DE19537636A1

DE19537636A1 - Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage

Info

Publication number: DE19537636A1
Application number: DE1995137636
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Althaus
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-10-10
Filing date: 1995-10-10
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2015-10-11
Also published as: DE19537636B4

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch eine Vorrichtung zur Anwendung des Ver fahrens.

Stand der Technik

Bei einer Kraftwerksanlage, deren Brennkammer mit einem flüs sigen Brennstoff betrieben wird, steht für die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes durchwegs nicht jene Druckluft zur Verfügung, welche für eine verbrennungsbezogene emissionsarme Gemischbildung notwendig wäre. Dieser Sachverhalt akzentuiert sich im negativen Sinne, wenn die Verbrennung anhand eines an sich zu besseren Resultaten hinsichtlich Emissionswerte und Wirkungsgrades fähigen Vormischbrenners durchgeführt werden soll. Diese negativen Prämissen stehen im direkten Zusammen hang mit jener Bedingung, welche bei der Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes mit Luft bloß einen Brennkammer- Druckverlust von 2-4% zuläßt, soll die Leistung und der Wirkungsgrad keine größeren Einbußen erleiden. Bei einer solchen Vorgabe ist es nicht zu umgehen, daß die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes mangelhaft ausfällt, was sich di rekt auf eine Zunahme der Schadstoff-Emissionen, insbesondere der NOx-Emissionen bemerkbar macht. Überdies ist der zur Verfügung stehende Nennverdichterdruck bei konventionellen Gasturbogruppen in den meisten Fällen nicht ausreichend, um eine optimale Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes zu gewährleisten. Von daher ist es nicht zu übersehen, daß die Abhilfen, die hiergegen vorgeschlagen werden, eigentlich die Wirkungen und nicht die Ursachen bekämpfen, so daß eine op timale Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffes bei Vormisch verbrennung zunächst die Voraussetzungen für einen ange messenen Zerstäubungsdruck schaffen muß. Erst dann ist es folgerichtig, eine entsprechende Zerstäubungsdüse in den Brenner zu integrieren.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei eine Verfahren und einer Vorrichtung der ein gangs genannten Art jene Vorkehrungen vorzuschlagen, welche die Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffes optimal gestal ten, dergestalt, daß die Schadstoff-Emissionen, insbesondere was die NOx-Emissionen betrifft, dadurch minimiert und der Wirkungsgrad erhöht werden.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß der vorgegebene Verdichterdruck zunächst keine entschei dende Rolle mehr spielt, ob damit eine optimale Brennstoff- Zerstäubung erreichbar ist. Auf die unterschiedlichen Ein griffe auf die Zerstäubungsdüse mit dem Ziel, der fehlende Luftdruck durch ausgeklügelte Maßnahmen zu kompensieren zu versuchen, kann verzichtet werden. Ebenso bildet der bis an hin zur Verfügung stehende Druckverlust, der durch seine beschränkten zulässigen Werte zunächst jede Zerstäubung stark einschränkt, keine unüberwindliche Schranke mehr. Bei genügendem Zerstäubungsdruck kann dann eine Düse vorgeschla gen werden, welche ebendiese Zerstäubung optimal bereit zustellen vermag. Diese Maßnahmen lassen eine optimale Vormischung des flüssigen Brennstoffes zu; die nachfolgende Verbrennung ist nicht nur schadstoffarm, sondern der Wirkungsgrad erreicht dann maximierte Werte. Bei einer sol chen Verbrennung werden somit nicht nur die Druckverluste in der Brennkammer minimiert, sondern es wird in positiver Weise auch auf die Unterdrückung von Pulsationen eingewirkt. Die Erfindung entfaltet somit, im Lichte der besprochenen Tech nik, insbesondere bei Gasturbinen mit Ringbrennkammern und mit Vormischverbrennung ihre größten Vorteile.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schaltung einer Kraftwerksanlage

Fig. 2 einen Vormischbrenner in perspektivischer Darstel lung, entsprechend aufgeschnitten,

Fig. 3 eine Brennstoffdüse als Zerstäubungsdüse ausgebil det,

Fig. 4-6 Ansichten durch verschiedene Schnittebenen des Brenners gemäß Fig. 3,

Fig. 7 einen weiteren Brenner,

Fig. 8 einen Drallerzeuger als Bestandteil des Brenners gemäß Fig. 7, in perspektivischer Darstellung, ent sprechend aufgeschnitten,

