DE19903770A1

DE19903770A1 - Vergasungsbrenner für einen Gasturbinenmotor

Info

Publication number: DE19903770A1
Application number: DE19903770A
Authority: DE
Inventors: Eric Roy Norster; Mahmoud Kowkabi; Simon De Pietro; Hoger Guenter Heinrich Hesse
Original assignee: Alstom Power UK Holdings Ltd
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-01-31
Filing date: 1999-01-30
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2019-01-31
Also published as: GB9802021D0; US20010027637A1; JP4346724B2; GB2333832A; FR2774455A1; GB2336663A; JPH11270357A; FR2774455B1; GB9901797D0; US6532726B2; DE19903770B4; ITTO990062A1; GB2336663B; JPH11257100A; IT1307122B1

Abstract

Ein Verbrennungssytem für einen Gasturbinenmotor weist einen Vergasungsbrenner mit einem Brennerkopf (11) auf, der Voreinspritzvorrichtungen sowohl für gasförmigen Brennstoff als auch für flüssigen Brennstoff aufweist, wobei die Vorfüllanordnung für Gas eine ringförmige Leitung (32) aufweist, die mit einer stromabwärts ausgerichteten Fläche (22) DES Kopfes und einer Ablenkvorrichtung (20) neben der Leitung verbunden ist, um den gasförmigen Vorfüllbrennstoff in Richtung auf eine Längsachse (21) des Vergasungsbrenners und über einen zentralen Teil der nach unten ausgerichteten Fläche zu richten. Das Verbrennungssystem ist so ausgestaltet, daß sowohl während des Betriebs mit gasförmigen Brennstoff als auch mit flüssigem Brennstoff die vordere Flammenfläche (FF) dircht neben dem Brennerkopf (11) angeordnet ist, und während des Betriebs mit flüssigem Brennstoff die Luft über die nach unten gerichtete Fläche (22) geleitet wird, um den Kopf zu kühlen. Vorteilhaft wird die Kühlluft zugeführt, indem sie den gasförmigen Vorfüll-Brennstoff in der ringförmigen Leitung (32) ersetzt, so daß sie wie der gasförmige Brennstoff abgelenkt wird, und mit dem zentralen Teil der stromabwärts ausgerichteten Fläche in Kontakt tritt. Der Brennerkopf weist ebenfalls Haupteinspritzvorrichtungen (23, 27) für gasförmigen und flüssigen Brennstoff auf, die mit einem oder mehreren Durchgängen in einem Radial-Drallkörper (12), der an dem Brennerkopf angebracht ist, in Verbindung stehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vergasungsbrenner für einen Ga sturbinenmotor, der geeignet ist, sowohl gasförmige als auch flüssige Brennstoffe zu verbrennen, und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, einen Vergasungsbrenner, der in einem Verbrennungsprozeß unter mageren Verbrennungsbedingungen ar beitet.

Konstruktionen von Vergasungsbrennern mit magerer Verbrennung, bei denen sehr wenig Verbrennungsluft, wenn überhaupt, in den Vergasungsbrenner eingeführt wird, der sich stromabwärts von der Luft-Brennstoff-Mischanordnung für den Brenner befindet, sind gegenwärtig weit verbreitet. Der große Vorteil des Sy stems mit magerer Verbrennung besteht in der Reduktion des An teils an schädlichen Emissionen bei Bedingungen hoher Motor last. Ein Nachteil besteht jedoch in der Schwierigkeit, die Verbrennungsflamme unter Niederlastbedingungen aufrechtzuhal ten, so daß ein "Ausgehen der Flamme", d. h. das einfache Erlö schen der Flamme, nicht auftritt.

Um ein Erlöschen der Flamme unter Bedingungen niedriger Motor last zu vermeiden, haben dem Stand der Technik entsprechende Modelle Methoden, wie brennstoffreiche Zündflammensysteme und gestaffelte Brennstoffsysteme, verwendet. Erstere neigen dazu, den Anteil an Emissionen zu erhöhen, und letzte führen im all gemeinen zu einem komplizierten und teuren Aufbau.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Re duzierung schädlicher Emissionen mit einer Reduzierung der Komplexität und infolge davon der Kosten zu kombinieren.

