of the combustion air into the premixing room, and that the secondary burner is a non-self-sufficient premix is burner.

Solche flammenhaltende Vormischbrenner können beispielsweise die Brenner der sogenannten Doppelkegelbauart sein, wie sie aus der EP-B1-0 321 809 bekannt sind und später zu Fig. 1 bis 3B beschrieben werden. Der Brennstoff, dort Gas, wird in den tangential verlaufenden Eintrittsspalten in die vom Ver dichter heranströmende Verbrennungsluft über eine Reihe von Injektordüsen eingespritzt. Diese sind in der Regel über die ganzen Spalte gleichmäßig verteilt.Such flame-holding premix burners can be, for example, the burners of the so-called double-cone type, as are known from EP-B1-0 321 809 and are described later in relation to FIGS . 1 to 3B. The fuel, there gas, is injected in the tangential inlet gaps into the combustion air flowing in from the compressor through a series of injector nozzles. These are usually evenly distributed across the entire column.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere in einer NO_x-neu tralen Sekundärverbrennung zu sehen.The advantage of the invention can be seen in particular in a NO _x -neutral secondary combustion.

Dadurch, daß die Brenner bei sehr magerem Gemisch betriebs fähig bleiben, kann auch die Regelung insofern vereinfacht werden, als beim Belasten und Entlasten der Brennkammer Luftzahlbereiche durchquert werden können, die mit der bis herigen Vormischverbrennung in der Regel nicht durchfahren werden konnten, ohne daß mit separaten Mitteln ein Löschen der Flamme vermieden werden muß. Because the burner operates with a very lean mixture remain capable, the regulation can also be simplified than when loading and unloading the combustion chamber Air number ranges can be traversed with the up As a rule, do not go through the previous premix combustion could be without deleting with separate means the flame must be avoided.

Brief description of the drawing

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Ringbrennkammer für eine Gasturbine schematisch dargestellt.In the drawing is an embodiment of the invention schematically using an annular combustion chamber for a gas turbine shown.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Brennkammer; Fig. 1 shows a partial longitudinal section of a combustion chamber;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch die Brennkammer;2 shows a partial cross-section through the combustion chamber.

Fig. 3A einen Querschnitt durch einen Vormischbrenner der Doppelkegel-Bauart im Bereich seines Aus tritts; FIG. 3A is a cross-sectional view of a premixing burner of the double-cone type from the region of its passage;

Fig. 3B einen Querschnitt durch denselben Vormisch brenner im Bereich der Kegelspitze; Figure 3B is a cross section through the same premixing burner in the region of the cone apex.

Fig. 4 einen Teillängsschnitt einer Brennkammer variante. Fig. 4 shows a partial longitudinal section of a combustion chamber variant.

Fig. 5 ein Schaubild Temperatur längs der Brennkammer-Erstreckung;
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die vollständige Brennkammer und deren Zuordnung zu einer Anlage, die Brennstoffbereitstellung, die Regeleinrichtungen und dergleichen. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet. Fig. 5 is a graph showing temperature along the combustion chamber-extension;
Only the elements essential for understanding the invention are shown. For example, the complete combustion chamber and its assignment to a system, the fuel supply, the control devices and the like are not shown. The direction of flow of the work equipment is indicated by arrows.

Way of carrying out the invention

In Fig. 1 ist mit 50 ein ummanteltes Plenum bezeichnet, wel ches in der Regel die von einem nicht dargestellten Verdich ter geförderte Verbrennungsluft aufnimmt und einer ringför migen Brennkammer 60 zuführt. Diese Brennkammer ist zweistu fig ausgebildet und besteht im wesentlichen aus einer Vor brennkammer 61 und einer stromabwärts gelegenen Hauptbrenn kammer 62, welche beide mit einer Brennkammerwand 63 umman telt sind. In Fig. 1, 50 is a coated plenum, wel ches usually the ter conveyed by a compressor, not shown, receives combustion air and feeds a ring-shaped combustion chamber 60 . This combustion chamber is two-stage design and consists essentially of a front combustion chamber 61 and a downstream main combustion chamber 62 , both of which are surrounded by a combustion chamber wall 63 .