Fig. 9 eine Schnittebene durch den als zweischalig ausge bildeten Drallerzeuger gemäß Fig. 8,

Fig. 10 eine Schnittebene durch einen vierschaligen Drall erzeuger,

Fig. 11 eine Schnittebene durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind und

Fig. 12 eine Darstellung der Form der Übergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und nachgeschaltetem Misch rohr.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt eine Kraftwerksanlage, welche grundsätzlich aus einem Verdichter 1 einer Brennkammer 2, einer Turbine 3 und einem Generator 4 besteht. Selbstverständlich kann die Kraft werksanlage auch die Schaltung einer sequentieller Verbren nung aufweisen, oder anhand eines der Turbine 3 nachgeschal teten Dampfkreislaufes die Funktion einer Kombi-Anlage er füllen. Die in den Verdichter 1 strömende Luft 5 bildet nach der dort stattfindenden Verdichtung die eigentliche Verbren nungsluft 115 für die Brennkammer 2. Vor Einleitung dieser Luft in den Wirkbereich eines Brenners 100, 300 wird ein Teil davon abgezweigt und in einen weiteren von einem Motor 12 angetriebenen Verdichter 11 eingeleitet. Dieser Luftteil 9 bildet dann nach dessen Kompression die eigentliche Zer stäubungsluft 13 für den Brenner. Grundsätzlich geht man da von aus, die Verdichtung dieser Zerstäubungsluft 13 gegenüber der Verbrennungsluft 115 in etwa zu verdoppeln: Bei einem Verdichterenddruck im Verdichter 1 von ca. 15 bar weist die Zerstäubungsluft 13 dann demnach ca. 30 bar auf. Der wesen tliche Vorteil aus dieser Weiterverdichtung ist darin zu se hen, daß die Zerstäubung mit einer minimalen Luftmenge durchgeführt werden kann. Bei einem Druck in der Größenordnung von 30 bar kann darüber hinaus jene Zerstäubungstechnik angewendet werden, welche die besten Resultate zu gewährleis ten vermag. Ein Druckverlust in der Brennkammer 2 infolge der Zerstäubung tritt hier nicht mehr auf. Der relativ kleine Ar beitsaufwand für die Weiterverdichtung der abgezweigten Zer stäubungsluft 9 wird durch einen besseren Wirkungsgrad bei der Verbrennung sowie durch tiefere Schadstoff-Emissionen mehr als wettgemacht. Auf dem Weg zur Weiterverdichtung im Verdichter 11 wird die abgezweigte Zerstäubungsluft 9 in einem Wärmetauscher 10 rückgekühlt. Eine weitere Rückkühlung der weiterverdichteten Zerstäubungsluft 13 wird in einem weiteren dem Verdichter 11 nachgeschalteten Wärmetauscher 14 vorgenommen. Die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes 112 durch die weiterverdichtete Zerstäubungsluft 13 geschieht in einer Düse, welche unter Fig. 3 näher zur Erläuterung kommt wird. Es bleibt noch anzumerken, daß die Heißgase 7 aus der Brennkammer 2 die Turbine 3 beaufschlagen. Die Abgase 8 kön nen beispielweise in einem nicht gezeigten Dampfkreislauf weiter verwendet werden.

Nachfolgend kommen zwei Vormischbrennertypen zur Darstellung und näheren Erläuterung: Zum einen handelt es sich um den Vormischbrenner 100, gemäß Fig. 2 und 4-6, der in den Fig. 1 schematisch dargestellt ist, zum anderen um einen weiteren Vormischbrenner, der in den Fig. 7-12 näher gezeigt und er läutert wird.

Um den Aufbau des Brenners 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 2 die einzelnen Schnitte nach den Fig. 4-6 herangezogen werden. Des weiteren, um Fig. 2 nicht unnötig unübersichtlich zu gestal ten, sind in ihr die nach den Fig. 4-6 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenom men worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 2 nach Bedarf auf die restlichen Fig. 4-6 hingewiesen.