In ihrem weitesten Sinne stellt die vorliegende Erfindung ein Verbrennungssystem eines Typs mit magerer Verbrennung bereit, das einen Brenner, eine Vorverbrennungskammer und eine Haupt verbrennungskammer aufweist, die in Flußrichtung aufeinander folgend angeordnet sind, wobei der Brenner einen Brennerkopf mit einer Brennerfläche umfaßt, der Einspritzvorrichtungen für Brennstoff aufweist, um Brennstoff aus dem Brenner in die Vor kammer einzuspritzen, wobei der Vergasungsbrenner so angeord net ist, daß während des Betriebs des Vergasungsbrenners eine Frontfläche der Verbrennungsflamme dicht neben der Brennerflä che brennt, und der Brenner ferner eine Leitvorrichtung für Brennstoff aufweist, um den Brennstoff in einem ersten Be triebsmodus des Vergasungsbrenners auf die Brennerfläche zu richten, und eine Leitvorrichtung für Kühlluft aufweist, um während eines zweiten Betriebsmodus des Vergasungsbrenners Kühlluft auf die Brennerfläche zu richten.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung weist ein Gasturbinenverbrennungssystem des Typs mit ma gerer Verbrennung einen Vergasungsbrenner auf, der einen Bren ner, eine Verbrennungsvorkammer und eine Verbrennungshauptkam mer enthält, die in Flußrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei der Brenner
einen Brennerkopf,
eine Brennerfläche des Brennerkopfes, die ein am weitesten stromaufwärts angeordnetes Ende der Vorkammer bildet,
Einspritzvorrichtungen für gasförmigen Brennstoff, um gasför migen Brennstoff aus dem Brennerkopf in die Vorkammer einzu spritzen, und
eine Einspritzvorrichtung für flüssigen Brennstoff aufweist, die von der Einspritzvorrichtung für gasförmigen Brennstoff abgetrennt ist, um flüssigen Brennstoff aus dem Brennerkopf in die Vorkammer einzuspritzen,
wobei der Vergasungsbrenner so angeordnet ist, daß im Betrieb des Vergasungsbrenners eine Frontfläche einer Verbrennungs flamme dicht neben dem zentralen Teil der Brennerfläche brennt, wobei das Verbrennungssystem ferner Vorrichtungen auf weist, die einen Wechsel vom Betrieb des Vergasungsbrenners mit gasförmigem Brennstoff in den Betrieb des Vergasungsbren ners mit flüssigem Brennstoff ermöglichen, und Vorrichtungen, die während des Betriebs des Vergasungsbrenners mit flüssigem Brennstoff betätigt werden können, um zu verhindern, daß gas förmiger Brennstoff eingespritzt wird, und die das Einspritzen von Kühlluft aus dem Brennerkopf in die Vorkammer ermöglichen, wobei der Brenner ferner Leitvorrichtungen aufweist, durch die während des Betriebs des Vergasungsbrenners mit gasförmigem Brennstoff gasförmiger Brennstoff auf den zentralen Teils der Brennerfläche gerichtet wird, und während des Betriebs des Vergasungsbrenners mit flüssigem Brennstoff Kühlluft auf den zentralen Teil der Brennerfläche gerichtet wird.

Es ist zweckdienlich, jedoch nicht entscheidend, daß dieselbe Leitvorrichtung verwendet wird, um sowohl den gasförmigen Brennstoff als auch die Kühlluft auf den zentralen Teil der Brennerfläche zu richten.

Die Einspritzvorrichtung für gasförmigen Brennstoff kann eine Leitvorrichtung umfassen, die geeignet ist, den gasförmigen Brennstoff und die Kühlluft ringförmig in Richtung des zentra len Teils der Brennerfläche einzuführen.

Die Leitvorrichtung kann eine Randvorrichtung aufweisen, die auf der Brennerfläche vorgesehen ist und sich in Richtung des zentralen Teil der Brennerfläche erstreckt, wobei die Randvor richtung in Bezug auf die Einspritzvorrichtung derart angeord net ist, daß sie gasförmigen Brennstoff und Luft, die aus der Einspritzvorrichtung austreten, auf den zentralen Teil der Brennerfläche richtet.

