DE19614001A1

DE19614001A1 - Brennkammer

Info

Publication number: DE19614001A1
Application number: DE19614001A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Doebbeling; Timothy Dr Griffin; Hans Peter Knoepfel
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1996-04-09
Filing date: 1996-04-09
Publication date: 1997-10-16
Also published as: JPH1038275A; EP0801268A2; EP0801268B1; JP3907779B2; DE59711087D1; CN1165937A; US5885068A; EP0801268A3

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

In modernen Brennkammern von Gasturbinen werden mager be treibbare Vormischbrenner eingesetzt, um die aus der Verbren nung anfallenden Schadstoffkomponenten, insbesondere NOx und CO, auf ein Minimum zu begrenzen. Grundsätzlich wird heutzu tage davon ausgegangen, daß auch bei sehr hohen Flammentem peraturen sehr niedrige NOx-Emissionswerte, unter 10 vppm bei 15% O2, gewährleistet werden müssen. Um solch niedrige Schadstoffemissionen beim Betrieb einer Gasturbine über einen Lastbereich von ca. 40-100% erreichen zu können, muß ein perfekt vorgemischter Brenner über einen weiten Flammentempe raturbereich, typisch ca. 1650-1850°K, sichergestellt werden. Solche Brenner sind dadurch charakterisiert, daß sich nach einer herkömmlichen Luft/Brennstoff-Vormischstrecke eine Brennkammer anschließt, deren Strömungsquerschnitt, über einen im wesentlichen unmittelbaren Querschnittssprung, um ein mehrfaches den Austrittsquerschnitt der Mischstrecke überschreitet. Aufgrund dieser Konfiguration bilden sich in der Brennkammer, im Bereich der Ebene dieses Überganges, äußere Rezirkulationszonen, welche an sich eine Stabilisie rung der Vormischflamme induzieren. Die stabilisierende Wir kung dieser Rezirkulationszonen gegenüber der Vormischflamme, d. h. gegenüber der sich in der Ebene des Austrittsquerschnit tes der Mischstrecke bildenden Rückströmzone, hängt indessen wesentlich davon ab, inwieweit die Heißgase aus der Verbren nung im Betriebsverlauf in diese Rezirkulationszonen zurück strömen und dort die Speisung zu einer selbstzündenden oder zumindest stabil brennenden Verbrennungszone aufrechterhalten können. Insbesondere in den transienten Bereichen, Anfahren, Abfahren, Änderung der Betriebsparameter, etc., kann die Rückströmung der Heißgase in die Rezirkulationszonen unre gelmäßig vonstatten gehen, so daß deren Wirkung auf das ausströmende Gemisch unterbunden bleibt. Bei einer solchen Konstellation geht die aus den Rezirkulationszonen ausgehende stabilisierende Wirkung auf das ausströmende Gemisch verlo ren, worauf es zu äußerst schädlichen Flammenlöschung und Verpuffungen kommen kann.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art Maßnahmen vorzuschlagen, welche eine über alle Lastbereiche wirksame verbrennungsmäßige Stabilisierung der Vormisch flamme im Verlauf des ganzen Betriebes gewährleisten.

Am Ende der Mischstrecke wird ein Teil des hierin gebildeten Luft/Brennstoff-Gemisches abgezweigt und in die äußeren Re zirkulationszonen eingemischt. Der Ort dieser Einmischung wird so gewählt, daß eine vollständige Vermischung desjeni gen Teils des abgezweigten Gemisches innerhalb der äußeren Rezirkulationszonen mit dem dort rezirkulierenden Heißgas strom aus der Verbrennung innerhalb der Brennkammer erreicht wird, bevor die äußeren Rezirkulationszonen mit dem restli chen Teil des Luft/Brennstoff-Gemisches aus der Mischstrecke in Berührung kommen. Dadurch wird erreicht, daß sich ein vorteilhaftes Mischungsverhältnis aus Luft/Brennstoff-Gemisch und Heißgas in den Rezirkulationszonen einstellt, und das abgezweigte Luft/Brennstoff-Gemisch in Art einer selbstzün denden Pilotflamme die Stabilität der Flammenfront wesentlich verbessert.