Der Brenner 100 nach Fig. 2 ist ein Vormischbrenner und besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Ver setzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssummetrieachsen 101b, 102b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz oder Kanal 119, 120 frei (Vgl. Fig. 4-6), durch welche die Verbren nungsluft 115 in Innenraum des Brenners 100, d. h. in den Kegelhohlraum 114 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bes timmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Be triebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegel neigung aufweisen, ähnlich einer Trompete oder Tulpe resp. Diffusor oder Konfusor. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfaßt, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 101a, 102a auf, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so daß die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Bren ners 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfang steils ist eine Düse 103 untergebracht, deren Brennstoff- Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraums 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners 100. Unter Fig. 3 wird eine solche Düse näher gezeigt und erläutert. Selbstverständlich kann der Brenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, aus einem einzigen Teilkörper mit einem einzigen tangentialen Lufteintrittsschlitz, oder aus mehr als zwei Teilkörpern ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegel hohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Brennraumseitig 122 geht die Ausgangsöffnung des Brenners 100 in eine Frontwand 110 über, in welcher eine Anzahl Bohrungen 110a vorhanden sind. Die letztgenannten Bohrungen 110a treten bei Bedarfin Funktion, und sorgen dafür, daß Verdünnungsluft oder Kühl luft 110b dem vorderen Teil des Brennraumes 122 zugeführt wird. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung für eine Flam menstabilisierung am Ausgang des Brenners 100. Diese Flammen stabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht, die Kompaktheit der Flamme infolge einer radialen Verflachung zu stützen. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff handelt es sich um einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff 112, der allenfalls mit einem rückgeführten Abgas angereichert sein kann. Dieser Brennstoff 112 wird, insbeson dere wenn es sich um einen flüssigen handelt, wie dies unter Fig. 3 zugrundegelegt wird, unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffprofil 105, das von der tan gential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 um schlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmende Ver brennungsluft 115 zu einer optimalen Vermischung abgebaut, immer vorausgesetzt, die Zerstäubungskapazität der Düse 103 ist eine optimale. Wird der Brenner 100 mit einem gasförmigen Brennstoff 113 betrieben, so geschieht dies vorzugsweise über Düsen 117, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Übergang der Lufteintrittsschlitze 119, 120 zum Kegelhohlraum 114 hin zustande kommt. Die Eindüsung des Brennstoffes 112 über die Düse 103 erfüllt die Funktion einer Kopfstufe; sie kommt normalerweise bei Inbetriebsetzung und bei Teillastbetrieb zum Zuge. Selbstverständlich ist über diese Kopfstufe auch ein Grundlastbetrieb mit einem flüssigen Brennstoff möglich. Am Ende des Brenners 100 stellt sich ein erseits die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt, andererseits die kritische Drallzahl ein; letztgenannte führt dann im Zusammenwirken mit der dort dis ponierten Querschnittserweiterung zu einem Wirbelaufplatzen, gleichzeitig auch zur dortigen Bildung einer Rückströmzone 106. Die Zündung erfolgt an der Spitze dieser Rückströmzone 106. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 107 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Brenners 100, wie dies bei bekannten Vormischstrecken latent der Fall ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbren nungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückge führten Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdamp fung des allenfalls eingesetzten flüssigen Brennstoffes 112 nachhaltig, bevor die Verbrennungszone erreicht wird. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 statt gasförmige flüssige Brennstoffe zugeführt wer den. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich Kegelwinkels und Breite der tangentialen Lufte intrittsschlitze 119, 120 sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 mit der Rückströmzone 106 am Ausgang des Brenners ein stellen kann. Allgemein ist zu sagen, daß eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die Rück strömzone 106 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung kommt. Immerhin ist festzustellen, daß die einmal fixierte Rückströmzone 106 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Kegelform des Brenners 100 zu. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Brenners 100 läßt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Die Konstruktion des Brenners 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Brenners 100 eine relativ große betriebliche Bandbreite erfaßt wer den kann. Es ist auch ohne weiteres möglich, die kegeligen Teilkörper 101, 102 spriralförmig ineinander zu ver schachteln.

Aus Fig. 4-6 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinlei tungsfunktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in An strömungsrichtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 ver längern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Öffnen bzw. Schließen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts die ses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgröße der tangentialen Luftein trittsschlitze 119, 120 verändert wird. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmäßige Leitbleche einen festen Bestand teil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Brenner 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vorgesehen werden.