Die Einspritzvorrichtung für flüssigen Brennstoff kann zwi schen der Einspritzvorrichtung für gasförmigen Brennstoff und dem zentralen Teil der Brennerfläche angeordnet sein. Bevor zugt umfaßt die Einspritzvorrichtung für flüssigen Brennstoff eine Leitungsvorrichtung für flüssigen Brennstoff, die mit der Brennerfläche in Verbindung steht. Eine Zündvorrichtung kann zwischen der Einspritzvorrichtung für gasförmigen Brennstoff und der Einspritzvorrichtung für flüssigen Brennstoff oder zwischen benachbarten Einspritzvorrichtungen für flüssigen Brennstoff angeordnet sein.

Die Einspritzvorrichtungen für flüssigen Brennstoff und gas förmigen Brennstoff umfassen bevorzugt eine Voreinspritzvor richtung für gasförmigen Brennstoff, eine Voreinspritzvorrich tung für flüssigen Brennstoff, eine Haupteinspritzvorrichtung für gasförmigen Brennstoff und eine Haupteinspritzvorrichtung für flüssigen Brennstoff, wobei sämtliche Vor- und Hauptein spritzvorrichtungen für Brennstoff in Verbindung mit der Bren nerfläche stehen. Die Haupteinspritzvorrichtung für flüssigen Brennstoff ist vorteilhaft radial außerhalb der Voreinspritz vorrichtung für flüssigen Brennstoff angeordnet. Die Hauptein spritzvorrichtung für gasförmigen Brennstoff kann radial au ßerhalb der Haupteinspritzvorrichtung für flüssigen Brennstoff angeordnet sein.

Bevorzugt umfaßt der Brenner einen Radial-Drallkörper, der zwischen der Brennerfläche und der Vorkammer angeordnet ist, wobei der Drallkörper mehrere Durchgänge aufweist, damit die Verbrennungsluft durch den Drallkörper auf den zentralen Teil der Brennerfläche fließt. Bevorzugt ist die Haupteinspritzvor richtung für gasförmigen Brennstoff neben einem radial äußeren Teil der Durchgänge angeordnet und steht mit zumindest einem Drallkörperdurchgang in Verbindung, während die Hauptein spritzvorrichtung für flüssigen Brennstoff neben einem radial inneren Teil der Durchgänge angeordnet ist und mit zumindest einem Durchgang in Verbindung steht.

Das Verbrennungssystem umfaßt Einlaßvorrichtungen für Brenn stoff, die mit den Vor- und Haupteinspritzvorrichtungen für gasförmigen Brennstoff und flüssigen Brennstoff in Verbindung stehen, um Brennstoff in diese einzuspeisen, Steuervorrichtun gen, die mit den Einlaßvorrichtungen für Brennstoff in Verbin dung stehen, um den Brennstoffstrom in die Vor- und Hauptein spritzvorrichtungen für gasförmigen und flüssigen Brennstoff zu steuern, derart, daß während des Betriebs mit flüssigem Brennstoff die Steuervorrichtung den gasförmigen Vorfüllbrenn stoff von der Voreinspritzvorrichtung für gasförmigen Brenn stoff abtrennt und letztere mit einer Kühlluftquelle verbin det.

Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Betreiben des obigen Verbrennungssystems während des Betriebs des Verga sungsbrenners mit gasförmigem Brennstoff bereit, aufweisend die Schritte:
Einleiten eines Einspritzvorgangs von Vorfüllbrennstoff und Hauptbrennstoff in die Vorkammer mit den jeweiligen vorbe stimmten Massendurchsätzen, und
Variieren der jeweiligen Massendurchsätze des eingespritz ten Vorfüllbrennstoffs und Hauptbrennstoffs in bezug auf den gesamten Massendurchsatz an gasförmigem Brennstoffs zwischen den Bedingungen bei der Inbetriebnahme des Motors und den Mo torbedingungen voller Last, derart, daß unter den Bedingungen bei Inbetriebnahme des Motors der gesamte Fluß an gasförmigen Brennstoff hauptsächlich Vorfüllbrennstoff enthält und bei Be dingungen voller Last der gesamte Fluß an gasförmigem Brenn stoff hauptsächlich Hauptbrennstoff enthält.