Durch die Aufteilung des Luft/Brennstoff-Gemisches aus der Mischstrecke in einen Hauptstrom und einen in kleinen Teil ströme unterteilten Nebenstrom ergibt sich innerhalb des Brennraumes eine stark vergrößerte Kontaktfläche zwischen Luft/Brennstoff-Gemisch und rezirkulierendem Heißgas.

Damit allgemein die Geschwindigkeit des Luft/Brennstoff-Gemi sches in etwa konstant bleibt, und um ein Rückschlagen der Flamme zu vermeiden, wird die Gesamtquerschnittsfläche von Haupt- und Nebenstrom des Luft/Brennstoff-Gemisches in etwa konstant gehalten. Dies wird erreicht, indem am Ende der Mischstrecke eine kleine Kontraktion vorgesehen wird. Danebst wird zur Erreichung dieses Zieles auf die Anzahl der Abzwei gungen für den Teilstrom, auf den jeweiligen Durchflußquer schnitt sowie auf die Strömungsführung im entsprechenden Um fang eingewirkt.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß

a) sich niedrigere magere Löschgrenzen und dadurch einen er weiterten Betriebsbereich von mageren Vormischbrennern er geben;
b) eine verbesserte Flammenstabilität, d. h. geringere Druckpulsationen resultieren;
c) eine verkürzte Ausbrandlänge durch Intensivierung der äußeren Reaktionsfront erreicht wird.

Die Ursache für den Vorteil unter a) ist darin zu sehen, daß gegenüber einer herkömmlichen Mischung durch Scherschichten zwischen Luft/Brennstoff-Gemisch und rezirkulierendem Heißgas, die zu einem Maximum der Wahrscheinlichkeitsdichte verteilung des Volumenverhältnisses zwischen den beiden ge nannten Medien bei ca. 50% führt, die erfindungsgemäße Vor nahme der Zumischung des Luft/Brennstoff-Gemisches in die äußeren Rezirkulationszonen eine solche bei ca. 30% gewähr leistet. Anhand von Messungen über die korrelierten Selbst zündzeiten bei den verschiedenen Wahrscheinlichkeitsdichte verteilungen für die verschiedenen Medien hat sich gezeigt, daß eine Verteilung mit einem Maximum bei 30% an Luft/Brennstoff-Gemisch innerhalb der äußeren Rezirkulati onszonen die Zündverzugszeit um eine Größenordnung kleiner ausfällt, gegenüber derjenigen mit einer Verteilung mit einem Maximum bei 50%.