Fig. 3 zeigt die bereits verschiedentlich erwähnte Brennstoffdüse 103, welche die Funktion für eine optimierte Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes 112 erfüllt. Diese Figur zeigt einen Schnitt durch diese Brennstoffdüse. Er sichtlich ist hier der grundsätzliche Aufbau einer solchen Düse: Die weiterverdichtete Zerstäubungsluft 13 wird zentral über einen Kanal 103c in die Düse 103 eingeführt. Kranzförmig um diesen zentralen Kanal 103c sind eine Reihe von Durchführungen 103b angeordnet, durch welche der flüssige Brennstoff 112 in die Düse 103 eingeleitet wird. Die beiden Medien 13, 112 strömen dann innerhalb der Düse 103 in eine intermediäre Kammer 103d, worin eine sogenannte Kavitätszer stäubung stattfindet. Diese Zerstäubung weist die Vorzüge einer sonischen Zerstäubung auf: Die einzelnen Tropfen dieses flüssigen Brennstoffes 112 werden innerhalb dieser Kammer 103d durch die dort entstehenden Stoß- und Expansionswellen dermassen atomisiert, daß bereits hier eine weitgehende Ver dampfung einsetzt. Dieses Gemisch strömt dann durch einen anschließenden Kanal 103e in den nachgeschalteten Brenner, wobei der Abschluß 103a dieses Kanals 103e die Charakteris tik der gewollten Brennstoffeindüsung ergibt. Die nachfol gende Vermischung mit der Verbrennungsluft innerhalb des Brenners ist eine integrale, wobei durch die beschriebenen Vorkehrungen die Eigenschaften einer Verbrennung mit einem gasförmigen Brennstoffes erreicht werden.

Fig. 7 zeigt den Gesamtaufbau eines weiteren Brenners 300. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100a wirksam, dessen Aus gestaltung weitgehend derjenigen des Brenners 100 gemäß Fig. 2 entspricht. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100a auch um ein kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von dem tangential einströmenden Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich hierein bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100a vorgesehenen Übergangsgeometrie nahtlos in ein Übergangsstück 200 überge leitet, dergestalt, daß dort keine Ablösungsgebiete auftre ten können. Die Konfiguration dieser Übergangsgeometrie wird unter Fig. 12 näher beschrieben. Dieses Übergangsstück 200 ist abströmungsseitig der Übergangsgeometrie durch ein Rohr 20 verlängert, wobei beide Teile das eigentliche Mischrohr 220 des Brenners 300 bilden. Selbstverständlich kann das Mischrohr 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d. h. dann, daß das Übergangsstück 200 und Rohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmolzen sind, wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Übergangsstück 200 und Rohr 20 aus zwei Teilen erstellt, so sind diese durch einen Buchsenring 50 verbunden, wobei der gleiche Buchsenring 50 kopfseitig als Verankerungsfläche für den Drallerzeuger 100a dient. Ein solcher Buchsenring 50 hat darüber hinaus den Vorteil, daß verschiedene Mischrohre eingesetzt werden können. Abströmungsseitig des Rohres 20 be findet sich der eigentliche Brennraum 122, der im wesentlich demjenigen aus Fig. 1 entspricht und der hier lediglich durch ein Flammrohr 30 versinnbildlicht ist. Das Mischrohr 220 er füllt die Bedingung, daß stromab des Drallerzeugers 100a eine definierte Mischstrecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 220, er möglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so daß sich auch in Wirkverbindung mit der Übergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluß ausgeübt werden kann. Dieses Mischrohres 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, daß im Mischrohr 220 selbst das Axialgesch windigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse be sitzt, so daß eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkam mer nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, daß bei einer solchen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr 220 in Strömungs- und Um fangsrichtung mit einer Anzahl von regelmäßig oder un regelmässig verteilten Bohrungen 21 verschiedenster Quer schnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 220 strömt, und entlang der Wand eine Erhöhung der Geschwindigkeit induziert. Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, daß der Durchflußquerschnitt des Mischrohres 220 ab strömungsseitig der Übergangskanäle 201, welche die bereits genannten Übergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 220 angehoben wird. In der Figur entspricht der Auslauf der Übergangskanäle 201 dem engsten Durchflussquer schnitt des Mischrohres 220. Die genannten Übergangskanäle 201 überbrücken demnach den jeweiligen Querschnittsunter schied, ohne dabei die gebildete Strömung negativ zu beein flussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung 40 entlang des Mischrohres 220 einen nicht tol erierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende des Mischrohres 220 ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 220 schließt sich das Flammrohr 30 des Brennraumes 122 an, wobei zwischen den beiden Durchflussquer schnitten ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone 106, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Bildet sich inner halb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmäßige Randzone, in welcher durch den dort vor herrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone 106. Stirnseitig, also in der Frontwand 110, sind mehrere Öffnungen 31 vorgesehen, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung strömt, und dort unteren anderen dazu beiträgt, daß die Ringstabilisation der Rückströmzone 106 gestärkt wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, daß die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 106 auch eine aus reichend hohe Drallzahl in einem Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen am Rohrende, beispielsweise durch tangentiale Öffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, daß die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge beträgt.