Bei Bedingungen der Inbetriebnahme des Motors stellt der gas förmige Hauptbrennstoff bevorzugt nicht mehr als etwa 5% des gesamten Flusses an gasförmigem Brennstoff und der gasförmige Vorfüllbrennstoff nicht weniger als etwa 95% des gesamten Flusses an gasförmigen Brennstoff bereit, wobei bei Bedingun gen voller Motorlast der gasförmige Hauptbrennstoff nicht we niger als etwa 95% des gesamten Flusses an gasförmigen Brenn stoff und der gasförmige Vorfüllbrennstoff nicht mehr als etwa 5%, jedoch mehr als 0% des gesamten Flusses an gasförmigem Brennstoff bereitstellt.

Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Betreiben des obigen Verbrennungssystems im Betrieb des Vergasungsbrenners mit flüssigem Brennstoff bereit, aufweisend die Schritte:
Einleiten eines Einspritzvorgangs von flüssigem Vorfüll brennstoff in die Vorkammer mit einem bestimmten Massendurch satz während der Inbetriebnahme des Motors,
Erhöhen des Massendurchsatzes an flüssigem Vorfüllbrenn stoff, um die Motorkraft auf Bedingungen voller Motorlast zu erhöhen,
Einleiten des Einspritzens von flüssigem Hauptbrennstoff in die Vorkammer mit einem bestimmten Massendurchsatz, wenn ein bestimmter Anteil der vollen Motorlast erreicht worden ist,
Kontinuierliches Absenken der Zuführung von Vorfüllbrenn stoff und Erhöhen der Zuführung von Hauptbrennstoff, bis die Bedingungen voller Motorlast erreicht worden ist, und
Einleiten von Kühlluft aus dem Brennerkopf in die Vorkam mer unter Verwendung der Leitvorrichtung während des Betriebs des Vergasungsbrenners mit flüssigem Brennstoff.

Der obige angegebene Anteil der vollen Motorlast kann nähe rungsweise 70% betragen. Bei Bedingungen voller Motorlast sollte der flüssige Hauptbrennstoff nicht weniger als etwa 95 % des gesamten Flusses an flüssigem Brennstoff und der flüssi ge Vorfüllbrennstoff nicht mehr als etwa 5%, jedoch mehr als 0% des gesamten Flusses an flüssigem Brennstoff betragen.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Verbrennungssy stem darstellt und eine vereinfachte axiale Ansicht eines Ver gasungsbrenners im Schnitt zeigt, der einen Teil des Verbren nungssystems bildet,

Fig. 2 den Vergasungsbrenner nach Fig. 1 zeigt, während er im Gasbrennstoff-Modus arbeitet,

Fig. 3 den Vergasungsbrenner nach Fig. 1 zeigt, während er im Flüssigbrennstoff-Modus arbeitet und

Fig. 4 ein Querschnitt entlang IV-IV durch den Brenner aus Fig. 3 ist.

Nach Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemä ßen Vergasungsbrenner dargestellt, der aus einem Brenner 10, einer Verbrennungsvorkammer 13 und einer Hauptverbrennungs kammer 4 besteht. Der Brenner 10 umfaßt einen Brennerkopfbe reich 11, der an einem Drallkörperbereich 12 mit radial nach innen gelenktem Fluß angebracht ist. Die Hauptkammer hat einen größeren Durchmesser als die Vorkammer. Der Drallkörper 12 weist mehrere voneinander beabstandete Flügel 30 auf (s. Fig. 4), die Durchgänge 14 zwischen sich umgeben.

Im Betrieb wird komprimierte Luft 15, die in Richtung der ge zeigen Pfeile fließt, dem Brenner zugeführt (gewöhnlich aus dem Kompressor der Gasturbine) und bewegt sich durch die Durchgänge 14 zwischen den Drallkörperflügeln. Die Luft ver mischt sich mit dem Brennstoff, der aus der stromabwärts ge richteten Fläche 16 des Brennerkopfes eingespeist wird. Wenn die Mischung in die Vorkammer 13 eintritt, wird sie zum Bei spiel mit Hilfe einer elektrischen Zündeinheit 17 entzündet. Sobald die Flamme angezündet worden ist, brennt sie ohne wei tere Hilfe einer solchen Zündvorrichtung weiter.

Im folgenden werden nun der Betriebsmodus mit gasförmigem Brennstoff und mit flüssigem Brennstoff getrennt beschrieben.