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

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbei spiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel bare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen worden. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur zeigt eine Brennkammer, deren Endphase ei ner Mischstrecke mit einem anschließenden Brennraum.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Die Figur zeigt, wie aus der schematisch eingezeichneten Wel lenachse 15 hervorgeht, eine als Ringbrennkammer 1 ausgebil dete Brennkammer, welche im wesentlichen aus einem zusammen hängenden annularen oder quasi-annularen Zylinder besteht. Die Brennkammer kann indessen auch aus einer Anzahl axial, quasi-axial oder schraubenförmig um die genannte Achse ange ordneter und einzeln in sich abgeschlossener Brennräume be stehen. Eine Brennkammer, die aus einem einzelnen Brennraum in dargestellter Form besteht, ist auch möglich. Die vorlie gende Ringbrennkammer 1 ist stromab einer Mischstrecke 2 an geordnet, wobei diese Mischstrecke ohne weiteres Bestandteil eines Vormischbrenners sein kann, wie er beispielweise in EP-0 321 809 B1 beschrieben ist. Diese Druckschrift wird mithin als integrierender Bestandteil dieser Beschreibung dekla riert. Selbstverständlich kann die aus der Figur hervorge hende Mischstrecke 2, aus welcher eine Drallströmung bereit gestellt wird, Teil eines Mischrohres sein, das beispiels weise stromab des genannten Vormischbrenners wirkt. Grund sätzlich geht es innerhalb dieser Mischstrecke 2 im engeren oder weiteren Sinn um die Bildung eines Luft/Brennstoff-Gemi sches für die nachfolgende Verbrennung, dergestalt, daß diese Verbrennung dann unter minimierten Schadstoff-Emissio nen, insbesondere was die NOx-Emissionen betrifft, abläuft. Ein Brennraum 3 schließt sich am Ende der Mischstrecke 2 an, dergestalt, daß der Übergang zwischen den beiden Strömungs strecken durch einen radialen Querschnittssprung 5, gebildet ist, der zunächst den Strömungsquerschnitt des Brennraumes 3 induziert, wobei dieser Strömungsquerschnitt das 2- bis 10fache des Austrittsquerschnittes der Mischstrecke 2 beträgt. In der Ebene dieses Querschnittsprunges 5 stellt sich aufgrund des Aufplatzens der bereits erwähnten Drallströmung eine Flammen front ein, welche durch eine Rückströmzone 12 charakterisiert ist. Diese bildet an sich einen körperlosen Flammenhalter, der zusätzlich zu den äußeren Rezirkulationsgebieten zur Stabilisierung der Flammenfront 20 beiträgt. Im Bereich des Querschnittssprunges 5 bilden sich während des Betriebes strömungsmäßige äußere Rezirkulationszonen 10, in welchen durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen 11 entstehen, welche an sich dazu geeignet sind, eine ringför mige Stabilisierung der Rückströmzone 12, also mithin der Flammenfront, zu gewährleisten. Von daher ist es eminent wichtig, daß die Wirbelablösungen 11 während des ganzen Be triebes stabil bleiben. Zu diesem Zweck wird am Übergang der Mischstrecke 2 in den Brennraum 3 ein Teil 9 des gesamten Luft/Brennstoff-Gemisches 8 abgezweigt und in die äußeren Rezirkulationszonen 10 eingemischt. Dieser abgezweigte Teil 9 von vorzugsweise 10-30% des gesamten Gemisches 8 wird über Durchflußkanäle 4 in die genannten äußeren Rezirkulations zonen 10 eingeführt, wobei der Ort der Einmischung so gewählt wird, daß eine vollständige Vermischung desselben mit einem rezirkulierenden Heißgas 17 im Bereich der Wirbelablösungen 11 erreicht wird, bevor die äußeren Rezirkulationszonen 10 mit dem Hauptstrom 16 des Luft/Brennstoff-Gemisches 8 in Be rührung kommen. Dadurch wird erreicht, daß sich ein vorteil haftes Mischungsverhältnis aus Luft/Brennstoff-Gemisch 9 und Heißgas allgemein in den äußeren Rezirkulationszonen 10 einstellt, und das abgezweigte Gemisch 9 in Art einer selbst zündenden Pilotflamme die Stabilität der Flammenfront 20, d. h. der Flammenfront wesentlich verbessert. Durch die Auf teilung des gesamten Luft/Brennstoff-Gemisches 8 in einen Hauptstrom 16 und einen in kleine Teilströme unterteilten Ne benstrom 9 ergibt sich eine stark vergrößerte Kontaktfläche zwischen dem Luft/Brennstoff-Gemisch und dem rezirkulierenden Heißgas 17. Damit die Geschwindigkeit des Luft/Brennstoff- Gemisches in etwa konstant bleibt, und damit eine Rückzündung der Flamme vermieden wird, soll die Gesamtquerschnittsfläche von Hauptstrom 16 und Nebenstrom 9 in etwa auch konstant ge halten werden. Dies wird regulativ in dem Sinne erreicht, daß am Ende der Mischstrecke 2 eine entsprechend große Kon traktion 7 der Strömung vorgesehen wird. Der Durchmesser der Durchflußkanäle 4, die in etwa unter einem Winkel von 30-60°, vorzugsweise um 45°, gegenüber der Wellenachse 15 ver laufen, damit sie in etwa parallel zu den Wandstromlinien der Drallströmung verlaufen, beträgt 3-8%, vorzugsweise 5% des hydraulischen Durchmessers der Mischstrecke 2. Die Anzahl der Durchflußkanäle 4 ergibt sich aus dem Massenstromverhältnis zwischen Hauptstrom und Nebenstrom des Luft/Brennstoff-Gemi sches, wobei das Massenstromverhältnis in etwa dem Flächen verhältnis der beiden Strömungen entspricht. Der Abstand der Durchflußkanäle 4 zur Mischstrecke beträgt vorzugsweise ca. 10% des hydraulischen Durchmessers der Mischstrecke 2. Das Luft/Brennstoff-Gemisch 9 über die Durchflußkanäle 4 kann mit einem zusätzlichen Brennstoff 6 angereichert werden, in dem beispielsweise über eine mit Bohrungen 18 versehenen Ringleitung 19 in jedem Durchflußkanal 4 das genannte Brenn stoff 6 eingebracht wird, wodurch dann eine verstärkte und sichere Pilotflamme in den äußeren Rezirkulationszonen 10 wirkt, wobei dies dazu führt, daß selbst in den transienten Bereichen bei minimiertem Schadstoff-Emissionen eine niedere magere Löschgrenze angepeilt werden kann, sonach der Be triebsbereich von mageren Vormischbrennern auch auf Lastbe reiche unter 40% ausgedehnt werden kann. Es bleibt noch anzu merken, daß die Heißgase 13 eine nicht näher dargestellte nachgeschaltete Turbine 14 beaufschlagen, wobei die hier ge zeigte Brennkammer 1 ohne weiteres niederdruckseitig einer auf einer sequentiellen Verbrennung aufgebauten Gasturbo gruppe angeordnet sein kann und nach einem Selbstzündungsver fahren betreibbar ist.