Der Drallerzeuger 100a gemäß Fig. 8 entspricht von der kör perlichen Ausgestaltung her, wie bereits erwähnt, weitgehend dem Brenner 100 gemäß Fig. 2, wobei dieser Drallerzeuger 100a nunmehr keine Frontwand mehr aufweist. Betreffend die hier auszumachende Unterschiede wird auf die Ausführungen un ter Fig. 7 verwiesen.

Betreffend Fig. 9 wird auf die Ausführungen unter den Fig. 4-6 verwiesen.

Fig. 10 zeigt gegenüber Fig. 9, daß der Drallerzeuger 100a nunmehr aus vier Teilkörpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen zu jedem Teilkör per sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Kon figuration ist zu sagen, daß sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringeren Drallstärke und im Zusammenwirken mit einer entsprechend vergrößerten Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungsseitig des Drallerzeugers 110a im Mischrohr 220 zu verhindern, womit das Mischrohr die ihm zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.

Fig. 11 unterscheidet sich gegenüber Fig. 10 insoweit, als hier die Teilkörper 140, 141, 142, 143 eine Schaufelprofil form haben, welche zur Bereitstellung einer gewissen Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Drallerzeugers die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Verbrennungsluftstrom 115 geschieht aus dem Innern der Schaufelprofile heraus, d. h. die Brennstoffleitung 108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert. Auch hier sind die Längssymmetrieachsen zu den einzelnen Teilkörpern mit der Buchstabe a gekennzeichnet.

Fig. 12 zeigt das Übergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Übergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100a mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 10 oder 11, aufgebaut. Dementsprechend weist die Übergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromaufwirkenden Teilkörper vier Übergangskanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelflächen der genannten Teilkörper verlängert wird, bis sie die Wand des Rohres 20 resp. des Mischrohres 220 schneiden. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als den unter Fig. 8 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung verlaufende Fläche der einzelnen Übergangs kanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig ver laufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, daß sich vorliegend der Durchflussquerschnitt des Übergangsstückes 200 in Strömungsrichtung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Übergangskanäle 201 in Strömungsrichtung ist so gewählt, daß der Rohrströmung 40 anschließend bis zum Querschnittssprung am Brennkammereintritt noch eine genügend große Strecke ver bleibt, um eine perfekte Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerkstelligen. Ferner erhöht sich durch die oben genannten Massnahmen auch die Axialgeschwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeugers. Die Übergangs geometrie und die Massnahmen im Bereich des Mischrohres 220 bewirken eine deutliche Steigerung des Axialgeschwindigkeit sprofils zum Mittelpunkt dieses Mischrohres hin, so daß der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegengewirkt wird.