Der Betriebsmodus mit gasförmigem Brennstoff wird unter Bezug nahme auf Fig. 1 und 2 beschrieben. Das System für gasförmigen Brennstoff umfaßt ein Vorfüll-Brennstoff-System und ein Haupt-Brenn stoffsystem, die auf progressive Weise zusammenwirken, so daß ein nahtloser Übergang von einem Betriebsmodus in den an deren bereitgestellt wird. Wenn der Motor in Betrieb genommen wird, steuert die Brennstoffsteuerung 40 regelbare Absperror gane 42 und 44, so daß der größte Teil des gasförmigen Brenn stoffs aus der Zuführungsleitung 46 in das Vorfüllsystem ge leitet wird, wobei das Gas, das durch das Verbindungsstück 18 am Brennerkopf 11 zugeführt wird, sich durch die Leitungen in dem Kopf bewegt, bis es eine ringförmige Leitung 19 erreicht, aus der es entweder über eine Reihe voneinander beabstandeter Bohrungen 32 oder eine kontinuierliche ringförmige Leitung auf die Innenseite einer Leit- oder Ablenkvorrichtung in Form ei nes den Umfang umgebenden Randes 20 gerichtet wird, der sich radial nach innen in Richtung der Längsachse 21 des Verga sungsbrenners erstreckt. Der Rand 20 lenkt das Vorfüllgas über einen zentralen Bereich 22 der Fläche 16, d. h. radial nach innen in eine Richtung senkrecht zur Achse 21. Das Vorfüllgas vermischt sich mit der einströmenden komprimierten Luft 15 und dem Hauptgasbrennstoff, der aus den Durchgängen 14 zwischen den Drallkörperflügeln austritt (der Hauptgasbrennstoff tritt aus dem Brennerkopf an den Öffnungen 23 aus). Die Zündvorrich tung 17 wird daraufhin aktiviert, so daß sie eine Flamme ent zündet. Die Düsen 23 für das Hauptbrennstoffgas sind am Ein laßbereich des Drallkörpers für Luft angeordnet, d. h. neben einem radial äußeren Teil der Durchgänge 14 und werden von den Verbindungselementen 24 durch Verbindungsleitungen einge speist, wie es zu sehen ist.

Bei der Inbetriebnahme des Motors und bei niedrigen Lasten ist der größte Anteil (z. B. < 95%) des eingespeisten Brennstoffs gasförmiger Vorfüll-Brennstoffs, der mit Hilfe des Absperror gans 44 durch die Leitungen 46, 48, 50 strömt, wobei der Rest über Haupteinspritzvorrichtungen 23 für Gas mit Hilfe des Ab sperrorgans 42 eingespeist wird, das in diesem Stadium voll ständig geöffnet ist. Wenn jedoch die Motorlast und Geschwin digkeit ansteigt, wird das Absperrorgan 44 nach und nach ge schlossen und gleichzeitig das Absperrorgan 42 nach und nach geöffnet, wobei die Hauptzuführung für Gas zu den Verbindungs elementen 24 über den Weg 46, 52 erhöht wird, so daß nach und nach ein größerer Anteil des gesamten Massenflusses an gasför migem Brennstoff in der Leitung 46 aus den Hauptdüsen 23 in die Vorkammer eingespeist wird. Das Hauptgas und die Luft ver mischen sich in der Vorkammer 13 und der Hauptkammer 4 mitein ander, wenn sie auf ihrem Weg zur Verbrennungsflamme nach in nen durch die Durchgänge 14 des Drallkörpers hindurchtreten. Wenn die Last weiter ansteigt, verändert die Brennstoffsteue rung 40 weiterhin nach und nach die Einstellungen der Absper rorgane 42,44, so daß nach und nach mehr Brennstoff durch die Verbindungselemente 24 für das Hauptgas und weniger durch die Vorfüll-Verbindungselemente 18 eingespeist, wobei schließlich bei voller Last näherungsweise 95% des insgesamt benötigten Brennstoffs über das Hauptverbindungselement 24 und der Rest über das Vorfüll-Verbindungselement 18 bereitgestellt wird.

Das Ventil 44 wird jedoch niemals so eingestellt, daß es die Wege 46, 48, 50 vollständig schließt, so daß immer ein gewisser Gasstrom aus dem Vorfüllsystem über die zentrale Brennerfläche 22 vorliegt.