Bezugszeichenliste

1 Brennkammer
2 Mischstrecke
3 Brennraum
4 Durchflußkanäle
5 Querschnittssprung
6 Brennstoff
7 Kontraktion
8 Gesamtes Luft/Brennstoff-Gemisch
9 Teilströmung des Luft/Brennstoff-Gemisches
10 Äußere Rezirkulationszone
11 Wirbelablösungen
12 Rückströmzone, Vormischflamme, Flammenfront
13 Heißgase
14 Turbine
15 Achse Rotorwelle, Wellenachse
16 Hauptstrom des Luft/Brennstoff-Gemisches
17 Rezirkulierende Heißgase
18 Bohrungen
19 Ringleitung
20 Flammenfront

Claims

1. Brennkammer einer Gasturbogruppe, im wesentlichen beste hend aus einer Mischstrecke zur Vormischung eines Luft/Brennstoff-Gemisches und einem nachgeschalteten Brennraum, wobei am Übergang zwischen Mischstrecke und Brennraum ein Querschnittssprung vorhanden ist, der den Strömungsquerschnitt des Brennraumes induziert, und wo bei dieser Querschnittssprung gegenüber dem Durchfluß querschnitt der Mischstrecke äußere Rezirkulationszonen bildet, dadurch gekennzeichnet, daß in der Endphase der Mischstrecke (2) Durchflußkanäle (4) für die Durchströ mung eines Teils (9) des gesamten Luft/Brennstoff-Gemi sches (8) abzweigen, und daß diese Durchflußkanäle (4) in die äußeren Rezirkulationszonen (10) münden.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (1) eine Ringbrennkammer ist.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußkanäle (4) zwischen Mischstrecke (2) und äußeren Rezirkulationszonen (10) unter einem Winkel von 30-60° gegenüber der Wellenachse (15) verlaufen.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Durchflußkanäle (4) strömende Luft/Brennstoff-Gemisch (9) 10-30% des gesamten Gemi sches (8) beträgt.

5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem durch die Durchflußkanäle (4) strömenden Gemisch (9) ein zusätzlicher Brennstoff (6) zuführbar ist.

6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Brennstoff (6) über eine mit Boh rungen (18) versehene Ringleitung (19) beistellbar ist.

7. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnittssprung (5) am Ende der Mischstrecke (2) ein um das 2- bis 10fache größere Strömungsquerschnitt des Brennraumes (3) gegenüber demjenigen der Misch strecke (2) induziert.

8. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Durchflußkanäle (4) jeweils 3-8% des hydraulischen Durchmessers der Mischstrecke (2) beträgt.

9. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endphase der Mischstrecke (2) am Übergang zum Brennraum (3) eine querschnittsmäßige Kontraktion (7) aufweist.

10. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Durchflußkanäle (4) von der Kontrak tion (7) aus abzweigen.