Auf die Vorbrennkammer 62, die sich am Kopfende der Brenn kammer 60 befindet und deren Brennraum durch eine Front platte 54 begrenzt ist, ist ein ringförmiger Dom 55 aufge setzt. In diesem Dom ist ein Brenner 110 so angeordnet, daß der Brenneraustritt zumindest annähernd bündig ist mit der Frontplatte 54. Die Längsachse 51 des Primärbrenners 110 verläuft koaxial zur Längsachse 52 der Brennkammer 60. Über den Umfang verteilt ist eine Mehrzahl von solchen Brennern 110 nebeneinander auf der kreisringförmigen Frontplatte 52 angeordnet (Fig. 2). Über die an ihrem äußeren Ende gelochte Domwandung strömt die Verbrennungsluft aus dem Plenum 50 in das Dominnere und beaufschlagt die Brenner. Der Brennstoff wird dem Brenner über eine Brennstofflanze 120 zugeführt, welche die Dom- und die Plenumwand durchdringt.On the pre-combustion chamber 62 , which is located at the top of the combustion chamber 60 and the combustion chamber is limited by a front plate 54 , an annular dome 55 is set up. A burner 110 is arranged in this dome in such a way that the burner outlet is at least approximately flush with the front plate 54 . The longitudinal axis 51 of the primary burner 110 runs coaxially with the longitudinal axis 52 of the combustion chamber 60 . Distributed over the circumference, a plurality of such burners 110 are arranged next to one another on the annular front plate 52 ( FIG. 2). The combustion air flows from the plenum 50 into the interior of the dome and acts on the burners via the dome wall perforated at its outer end. The fuel is fed to the burner via a fuel lance 120 which penetrates the dome and plenum walls.

In der Ebene, in welcher die Vorbrennkammer 61 in die Haupt brennkammer 62 übergeht, ist eine Anzahl von Sekundärbren nern 150 angeordnet. Hierbei handelt es sich ebenfalls um Vormischbrenner. Deren Längsachse 53 verläuft senkrecht zur Längsachse des Primärbrenners 110.In the plane in which the pre-combustion chamber 61 merges into the main combustion chamber 62 , a number of secondary burners 150 are arranged. These are also premix burners. Its longitudinal axis 53 runs perpendicular to the longitudinal axis of the primary burner 110 .

Auch diese Sekundärbrenner sitzen auf einer Frontplatte 74 und sind von einem ringförmigen Dom 75 umgeben. In diesem Dom ist der Brenner 150 so angeordnet, daß der Brenneraus tritt 158 zumindest annähernd bündig ist mit der Frontplatte 74. Über den Umfang verteilt ist eine Mehrzahl von solchen Brennern 150 nebeneinander auf der ringförmigen Frontplatte 74 angeordnet (Fig. 2). Über die an ihrem äußeren Ende gelochte Domwandung strömt die Verbrennungsluft aus dem Plenum 50 in das Dominnere und beaufschlagt die Brenner. Der Brennstoff wird dem Brenner über eine Brennstofflanze 121 zugeführt, welche die Dom- und die Plenumwand durchdringt.These secondary burners also sit on a front plate 74 and are surrounded by an annular dome 75 . The burner 150 is arranged in this dome in such a way that the burner outlet 158 is at least approximately flush with the front plate 74 . Distributed over the circumference, a plurality of such burners 150 are arranged side by side on the annular front plate 74 ( FIG. 2). The combustion air flows from the plenum 50 into the interior of the dome and acts on the burners via the dome wall perforated at its outer end. The fuel is fed to the burner via a fuel lance 121 which penetrates the dome and plenum walls.

Der Abstand der Sekundärbrenner zur Austrittsebene 118 der Primärbrenner beträgt etwa einen Brennerdurchmesser. Die Austrittsebene 158 des Sekundärbrenners ist gegenüber der Brennkammerwand 64 zurückversetzt.The distance between the secondary burners and the exit plane 118 of the primary burners is approximately one burner diameter. The exit plane 158 of the secondary burner is set back with respect to the combustion chamber wall 64 .

Im in Fig. 2 gezeigten Fall ist jeweils eine gleiche Anzahl, hier 30 Stück, von Primärbrennern 110 und Sekundärbrennern 150 über dem Umfang angeordnet, wobei deren Achsen um eine halbe Teilung in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind. Diese Anzahl und Anordnung ist jedoch nicht zwingend.In the case shown in FIG. 2, an equal number, here 30 pieces, of primary burners 110 and secondary burners 150 are arranged over the circumference, their axes being offset by half a division in the circumferential direction. However, this number and arrangement is not mandatory.