Bezugszeichenliste

1 Verdichter
2 Brennkammer
3 Turbine
4 Generator
5 Angesaugte Luft
7 Heißgase
8 Abgase
9 Zerstäubungsluft
10 Wärmetauscher
11 Verdichter
12 Motor
13 Weiterverdichtete Zerstäubungsluft
14 Wärmetauscher
20 Rohr
21 Bohrungen, Luftdurchlaßöffnungen
30 Flammrohr
40 Strömung, Rohrströmung im Mischrohr
50 Buchsenring
100 Vormischbrenner
100a Drallerzeuger
101, 102 Teilkörper von Brenner 100 und Brenner 300
101a, 102a Zylindrische Angangsteile
101b, 102b Längssymmetrieachsen
103 Brennstoffdüse
103a Phase zur Bildung der Brennstoffeindüsung
103b Brennstoffkanal
103c Kanal für die verdichtete Zerstäubungsluft
103d Sonische Kammer
103e Gemischkanal
104 Brennstoffeindüsung
105 Brennstoffeindüsungsprofil
106 Rückströmzone (Vortex Breakdown)
107 Flammenfront
108, 109 Brennstoffleitungen
110 Frontwand
110a Luftbohrungen
110b Kühlluft
112 Flüssiger Brennstoff
113 Gasförmiger Brennstoff
114 Kegelhohlraum
115 Verbrennungsluft
116 Brennstoff-Eindüsung
117 Brennstoffdüsen
119, 120 Tangentiale Lufteintrittsschlitze
121a, 121b Leitbleche
122 Brennraum
123 Drehpunkt der Leitbleche
130, 131, 132, 133 Teilkörper
130a, 131a, 132a, 133a Längssymmetrieachsen
140, 141, 142, 143 Schaufelprofilförmige Teilkörper
140a, 141a, 142a, 143a Längssymmetrieachsen
200 Übergangsstück
201 Übergangskanäle
220 Mischrohr
300 Brenner

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage, im wesentlichen bestehend aus mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer mit mindestens einem Brenner, mindestens einer Turbine und mindestens einer elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (9) der im Verdichter (1) ver dichteten Luft (115) stromauf der Brennkammer (2) abgezweigt wird, daß diese Luft (9) durch einen weiteren Verdichter (11) geleitet wird, und daß die so weiterverdichtete Luft (13) in den Brenner (100, 300) der Brennkammer (2) rückge führt und dort gegenüber einem zugeführten flüssigen Brennstoff (112) als Zerstäubungsluft eingesetzt wird.

2. Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens beim Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, wobei die Kraftwerksanlage im wesentlichen aus mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer mit mindestens einem Brenner, mindestens einer Turbine und mindestens einer elektrischen Maschine besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102) besteht, deren jeweilige Längssymmetrieachsen (101b, 102b) zueinander versetzt verlaufen, daß die benachbarten Wandungen der Teilkörper (101, 102) in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstrom (115) bilden, und daß im von den Teilkörpern (101, 102) gebildeten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) vorhanden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längser streckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (300) aus einem Drallerzeuger (100a) und einer stro mab des Drallerzeugers angeordneten Mischstrecke (220) besteht, und daß die Mischstrecke (220) stromab des Drallerzeugers (100a) innerhalb eines ersten Streckenteils (200) in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle (201) zur Überführung einer im Drallerzeuger (100a) gebildeten Strömung (40) in den stromab der Übergangskanäle (201) nach geschalteten Durchflussquerschnitt (20) der Mischstrecke (220) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallerzeuger (100a) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmi gen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkör pern (101, 102; 130, 131, 132, 133; 140, 141, 142, 143) besteht, daß die jeweiligen Längssymmetrieachsen (101b, 102b; 131a, 132a, 133a, 134a; 140a, 141a, 142a, 143a) der Teilkörper zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längser streckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbren nungsluftstromes (115) bilden, und daß im von den Teilkör pern gebildeten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (140, 141, 142, 143) im Querschnitt eine schaufelförmige Profilierung ausweisen.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeich net, daß die Anzahl der Übergangskanäle (201) in der Misch strecke (220) der Anzahl der Teilkörper (101, 102; 131, 132, 133, 134; 140, 141, 142, 143) des Drallerzeugers (100a) ent spricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflussquerschnitt (20) der Mischstrecke (220) stromab der Übergangskanäle (201) kleiner, gleich groß oder größer als der Querschnitt der im Drallerzeuger (100a) gebildeten Strö mung (40) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangskanäle (201) sektoriell die Stirnfläche der Misch strecke (220) erfassen und in Strömungsrichtung drallförmig verlaufen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (103) mit flüssigem Brennstoff (112) und weiterverdichteter Luft (13) beaufschlagbar ist, daß die Gemischbildung der beiden Medien in einer intermediären Kam mer (103d) der Brennstoffdüse (103) durch sonische Zer stäubung des flüssigen Brennstoffes (112) stattfindet.