DE19810648A1 - Vormischbrennkammer für eine Gasturbine - Google Patents

Abstract

Vormischkammer für eine Gasturbine, umfassend eine Hauptstufe mit mindestens einer Vormischkammer und einer wenigstens zum Teil rotationssymmetrisch zu ihrer Längsachse ausgebildeten Brennkammer mit einer Hauptverbrennungszone und einer stromabwärtigen Nachverbrennungszone, wobei die mindestens eine Vormischkammer tangential in die Brennkammer mündet; und eine Pilotstufe mit einer Pilotspritzvorrichtung, wobei die Hauptverbrennungszone in der Brennkammer im wesentlichen koaxial zur Nachverbrennungszone verläuft und die Pilotstufe an dem der Nachverbrennungszone entfernten Ende der Brennkammer angeordnet ist (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vormischbrennkammer für eine Gasturbine, umfassend eine Hauptstufe mit mindestens einer Vormischkammer und einer wenigstens zum Teil rotations­ symmetrisch zu ihrer Längsachse ausgebildeten Brennkammer mit einer Hauptverbren­ nungs- und einer stromabwärts gelegenen Nachverbrennungszone, wobei die mindestens eine Vormischkammer tangential in die Brennkammer im Bereich der Hauptverbrennungszo­ ne mündet; und eine Pilotstufe mit einer Piloteinspritzvorrichtung.

Vormischbrennkammern sind schadstoffarme Gasturbinenbrennkammern. Gasturbinen kön­ nen sowohl stationär, z. B. als Generatorantriebe in Kraftwerken, als auch in Flugtriebwerken eingesetzt werden. In zahlreichen Industrieländern sind Höchstgrenzen für die Stickoxide­ mission stationärer Gasturbinen festgelegt worden. Da auch bei Flugantrieben entsprechen­ de Empfehlungen existieren, kommt der Reduzierung der Stickoxidbildung in den Brenn­ kammern 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 las­ sen 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 Ver­ brauch zudem hoch ist. Darüber hinaus sinkt bei den nassen Verfahren der Anlagenwir­ kungsgrad.

Aufgrund dieser Nachteile sind zunehmend trockene Verfahren erwünscht, bei denen die Luftüberschußzahl in der Verbrennungszone soweit wie möglich erhöht und Luft und Brenn­ stoff ganz oder teilweise vorgemischt werden. Um den gesetzlichen Vorschriften und Emp­ fehlungen 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 Vormischkam­ mer oder einer Mindestverweilzeit in der Vormischkammer bedarf. Dabei besteht jedoch die Gefahr, daß sich das Brennstoff/Luft-Gemisch in der Vormischkammer entzündet. Da in die­ sem Fall der Vermischungsprozeß nicht abgeschlossen ist, entstehen lokal infolge von In­ homogenitäten hohe Temperaturen, die zur erhöhten Stickoxidbildung führen. Des weiteren besteht die Gefahr eines Flammenrückschlags aus der Verbrennungszone in die Vormisch­ kammer. Zu dessen Vermeidung werden bei herkömmlichen Vormischbrennkammern am Ende der Vormischkammer Schaufelgitter od. dgl. angebracht, um das Gemisch zu be­ schleunigen und eine Drallbildung zu erzeugen. Tritt ein Rückzünden gleichwohl auf, führt dieses zur Beschädigung oder Zerstörung von Brennkammerteilen, wie z. B. der Schaufel­ gitter.

Bei einer bekannten Brennkammeranordnung gemäß DE-PS 43 18 405 wird mittels vorge­ mischter Magerverbrennung eine Senkung der Stickodixbildung ohne Gefahr der Selbstzün­ dung in einer Vormischstrecke ermöglicht, indem der Brennstoff in eine im wesentlichen gerade ausgebildete Vormischkammer eingespritzt wird, die tangential in eine im wesentli­ chen rotationssymmetrisch ausgebildete Verbrennungskammer mündet, wodurch beim Ein­ strömen des Gemisches eine Drallbildung erzielt wird. Da die Drallbildung nicht mittels zu­ sätzlicher Bauteile, wie Schaufelgitter, erzeugt wird, scheidet die Gefahr der Bauteilbeschä­ digung bei einem eventuell auftretenden Flammenrückschlag aus. Eine ausreichende Ver­ brennungsstabilität 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 existieren­ den Strömungsfeld abhängt und bei unterschiedlichen Betriebszuständen größeren Schwan­ kungen unterworfen sein kann. Zudem wird die Strömung von der Haupt- in die Nachver­ brennungszone um 90° umgelenkt, was zu einem erhöhten Druckverlust führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vormischbrennkammer der eingangs be­ schriebenen Gattung zu schaffen, bei der die stabilisierende Wirkung der Pilotverbrennung verbessert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt­ verbrennungszone in der Brennkammer im wesentlichen koaxial bzw. parallel zur Nachver­ brennungszone verläuft bzw. angeordnet ist, d. h. der Strömungsweg im wesentlichen gerade und ohne erhebliche Umlenkung verläuft, und die Pilotstufe an dem der Nachverbrennungs­ zone entfernten Ende der Brennkammer angeordnet ist.