Bei den in Fig. 1, 2, 3A und 3B schematisch dargestellten Vormischbrennern 110 und 150 handelt es sich jeweils um einen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er weiter oben bereits erwähnt wurde und beispielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Im wesentlichen besteht er aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern 111, 112, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen 113, 114 der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper bilden in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze 119 für die Verbrennungsluft, die auf diese Weise in das Brenne rinnere gelangt. Dort ist eine erste Brennstoffdüse 116 für flüssigen Brennstoff angeordnet. Der Brennstoff wird in einem spitzen Winkel in die Hohlkegel eingedüst. Das entste hende kegelige Brennstoffprofil wird von der tangential einströmenden Verbrennungsluft umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes fortlaufend infolge der Vermischung mit der Verbrennungsluft abgebaut. Im Beispielsfall wird der Brenner ebenfalls mit gasförmigem Brennstoff betrieben. Hierzu sind im Bereich der tangen tialen Schlitze 119 in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen 117 vorgese hen. Im Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft somit bereits in der Zone der Eintritts schlitze 119. Es versteht sich, daß auf diese Weise auch ein Mischbetrieb mit beiden Brennstoffarten möglich ist. The pre-mixing burners 110 and 150 shown schematically in FIGS. 1, 2, 3A and 3B are each a so-called double-cone burner, as was already mentioned above and is known, for example, from EP-B1-0 321 809. It essentially consists of two hollow, conical partial bodies 111 , 112 which are nested one inside the other in the direction of flow. The respective central axes 113 , 114 of the two partial bodies are offset from one another. The adjacent walls of the two partial bodies form tangential slots 119 for the combustion air in their longitudinal extent, which in this way reaches the interior of the combustion chamber. A first fuel nozzle 116 for liquid fuel is arranged there. The fuel is injected into the hollow cone at an acute angle. The resulting conical fuel profile is enclosed by the combustion air flowing in tangentially. The concentration of the fuel is continuously reduced in the axial direction due to the mixing with the combustion air. In the example, the burner is also operated with gaseous fuel. For this purpose, in the region of the tangential slots 119 in the walls of the two partial bodies, gas inflow openings 117 distributed in the longitudinal direction are provided. In gas operation, the mixture formation with the combustion air thus begins in the zone of the inlet slots 119 . It goes without saying that mixed operation with both types of fuel is also possible in this way.

Am Brenneraustritt 118 des Brenners 110 stellt sich eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beauf schlagten kreisringförmigen Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rezirkulati onszone 121, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkulationszone vor dem Brenner stabilisiert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu benö tigen.At the burner outlet 118 of the burner 110 , a fuel concentration that is as homogeneous as possible is established above the annular cross section acted upon. A defined dome-shaped recirculation zone 121 is formed at the burner outlet, at the tip of which the ignition takes place. The flame itself is stabilized by the recirculation zone in front of the burner without the need for a mechanical flame holder.

Gemäß der Erfindung soll nunmehr der Sekundärbrenner 150 ein nicht selbstgängiger Vormischbrenner sein. Hierunter wird verstanden, daß für die Gemischverbrennung des Sekun därbrenners eine permanente Zündung vorhanden sein muß. Diese permanente Zündung geschieht im vorliegenden Fall über die Flamme am Austritt der Vorbrennkammer.According to the invention, the secondary burner 150 is now to be a non-self-operating premix burner. This is understood to mean that permanent ignition must be present for the mixture combustion of the secondary burner. In the present case, this permanent ignition takes place via the flame at the outlet of the pre-combustion chamber.

Um die Flammenstabilisierungszone beim verwendeten Doppel kegelbrenner 150 zu meiden, werden dessen tangentiale Spalte 159 gegenüber der Spaltweite bei den Primärbrennern 110 ver breitert. Durch diese spezielle Form des Brenners 150 bildet sich in dessen Vormischraum ein Brennstoff-Luft-Gemisch mit einer Umfangsgeschwindigkeit, die nicht ausreicht, um am Brenneraustritt die oben erwähnte Rezirkulationszone zu bilden. Das Gemisch verläßt den Konus wirbelbehaftet und tritt in die Flamme aus der Vorbrennkammer ein. Dabei entsteht durch die Kollision der beiden Wirbelströmungen eine innige Durchmischung auf kürzester Wegstrecke.In order to avoid the flame stabilization zone in the double cone burner 150 used, its tangential gaps 159 are widened in relation to the gap width in the primary burners 110 . This special shape of the burner 150 forms a fuel-air mixture in its premixing chamber with a peripheral speed which is not sufficient to form the above-mentioned recirculation zone at the burner outlet. The mixture leaves the cone with swirls and enters the flame from the pre-combustion chamber. The collision of the two eddy currents creates an intimate mixture over the shortest distance.

