DE19756663B4 - Vormischbrennkammer für eine Gasturbine - Google Patents

Abstract

Vormischbrennkammer für eine Gasturbine, umfassend eine Hauptstufe mit mindestens einer Vormischkammer und einer wenigstens zum Teil rotationssymmetrisch zu ihrer Längsachse ausgebildeten Brennkammer; und eine Pilotstufe mit einer Piloteinspritzvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer eine Hauptverbrennungszone (3) und eine stromabwärtige Nachverbrennungszone (5) aufweist, die Hauptverbrennungszone (3) im wesentlichen koaxial zur Nachverbrennungszone (5) verläuft, die Pilotstufe (4) an dem der Nachverbrennungszone (5) entfernten Enden (10) der Brennkammer (9) angeordnet ist und sich der die Hauptverbrennungszone (3) umfassende Bereich der Brennkammer (9) in Strömungsrichtung konisch aufweitet und die mindestens eine Vormischkammer (6) tangential drallbildend in diesen mündet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vormischbrennkammer für eine Gasturbine, umfassend eine Hauptstufe mit mindestens einer Vormischkammer und einer wenigstens zum Teil rotationssymmetrisch zu ihrer Längsachse ausgebildeten Brennkammer und eine Pilotstufe mit einer Piloteinspritzvorrichtung.
• Vormischbrennkammern sind schadstoffarme Gasturbinenbrennkammern. Gasturbinen können sowohl stationär, z.B. als Generatorantriebe in Kraftwerken, als auch in Flugtriebwerken eingesetzt werden. In zahlreichen Industrieländern sind Höchstgrenzen für die Stickoxidemission stationärer Gasturbinen festgelegt worden. Da auch bei Flugantrieben entsprechende Empfehlungen existieren, kommt der Reduzierung der Stickoxidbildung in den Brennkammern im Rahmen der Senkung der Schadstoffemission eine große Bedeutung zu. Zur Stickoxidreduktion wird bei Flugtriebwerken derzeit die Fett-Mager-Verbrennung eingesetzt, bei der die Verbrennung mit einer ersten fetten Stufe und einer zweiten mageren Stufe unter Luftüberschuß erfolgt.
• Mit der bei stationären Gasturbinen angewendeten, vorgemischten Magerverbrennung lassen sich im Vergleich dazu noch größere Reduktionen erzielen. Da die Stickoxidbildung u.a. mit der höchsten Temperatur in der Flamme steigt, wurden Verfahren entwickelt, die höchste Flammentemperatur abzusenken. Man unterscheidet dabei zwischen nassen und trockenen Verfahren. Bei den bisher überwiegend eingesetzten, nassen Verfahren werden Wasser oder Wasserdampf getrennt oder mit dem Brennstoff vorgemischt in die Verbrennungszone eingebracht. Dabei ist nachteilig, daß aufbereitetes Wasser erforderlich ist, dessen Verbrauch zudem hoch ist. Darüber hinaus sinkt bei den nassen Verfahren der Anlagenwirkungsgrad.
• Aufgrund dieser Nachteile sind zunehmend trockene Verfahren erwünscht, bei denen die Luftüberschußzahl in der Verbrennungszone soweit wie möglich erhöht und Luft und Brennstoff ganz oder teilweise vorgemischt werden. Um den gesetzlichen Vorschriften und Empfehlungen zu genügen, müssen Luft und Brennstoff vor dem Verbrennungsraum möglichst homogen gemischt werden. Allein auf diese Weise können die Spitzentemperaturen in der Flamme verringert werden. Dazu wurden Vormischbrennkammern entwickelt, bei denen es zur Erzielung eines hohen Homogenitätsgrads einer bestimmten Länge der Vormischkammer oder einer Mindestverweilzeit in der Vormischkammer bedarf. Dabei besteht jedoch die Gefahr, daß sich das Brennstoff/Luft-Gemisch in der Vormischkammer entzündet. Da in diesem Fall der Vermischungsprozeß nicht abgeschlossen ist, entstehen lokal infolge von Inhomogenitäten hohe Temperaturen, die zur erhöhten Stickoxidbildung führen. Des weiteren besteht die Gefahr eines Flammenrückschlags aus der Verbrennungszone in die Vormischkammer. Zu dessen Vermeidung werden bei herkömmlichen Vormischbrennkammern am Ende der Vormischkammer Schaufelgitter od. dgl. angebracht, um das Gemisch zu beschleunigen und eine Drallbildung zu erzeugen. Tritt ein Rückzünden gleichwohl auf, führt dieses zur Beschädigung oder Zerstörung von Brennkammerteilen, wie z.B. der Schaufelgitter.