Fig. 2 zeigt eine Verbrennungsflammenhülle, die durch die Li nie "F" wiedergegeben wird, und die vordere Flammenfläche "FF". Die vordere Flammenfläche FF wird dadurch erzeugt, daß das Fluid 33 zurückzirkuliert, indem es in die Verbrennungs kammer entlang der radial äußeren Teile der Kammer eintritt und entlang der Zentralachse der Kammer (Achse 21) in Richtung des Brenners (s. Pfeil 34) zurückfließt und dann wiederum in Richtung der Hauptkammer (s. Pfeil 35) fließt. Die vordere Flammenfläche FF selbst bildet den Punkt, an dem der Axialfluß 34 in Richtung des Brenners (35) zurückfließt.

Ein Merkmal des vorliegenden Brenners besteht darin, daß die vordere Flammenfläche bei allen Lasteinstellungen des Motors immer neben der Fläche 22 bleibt. (Es ist anzumerken, daß in den bekannten Vorkammer/Hauptkammer-Verbrennungssystemen die vordere Flammenfläche der Hauptflamme, wenn auch nicht notwen digerweise die Vorflamme, gewöhnlich nicht so weit stromauf wärts in der Vorkammer angeordnet ist.)
Erfindungsgemäß erreicht die vordere Fläche FF die Brennerflä che 22 fast, indem zum Beispiel ein großes Verhältnis von Durchmesser zu Länge der Vorkammer verwendet wird (im Durch führungsbeispiel beträgt dieses Verhältnis 2 : 1), und indem über axial ausgerichtete Luft- oder Brennstoffdüsen verteilt wird, die normalerweise im zentralen Bereich der Fläche 22 vorgesehen sind. Solche Düsen wirken gegen den Fluß 34, um die Fortbewegung der Flammenfläche in Richtung der Brennerfläche 22 zu begrenzen.

Es könnte vermutet werden, daß, wenn die Flammenfläche neben der Fläche 22 liegt, sie normalerweise bewirkt, daß diese Flä che überhitzt und zerstört wird und es damit zu Durchführungs probleme kommt. Durch den Fluß aus Vorfüllgas, der über die Fläche 22 streicht, erfolgt jedoch eine wirkungsvolle Isolie rung, um eine derartige Zerstörung zu verhindern. Diese Ausge staltung des Brenners, wobei die vordere Fläche der Flamme im mer neben der stromabwärts gerichteten Fläche 22 des Brenner kopfes gehalten wird und damit innerhalb der Vorkammer, ist dahingehend vorteilhaft, daß die Luft-Brennstoff-Mischung in nerhalb der Vorkammer eine ausreichende Geschwindigkeit hat, um eine Stichflamme zurück in den Drallkörper zu verhindern.

Dies liegt an dem relativ kleinen Querschnittsbereich der Vor kammer 13 in Bezug auf die Menge an Brennstoff und Luft, die durch sie hindurchtritt.

Bei der Anordnung für Flüssigbrennstoff des vorliegenden Ver gasungsbrenners (s. Fig. 1 und 3) verwendet dieser Arbeits modus wie auch der Gasmodus, sowohl das Vorfüll- und das Haupt-Brennstoff-System, die durch regelbare Absperrorgane 62 und 68 gesteuert werden. Die vordere Flammenfläche ist in die sem Modus ebenfalls bei allen Lasteinstellungen neben der Brennerfläche 22 angeordnet.

Es ist zumindest eine, bevorzugt sind jedoch mehrere Vorfüll düsen 25 für flüssigen Brennstoff vorgesehen, die am Umfangs rand des zentralen Teils 22 der Brennerfläche 16 vorgesehen sind und denen flüssiger Brennstoff mit Hilfe des Absperror gans 62, der Leitung 64, dem (den) Verbindungslement(en) 26 aus der Leitung 60 zugeführt wird, um die Vorflamme zu betrei ben. Derartige Vorfülldüsen sind in der Brennerfläche außer halb des äußeren Umfangs der Verbrennungsflamme neben der Flä che 22 angeordnet. Hauptdüsen 27 für flüssigen Brennstoff, der aus den Brennstoffverbindungen 28 über geeignete Leitungen eingespeist wird, sind an dem Bereich des Drallkörpers 12, an dem Luft austritt, angeordnet, d. h. nahe einem radial inneren Bereich der Durchgänge 14 des Drallkörpers.