Die tangentialen Spalte 119, 159 in den Brennern sind so bemessen, daß die Primärbrenner beispielsweise mit ca. 25% und die Sekundärbrenner mit ca. 75% des gesamten, aus Ver brennungsluft und Brennstoff bestehenden Volumenstroms beaufschlagt werden.The tangential gaps 119 , 159 in the burners are dimensioned such that the primary burners, for example, are charged with approximately 25% and the secondary burners with approximately 75% of the total volume flow consisting of combustion air and fuel.

Eine solche Brennkammer kann folgendermaßen betrieben wer den: Zum Anfahren werden nur die Primärbrenner 110 betrieben und während des ganzen Lastbereiches in Betrieb gehalten. Ab ca. 10% Last werden bis Vollast sukkessiv die Sekundärbren ner 150 brennstoffmäßig beaufschlagt.Such a combustion chamber can be operated as follows: For starting, only the primary burners 110 are operated and kept in operation throughout the entire load range. From approx. 10% load up to full load, the secondary burners 150 are subjected to fuel.

Zur Wirkungsweise:
Fig. 5 zeigt in einem selbsterklärenden Schaubild, wie sich die Temperaturen längs der Brennkammer-Erstreckung entwickeln. Mit 64 ist darin die erste Turbinen-Leitschaufelreihe bezeichnet.How it works:
Fig. 5 shows in a self-explanatory graph showing how the temperature along the combustion chamber extension develop. The first turbine vane row is designated by 64 .

Folgende, oberhalb des Diagrammes aufgetragene und in Fig. 1 ebenfalls bezeichnete Zonen bedeuten:
PM Vormischbereich im Primärbrenner 110
PC Vorverbrennung
M Mischzone
BO Ausbrandzone in der Hauptbrennkammer 62
ZT Übergangszone zum Turbineneintritt 173 The following zones, plotted above the diagram and also designated in FIG. 1, mean:
PM premix area in primary burner 110
PC pre-combustion
M mixing zone
BO burnout zone in the main combustion chamber 62
ZT transition zone to turbine inlet 173

Weiter bedeuten:
SMF zweiter Vormischbereich und Brennstoffeindüsung im Sekundärbrenner 150
EI Ort der Fremdzündung beim Primärbrenner
SI Ort der Selbstzündung in der Mischzone MFurther mean:
SMF second premixing area and fuel injection in secondary burner 150
EI place of spark ignition at the primary burner
SI place of auto-ignition in the mixing zone M

Auf der Abzisse sind aufgetragen folgende Temperaturen:
T_F Flammen-Temperatur
T_T Turbineneintritts-Temperatur
T_SI Selbstzünd-Temperatur
T_IN Temperatur des Brennstoff/LuftgemischesThe following temperatures are plotted on the abscissa:
T _F flame temperature
T _T turbine inlet temperature
T _SI compression ignition temperature
T _IN temperature of the fuel / air mixture

Weiter bedeuten:
δT_1C Temperaturerhöhung infolge Verbrennung
δT_1m Temperatursenkung infolge Vermischung
δT_2m Temperaturerhöhung infolge Vermischung
δT_2C Temperaturerhöhung infolge Verbrennung Further mean:
δT _1C temperature increase due to combustion
δT _1m temperature drop due to mixing
δT _2m temperature increase due to mixing
δT _2C temperature increase due to combustion

Die Wirkung der neuen Maßnahme ist folgende: Anläßlich der Vorverbrennung wird infolge der Aufteilung des gesamten Volumenstromes auf Primärbrenner und Sekundärbrenner nur bei einem Teil des Volumenstromes wegen der Temperaturerhöhung δT_1C Stickstoff produziert. Dieser Teilstrom weist bis zur Vermischung mit dem Gemisch aus den Sekundärbrennern nur eine kurze Verweilzeit in der Vorbrennkammer 61 auf, was sich günstig auf die NO_x-Produktion auswirkt.The effect of the new measure is as follows: During the pre-combustion, due to the distribution of the entire volume flow between primary and secondary burners, only part of the volume flow is produced because of the temperature increase δT _1C . This partial flow has only a short residence time in the pre-combustion chamber 61 until it is mixed with the mixture from the secondary burners, which has a favorable effect on the NO _x production.