• Bei einer bekannten Brennkammeranordnung gemäß DE-PS 43 18 405 wird mittels vorgemischter Magerverbrennung eine Senkung der Stickoxidbildung ohne Gefahr der Selbstzündung in einer Vormischstrecke ermöglicht, indem der Brennstoff in eine im wesentlichen gerade ausgebildete Vormischkammer eingespritzt wird, die tangential in eine im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildete Verbrennungskammer mündet, wodurch beim Einströmen des Gemisches eine Drallbildung erzielt wird. Da die Drallbildung nicht mittels zusätzlicher Bauteile, wie Schaufelgitter, erzeugt wird, scheidet die Gefahr der Bauteilbeschädigung bei einem eventuell auftretenden Flammenrückschlag aus. Eine ausreichende Verbrennungsstabilität wird mittels einer unterstützenden Pilotverbrennung gewährleistet, die in einer separaten Verbrennungszone erfolgt. Die Heißgase aus der Pilotzone werden in die magere Hauptzone eingemischt, wobei die stabilisierende Wirkung stark von dem existierenden Strömungsfeld abhängt und bei unterschiedlichen Betriebszuständen größeren Schwankungen unterworfen sein kann. Zudem wird die Strömung von der Haupt- in die Nachverbrennungszone um 90° umgelenkt, was zu einem erhöhten Druckverlust führt.
• Aus der US 5,319,935 ist eine Brennkammer mit einer ersten Verbrennungszone und einer im wesentlichen koaxial dahinter angeordneten zweiten Verbrennungszone bekannt, wobei an einer der zweiten Verbrennungszone abgewandten Stirnseite der Brennkammer eine Öffnung vorgesehen ist, durch die gasförmiger oder verdampfter Brennstoff aus einem Primärbrennstoffeinspritzer bzw. einem Piloteinspritzer der ersten Verbrennungszone in Axialrichtung zugeführt wird. Der Primärbrennstoffeinspritzer und der Piloteinspritzer sind zu einer Einspritzdüse zusammengefaßt, wobei der Piloteinspritzer die mittels Drallblechen verwirbelte Primärluft des Primärbrennstoffeinspritzers nutzt. Nachteilig dabei ist, daß die Brennkammer auf gasförmige oder verdampfte Brennstoffe beschränkt ist und Drallbleche als zusätzliche Bauteile zur Verwirbelung der Primärluft vorgesehen sind.
• Die US 5,473,881 offenbart einen Gasturbinenbrenner, der für gasförmige Brennstoffe (Erdgas) vorgesehen ist und keine Vorverdampfer- bzw. Vormischstrecke aufweist. Der Brenner besitzt keine Piloteinspritzung, sondern drei hintereinander angeordnete Brennkammern, die gleichzeitig betrieben werden.
• Aus der US 3,958,416 ist ein Brenner bekannt, bei dem eine Brennkammer mit einer Mischstrecke mit konvergent-divergentem Verlauf, eine Haupt- und eine Nachverbrennungszone koaxial hintereinander angeordnet sind, wobei die Luft für den Hauptbrennstoff- und den Piloteinspritzer an dem der Nachverbrennungszone entfernten Ende der Brennkammer stirnseitig eingeführt und durch Drallbleche verwirbelt wird.
• Die GB 2 287 312 A offenbart ein Brennkammersystem aus zwei hintereinander angeordneten Verbrennungskammern, in die jeweils Vormischeinheiten münden und die jeweils Brenner aufweisen, wobei an der ersten Verbrennungskammer an dem zur zweiten Verbrennungskammer entfernten Ende ein Pilotbrenner vorgesehen ist.