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 Hauptver­ brennungs- bzw. Rezirkulationszone, wodurch die stabilisierende Wirkung der Pilotverbren­ nung deutlich verbessert wird. Die erfindungsgemäße Vormischbrennkammer läßt sich so­ wohl in stationären Gasturbinen als auch in Flugtriebwerken einsetzen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weitet sich der die Hauptverbrennungszo­ ne bildende Bereich der Brennkammer in Strömungsrichtung, die von der Hauptverbren­ nungszone in Richtung auf die Nachverbrennungszone verläuft, konisch auf. Durch den Öff­ nungswinkel des Konus läßt sich die Rezirkulationszone und damit die Flammenstabilität steuern. Während sich bei kleineren Öffnungswinkeln ein zusätzlicher Vorverdampfungsbe­ reich 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.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine schematische Ansicht eines Ausfüh­ rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vormischbrennkammer, die auf die wesentlichen Bestandteile zur Erläuterung der Anordnung beschränkt ist,

Fig. 2 eine mit Fig. 1 vergleichbare Ansicht eines weiteren Ausführungsbei­ spiels der erfindungsgemäßen Vormischbrennkammer und

Fig. 3 in perspektivischer Darstellung eine geschnittene Teilansicht einer Ringbrennkammeranordnung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer im ganzen mit 1 bezeichneten Vormischbrenn­ kammer für eine Gasturbine. Die Vormischbrennkammer 1 umfaßt im wesentlichen eine Hauptstufe 2 mit einer Vormischkammer 6, einer Haupfverbrennungszone 3 und einer Nach­ verbrennungszone 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 ver­ mischt. Die Vormischkammer 6 ist als geradliniger Rechteckkanal ausgebildet, so daß inner­ halb der Vormischkammer 6 eine drallfreie Strömung mit einem verhältnismäßig gleichmäßi­ gen Geschwindigkeitsprofil erzeugt wird. Dieses führt die zu einer hohen Gemischhomoge­ nität zwischen dem Brennstoff und der Luft, wodurch Temperaturspitzen mit einer verstärk­ ten 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 Hauptverbren­ nunszone 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 rotationssymmetrischen Brennkammer 9 einge­ bracht, so daß in dieser der Strömung des Brennstoff/Luft-Gemisches eine Umfangsge­ schwindigkeit 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 kegelstumpfför­ mig ausgebildeten Teil der Brennkammer 9 hinausreichende Rezirkulation des Brennstoff- Luftgemisches, wodurch diese in die Hauptverbrennungszone 3 bzw. den konisch ausgebil­ deten Teil der Brennkammer 9 zurückströmt und die Verbrennung stabilisiert. Erst im An­ schluß gelangt die Strömung in die im wesentlichen parallel bzw. koaxial zur Hauptverbren­ nungszone 3 und insbesondere zur Mittelachse M der zum Teil kegelstumpfförmigen Brenn­ kammer 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 Pilot­ stufe 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 11, mit der Brennstoff in die Hauptverbrennungszone 3 zur Stabilisierung der Verbrennung insbesonde-. re 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 ver­ besserten Stabilität der Verbrennung führt. Sowohl in der Haupt- als auch in der Pilotstufe 2 bzw. 4 können gasförmige und flüssige Brennstoffe eingesetzt werden.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Vormischbrennkammer 1, dessen Modifika­ tion im Bereich der Pilotstufe 4 liegt. In Fig. 2 weist die Pilotstufe 4 zusätzlich zur Pilotein­ spritzvorrichtung 11 eine Pilotbrennkammer 13 auf, in welcher der Brennstoff zunächst in einer Diffusionsverbrennung mit Luft gemischt wird und erst dann stirnseitig in die Brenn­ kammer 9 eingebracht wird.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der eine Vielzahl von Vormischbrennkammern 1 mit einer Ringbrennkammer 14 kombiniert sind. Auch hier umfassen die einzelnen Vormischbrenn­ kammern 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 äquidi­ stant 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 (10)

1. Vormischbrennkammer für eine Gasturbine, umfassend eine Hauptstufe mit mindestens einer Vormischkammer und einer wenigstens zum Teil rotationssymmetrisch zu ihrer Längsachse ausgebildeten Brennkammer mit einer Hauptverbrennungszone und einer stromabwärtigen Nachverbrennungszone, wobei die mindestens eine Vormischkammer tangential in die Brennkammer mündet; und eine Pilotstufe mit einer Piloteinspritzvor­ richtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptverbrennungszone (3) in der Brenn­ kammer (9) im wesentlichen koaxial zur Nachverbrennungszone (5) verläuft und die Pi­ lotstufe (4) an dem der Nachverbrennungszone (5) entfernten Ende (10) der Brennkam­ mer (9) angeordnet ist.

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 oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das eine Austrittsende (8) der mindestens einen Vormisch­ kammer (6) so zur Brennkammer (9) angeordnet ist, daß die in die Brennkammer (9) ein­ tretende Strömung eine maximale Exzentrizität zur Längsachse (M) der Brennkammer (9) aufweist.

5. Vormischbrennkammer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei Vormischkammern an zumindest annähernd diametral gegenüberliegenden Stellen jeweils tangential mit gleichsinniger Drallerzeugung in die Brennkammer münden.

6. Vormischbrennkammer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sich der die Hauptverbrennungszone (3) umfassende Bereich der Brennkammer (9) in Strömungsrichtung konisch aufweitet.

7. Vormischbrennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotstufe (4) an dem Ende (10) der Brennkammer (9) mit kleinerem Radius stirnseitig angeordnet ist und koaxial dazu verläuft.

8. Vormischbrennkammer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Pilotstufe (4) eine zwischen der Piloteinspritzvorrichtung (11) und der Brennkammer (9) angeordneter Pilotbrennkammer (12) aufweist.

9. Vormischbrennkammeranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, 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) ein­ schließlich Vormischkammern (6) und Pilotstufen (4) äquidistant angeschlossen sind.

10. Vormischbrennkammeranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Brennkammer (9) einen im wesentlichen die Hauptverbrennungszone (3) umfassenden, konusförmigen Teil und stromabwärts dazu einen zu ihrer Längsachse (M) koaxial ange­ ordneten, in die Ringbrennkammer (14) mündenden, zylindrischen Teil (12) umfaßt.