Anläßlich der Vermischung der heißen Rauchgase aus der Vorbrennkammer 61 mit dem Brennstoff/Luft Gemisch aus den Sekundärbrennern darf die Mischtemperatur nicht unter die Selbstzünd-Temperatur T_SI absinken.When the hot flue gases from the pre-combustion chamber 61 are mixed with the fuel / air mixture from the secondary burners, the mixing temperature must not drop below the compression ignition temperature T _SI .

Nach der Selbstzündung ist die Temperaturerhöhung δT_2C des gesamten Volumenstromes zu gering, und die Periode bis zum vollständigen Ausbrand in der Zone BO zu kurz, um maßgeb lich NO_x zu produzieren.After auto-ignition, the temperature increase δT _{2C of} the entire volume flow is too low and the period until the complete burnout in zone BO is too short to produce significantly NO _x .

Aus alldem ist erkennbar, daß bei diesem Mager/Mager-Konzept der gemittelte Volumenstrom nur während reduzierter Zeit der hohen Flammentemperatur ausgesetzt ist im Vergleich zu einer klassischen einstufigen Vormischverbrennung.From all this it can be seen that this Lean / lean concept of averaged volume flow only during reduced Time exposed to the high flame temperature is in comparison to a classic one-stage premix combustion.

Grundsätzlich ist die Erfindung nicht beschränkt auf auf die Verwendung von Vormischbrennern der gezeigten Doppelkegel bauart. Sie ist vielmehr anwendbar in allen Brennkammerzo nen, in denen eine Flammenstabilisierung durch ein vorherr schendes Luftgeschwindigkeitsfeld erzeugt wird. Als weiteres Beispiel hierfür wird auf den in Fig. 4 gezeigten Brenner verwiesen. In dieser Fig. 4 sind alle funktionsgleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie beim Brenner gemäß Fig. 1-3B. Dies trotz unterschiedlicher Struktur, was insbesondere für die hier zylindrisch verlau fenden tangentialen Einströmspalte 119 gilt. Die Richtung Brenneraustritt zunehmende Fläche des durchströmten Vor mischraumes 130 wird bei diesem Brenner durch einen zentral angeordneten Einsatz 131 in Form eines geraden Kreiskegels gebildet, wobei die Kegelspitze sich im Bereich der Front plattenebene befindet. Es versteht sich, daß die Mantelflä che dieses Kegels auch gekrümmt sein kann. Dies gilt übri gens auch für den Verlauf der Teilflächen 111, 112 bei den in Fig. 1-3B gezeigten Brennern.Basically, the invention is not limited to the use of premix burners of the double cone type shown. Rather, it can be used in all combustion chamber zones in which flame stabilization is generated by a prevailing air velocity field. As a further example of this, reference is made to the burner shown in FIG. 4. In this Fig. 4, all functionally identical elements have the same reference numerals as in the burner shown in FIG. 1-3B. This is despite a different structure, which applies in particular to the tangential inflow gaps 119 which are cylindrical here. The direction of the burner outlet increasing area of the flow through the mixing chamber 130 is formed in this burner by a centrally arranged insert 131 in the form of a straight circular cone, the cone tip being in the region of the front plate plane. It is understood that the Mantelflä surface of this cone can also be curved. Incidentally, this also applies to the course of the partial surfaces 111 , 112 in the burners shown in FIGS . 1-3B.

Selbstverständlich können in Abweichung zur gezeigten und beschriebenen 2-Stufenverbrennung auch mehr als 2 Stufen zur Anwendung gelangen. Die Anzahl Verbrennungsstufen und die Art der Brennstoff- und Luft-Aufteilung auf die mehreren Stufen ist letztlich abhängig von der gewünschten Leistungs fähigkeit der Brennkammer.Of course, in deviation from the shown and described 2-stage combustion also more than 2 stages Application. The number of combustion stages and the Type of fuel and air distribution among the several Levels ultimately depend on the desired performance ability of the combustion chamber.