• Aus der JP 07190369 A ist eine Gasturbinenbrennkammer für flüssigen Brennstoff bekannt, die an einem stirnseitigen Ende einer Vormischbrennkammer eine Pilotstufe mit einer Pilotbrennkammer aufweist, wobei der Brennstoff über Vormischrohre zugeführt und in einen zwischen der Pilotbrennkammer und der Vormischbrennkammer befindlichen, sich konisch aufweitenden Abschnitt eingespritzt wird.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vormischbrennkammer der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, bei der die stabilisierende Wirkung der Pilotverbrennung verbessert wird.
• Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer eine Hauptverbrennungszone und eine stromabwärtige Nachverbrennungszone aufweist, die Hauptverbrennungszone im wesentlichen koaxial zur Nachverbrennungszone verläuft, die Pilotstufe an dem der Nachverbrennungszone entfernten Ende der Brennkammer angeordnet ist und sich der die Hauptverbrennungszone umfassende Bereich der Brennkammer in Strömungsrichtung konisch aufweitet und die mindestens eine Vormischkammer tangential drallbildend in diesen mündet.
• Der Vorteil dieser Vormischbrennkammer besteht darin, daß die Strömung innerhalb der Brennkammer von der Hauptverbrennungszone zur Nachverbrennungszone nicht um 90° umgelenkt wird und der damit verbundene Druckverlust entfällt. Durch die unmittelbar an der Brennkammer angeordnete Pilotstufe besitzt diese eine direkte Verbindung zur Hauptverbrennungs- bzw. Rezirkulationszone, wodurch die stabilisierende Wirkung der Pilotverbrennung deutlich verbessert wird. Die erfindungsgemäße Vormischbrennkammer läßt sich sowohl in stationären Gasturbinen als auch in Flugtriebwerken einsetzen. Erfindungsgemäß weitet sich der die Hauptverbrennungszone bildende Bereich der Brennkammer in Strömungsrichtung, die von der Hauptverbrennungszone in Richtung auf die Nachverbrennungszone verläuft, konisch auf. Durch den Öffnungswinkel des Konus läßt sich die Rezirkulationszone und damit die Flammenstabilität steuern. Während sich bei kleineren Öffnungswinkeln ein zusätzlicher Vorverdampfungsbereich ergibt, wird bei größeren Öffnungswinkeln die Stabilität der Verbrennung gefördert.
• Bevorzugt ist die Pilotstufe an dem Ende der Brennkammer mit kleinerem Radius stirnseitig angeordnet und verläuft koaxial dazu.
• Es kann zweckmäßig sein, daß die Pilotstufe eine zwischen der Piloteinspritzvorrichtung und der Brennkammer angeordnete Pilotbrennkammer aufweist.
• Weitere bevorzugte Ausführungen sind in den weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert: Es zeigt:
• 1 in perspektivischer Darstellung eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vormischbrennkammer, die auf die wesentlichen Bestandteile zur Erläuterung der Anordnung beschränkt ist,
• 2 eine mit 1 vergleichbare Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vormischbrennkammer und
• 3 in perspektivischer Darstellung eine geschnittene Teilansicht einer Ringbrennkammeranordnung.
• 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer im ganzen mit 1 bezeichneten Vormischbrennkammer für eine Gasturbine. Die Vormischbrennkammer 1 umfaßt im wesentlichen eine Hauptstufe 2 mit einer Vormischkammer 6, einer Hauptverbrennungszone 3 und einer Nachverbrennungszone 5 sowie eine Pilotstufe 4. An einem Ende 7 der Vormischkammer 6 wird der Brennstoff zusammen mit einem Teil der Verdichterluft eingebracht. Der Brennstoff wird in der Vormischkammer 6 zerstäubt, verdampft und mit der Luft möglichst homogen vermischt. Die Vormischkammer 6 ist als geradliniger Rechteckkanal ausgebildet, so daß innerhalb der Vormischkammer 6 eine drallfreie Strömung mit einem verhältnismäßig gleichmäßigen Geschwindigkeitsprofil erzeugt wird. Dieses führt die zu einer hohen Gemischhomogenität zwischen dem Brennstoff und der Luft, wodurch Temperaturspitzen mit einer verstärkten thermischen Stickoxidbildung vermieden werden. Die Vormischkammer 6 kann je nach Maschinendesign auch andere geeignete Querschnittsformen aufweisen, wie z.B. oval oder auch kreisrund. Auch muß die Querschnittsform nicht zwingend konstant über die Länge der Vormischkammer 6 sein.
• An einem Austrittsende 8 der Vormischkammer 6 strömt das Brennstoff-Luftgemisch in die Brennkammer 9, die einen als Kegelstumpf ausgebildeten, im Bereich der Hauptverbrennunszone 3 liegenden Teil und einen zylindrischen, im Bereich der Nachverbrennungszone 5 liegenden Teil 12 umfaßt. Die Strömung wird dabei mit einer möglichst großen Exzentrizität zu einer Längs- bzw. Mittelachse M der rotati onssymmetrischen Brennkammer 9 eingebracht, so daß in dieser der Strömung des Brennstoff/Luft-Gemisches eine Umfangsgeschwindigkeit aufgeprägt wird. Zur Erzielung einer größtmöglichen Exzentrizität ist die im Querschnitt rechteckförmige Vormischkammer 6 zudem mit einer möglichst geringen Höhe H ausgebildet. Infolge der Drallbildung ergibt sich eine ausgeprägte, aus dem kegelstumpfförmig ausgebildeten Teil der Brennkammer 9 hinausreichende Rezirkulation des Brennstoff-Luftgemisches, wodurch diese in die Hauptverbrennungszone 3 bzw. den konisch ausgebildeten Teil der Brennkammer 9 zurückströmt und die Verbrennung stabil isiert. Erst im Anschluß gelangt die Strömung in die im wesentlichen parallel bzw. koaxial zur Hauptverbrennungszone 3 und insbesondere zur Mittelachse M der zum Teil kegelstumpfförmigen Brennkammer 9 verlaufende, stromabwärtige Nachverbrennungszone 5. Der Strömungsweg für das Brennstoff-Luft-Gemisch ist somit im wesentlichen gerade. Die Brennkammer 9 weist zur Kühlung eine Vielzahl von Lufteintrittsöffnungen auf.
• An einem zur Nachverbrennungszone 5 entfernten Ende 10 der Brennkammer 9 ist die Pilotstufe 4 angeordnet. In der vorliegenden Ausgestaltung ist die Pilotstufe 4 mithin an dem stirnseitigen Ende 10 mit dem kleinsten Radius des als Kegelstumpf ausgebildeten Teils der Brennkammer 9 angeordnet. Die Pilotstufe 4 umfaßt eine Piloteinspritzvorrichtung 1 1, mit der Brennstoff in die Hauptverbrennungszone 3 zur Stabilisierung der Verbrennung insbesondere im Teillastbereich eingebracht werden kann. Die Heißgase aus der Pilotstufe 4 strömen unmittelbar in den Kern der Rezirkulatioszone der mageren Hauptstufe 2, was zu einer verbesserten Stabilität der Verbrennung führt. Sowohl in der Haupt- als auch in der Pilotstufe 2 bzw. 4 können gasförmige und flüssige Brennstoffe eingesetzt werden.
• 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Vormischbrennkammer 1, dessen Modifikation im Bereich der Pilotstufe 4 liegt. In 2 weist die Pilotstufe 4 zusätzlich zur Piloteinspritzvorrichtung 11 eine Pilotbrennkammer 13 auf, in welcher der Brennstoff zunächst in einer Diffusionsverbrennung mit Luft gemischt wird und erst dann stirnseitig in die Brennkammer 9 eingebracht wird.