BezugszeichenlisteReference list

50 Plenum
51 Längsachse des Primärbrenners
52 Längsachse der Brennkammer
53 Längsachse des Sekundärbrenners
54 Frontplatte der Vorbrennkammer
55 Dom
60 Brennkammer
61 Vorbrennkammer
62 Hauptbrennkammer
63 Brennkammerwand
64 Turbineneintritt
74 Frontplatte
75 Dom
110, 150 Doppelkegelbrenner
111 Teilkörper
112 Teilkörper
113 Mittelachse
114 Mittelachse
116 Brennstoffdüse
117 Gaseinströmöffnung
118, 158 Brenneraustritt
119, 159 tangentialer Spalt
120, 121 Brennstofflanze
122 Rückstromkalotte
130 Vormischraum
131 kegelförmiger Einsatz (Fig. 4)
PM 1. Vormischbereich und Brennstoffeindüsung
PC Vorverbrennung
SMF 2. Vormischbereich und Brennstoffeindüsung
M Mischzone
BO Ausbrandzone
ZT Übergangszone zum Turbineneintritt
EI Ort der Fremdzündung
SI Ort der Selbstzündung
T_F Flammen-Temperatur
T_T Turbineneintritts-Temperatur
T_SI Selbstzünd-Temperatur
T_IN Temperatur des Brennstoff/Luftgemisches
δT_1C Temperaturerhöhung infolge Verbrennung
δT_1m Temperatursenkung infolge Vermischung
δT_2m Temperaturerhöhung infolge Vermischung
δT_2C Temperaturerhöhung infolge Verbrennung 50 plenary
51 Longitudinal axis of the primary burner
52 longitudinal axis of the combustion chamber
53 Longitudinal axis of the secondary burner
54 Front plate of the pre-combustion chamber
55 dom
60 combustion chamber
61 pre-combustion chamber
62 main combustion chamber
63 combustion chamber wall
64 turbine inlet
74 front panel
75 dom
110 , 150 double cone burners
111 partial bodies
112 partial body
113 central axis
114 central axis
116 fuel nozzle
117 gas inflow opening
118 , 158 burner outlet
119 , 159 tangential gap
120 , 121 fuel lance
122 backflow dome
130 premixing room
131 conical insert ( Fig. 4)
PM 1. Premixing area and fuel injection
PC pre-combustion
SMF 2. Premix area and fuel injection
M mixing zone
BO burnout zone
ZT transition zone to the turbine inlet
EI place of spark ignition
SI place of auto ignition
T _F flame temperature
T _T turbine inlet temperature
T _SI compression ignition temperature
T _IN temperature of the fuel / air mixture
δT _1C temperature increase due to combustion
δT _1m temperature drop due to mixing
δT _2m temperature increase due to mixing
δT _2C temperature increase due to combustion

Claims

1. Combustion chamber with two-stage combustion, with at least one primary burner ( 110 ) of the premix type, in which the fuel injected via nozzles ( 117 ) is mixed intensively with the combustion air in advance within a premixing chamber ( 130 ), and with at least one secondary burner ( 150 ), which is arranged downstream of a pre-combustion chamber ( 61 ), characterized in that

- That the primary burner ( 110 ) is a flame-stabilizing premix burner without mechanical flame holder, with at least approximately tangential flow of the combustion air into the premixing chamber ( 130 ),
- And that the secondary burner ( 150 ) is a non-self-sufficient premix burner.

2. Combustion chamber according to claim 1, characterized in that both the primary burner ( 110 ) and the secondary därbrenner ( 150 ) works according to the double-cone principle with essentially two hollow, conical, in the flow direction nested partial bodies ( 111 , 112 ), their respective central axes ( 113 , 114 ) are offset from one another, the adjacent walls of the two partial bodies forming tangential gaps ( 119 ) for the combustion air in their longitudinal extension, and in the region of the tangential column in the walls of the two partial bodies, gas inflow openings ( 117 ) distributed in the longitudinal direction. are provided.

3. Combustion chamber according to claim 2, characterized in that the tangential column ( 119 , 159 ) in the burners are dimensioned so that the primary burner with about 25-50% and the secondary burner with about 50-75% of the total from combustion air and fuel existing volume flow is applied.

4. Combustion chamber according to claim 1, characterized in that in an annular combustion chamber the longitudinal axis ( 51 ) of the primary burner ( 110 ) runs at least approximately parallel to the longitudinal axis ( 52 ) of the combustion chamber ( 60 ) and that the longitudinal axis ( 53 ) of the secondary burner ( 150 ) at least approximately perpendicular to the longitudinal axis of the primary burner ( 110 ).

5. Combustion chamber according to claim 4, characterized in that the distance of the secondary burner opening after the pre-combustion chamber ( 61 ) into the main combustion chamber ( 62 ) to the exit plane ( 118 ) of the primary burner is approximately one burner diameter.

6. Combustion chamber according to claim 4, characterized in that the exit plane ( 158 ) of the secondary burner is set back relative to the combustion chamber wall ( 63 ).