• 3 zeigt eine Anordnung, bei der eine Vielzahl von Vormischbrennkammern 1 mit einer Ringbrennkammer 14 kombiniert sind. Auch hier umfassen die einzelnen Vormischbrennkammern 1 eine Vormischkammer 6, die exzentrisch in einen als Kegelstumpf ausgebildeten Teil der Brennkammer 9 einer Hauptstufe 2 mündet, sowie eine im wesentlichen koaxial zur Hauptstufe 2 angeordnete Nachverbrennungszone 5, wodurch die Strömung zwischen der Hauptverbrennungszone 3 und der Nachverbrennungszone 5 nicht umgelenkt werden muß und mithin der Brennkammerdruckverlust reduziert wird. Zwischen dem konusförmigen Teil der Brennkammer 9 und der Ringbrennkammer 14 könnte die Brennkammer 9 auch hier einen zylindrischen Teil 12 aufweisen, der im wesentlichen koaxial zur Längsachse M der Brennkammer 9 angeordnet ist. Beim Einbau der Ringbrennkammer 14 in eine Gasturbine wird diese mit ihrer Mittelachse M koaxial dazu angeordnet und von einem stromaufwärtigen Verdichter einspritzseitig mit Luft beaufschlagt. Die Vormischbrennkammern 1 sind äquidistant um den stirnseitigen Umfang der Ringbrennkammer 14 angeordnet. Auch hier ist die Wandung der Brennkammer 9 zur Kühlung mit Lufteintrittsöffnungen versehen.
• Beim Betrieb der Vormischbrennkammer 1 können die Hauptstufe 2 und die Pilotstufe 4 je nach Last bzw. Flugphase wahlweise separat oder gleichzeitig betrieben werden.

Claims (8)

1. Vormischbrennkammer für eine Gasturbine, umfassend eine Hauptstufe mit mindestens einer Vormischkammer und einer wenigstens zum Teil rotationssymmetrisch zu ihrer Längsachse ausgebildeten Brennkammer; und eine Pilotstufe mit einer Piloteinspritzvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer eine Hauptverbrennungszone (3) und eine stromabwärtige Nachverbrennungszone (5) aufweist, die Hauptverbrennungszone (3) im wesentlichen koaxial zur Nachverbrennungszone (5) verläuft, die Pilotstufe (4) an dem der Nachverbrennungszone (5) entfernten Enden (10) der Brennkammer (9) angeordnet ist und sich der die Hauptverbrennungszone (3) umfassende Bereich der Brennkammer (9) in Strömungsrichtung konisch aufweitet und die mindestens eine Vormischkammer (6) tangential drallbildend in diesen mündet.
2. Vormischbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Vormischkammer (6) als Rechteckkanal ausgebildet ist.
3. Vormischbrennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H) der mindestens einen Vormischkammer (6) im Verhältnis zu deren Länge und Breite gering ist.
4. Vormischbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Austrittsende (8) der mindestens einen Vormischkammer (6) so zur Brennkammer (9) angeordnet ist, daß die in die Brennkammer (9) eintretende Strömung eine maximale Exzentrizität zur Längsachse (M) der Brennkammer (9) aufweist.
5. Vormischbrennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotstufe (4) an dem Ende (10) der Brennkammer (9) mit kleinerem Radius stirnseitig angeordnet ist und koaxial dazu verläuft.
6. Vormischbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotstufe (4) eine zwischen der Piloteinspritzvorrichtung (11) und der Brennkammer (9) angeordneter Pilotbrennkammer (13) aufweist.
7. Vormischbrennkammeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Nachverbrennungszone (5) bildende Teil der Brennkammer (9) als Ringbrennkammer (14) ausgebildet ist, an deren Stirnseite eine Vielzahl von die Hauptverbrennungszone (3) umfassenden Brennkammern (9) einschließlich Vormischkammern (6) und Pilotstufen (4) äquidistant angeschlossen sind.
8. Vormischbrennkammeranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Brennkammer (9) einen im wesentlichen die Hauptverbrennungszone (3) umfassenden, konusförmigen Teil und stromabwärts dazu einen zu ihrer Längsachse (M) koaxial angeordneten, in die Ringbrennkammer (14) mündenden, zylindrischen Teil (12) umfaßt.