Wenn der Motor in Betrieb genommen wird, wird flüssiger Vor füllbrennstoff aus den Vorfülldüsen 25 in axialer Richtung parallel oder annähernd parallel zur zentralen Längsachse 21 in die Vorkammer 13 eingesprüht, wo er sich mit der Luft 15 vermischt, die aus den Durchgängen 14 des Drallkörpers aus tritt. Das Luft-Brennstoff-Gemisch wird durch einen Funken der Zündeinheit 17 entzündet. Während der Inbetriebnahme steuert die Brennstoffsteuerung 40 die Absperrorgane 61, 68, so daß das Absperrorgan 68 geschlossen ist, und es werden alle Anforde rungen in bezug auf den Brennstoff durch die Vorfülldüse(n) erfüllt, wobei das Hauptbrennstoffsystem in diesem Stadium keine Rolle spielt.

Ausgehend von der Inbetriebnahme auf näherungsweise 70% vol ler Last, wird das Absperrorgan 62 so gesteuert, daß ein nach und nach größerer Anteil des gesamten Massendurchsatzes an flüssigem Brennstoff durch die Vorfülldüse(n) eingespeist wird, bis bei nährungsweise 70% voller Last eine Veränderung des Brennstoffzulaufs erfolgt, wobei das Absperrorgan 68 ge öffnet wird und Hauptbrennstoff aus den Düsen 27 eingespeist wird. Die Hauptbrennstoffzuführung stellt näherungsweise 95% des gesamten für den Motorbetrieb erforderlichen Brennstoffs zwischen 70 und 100% voller Last bereit, so daß in diesem Lastbereich nur etwa 5% aus der (den) Vorfülldüse(n) 25 ein gespeist wird. Es ist von wesentlicher Bedeutung, daß das Ab sperrorgan 62 zumindest leicht geöffnet ist, so daß zu jeder Zeit ein gewisser Vorfüll-Brennstoffstrom vorhanden ist, sogar bei Bedingungen voller Last.

Die Hauptdüsen 27 für flüssigen Brennstoff sind auf der Bren nerfläche 16 in dem Austrittsbereich für Luft der Durchgänge 14 des Drallkörpers angeordnet und führen Brennstoff in einer Richtung ein, die näherungsweise senkrecht zum Luftstrom 15 liegt. Es ist wichtig, daß der gesamte flüssige Brennstoff, der eingespeist wird, in den Luftstrom eingetragen wird und nicht in Kontakt mit den stromaufwärts und stromabwärts ange ordneten Seitenwänden des Drallkörpers 12 oder den Flügelwän den in einem Ausmaß treten kann, daß eine Wand angefeuchtet wird. Zu diesem Zweck sind die Düsenkörper für Brennstoff oberhalb der Montagefläche 16 angeordnet, wobei sich die Dü senöffnungen in einem Abstand zu der Fläche befinden, so daß bei niedrigen Einstellungen der Brennstoffdrücke kein Brenn stoff auf die Fläche tropft. Aus ähnlichen Gründen wird der Druck so eingestellt, daß er nicht ausreicht, daß der Brenn stoff in Kontakt mit der stromabwärts ausgerichteten Wand 29 des Drallkörpers tritt.

Es ist wichtig, daß, um ein Überhitzen und infolge davon eine Beschädigung der Fläche 22 zu vermeiden, im Betrieb mit flüs sigem Brennstoff Luft unter Druck aus der Leitung 72 durch ein regelbares Mehrwegeabsperrorgan 44 und die Leitung 50 in die Voreinspritzeinrichtung für Gas geleitet wird, so daß es über die Fläche 22 streicht, auf die gleiche Weise wie das Vorfüll gas während des Gasbetriebs in Kontakt mit der Fläche gebracht wird. Diese Luft fungiert als Kühlmittel und isolierende Bar riere, um die Fläche 22 vor der Hitze der Flamme zu schützen.

Fig. 4 ist ein Schnitt entlang der Linie "IV-IV" durch Fig. 3 und stellt die Anordnung der Flügel des Drallkörpers, der Durchgänge, der Anordnung der Düsen für gasförmigen und flüs sigen Brennstoff dar, wie er in der Ausführungsform der oben beschriebenen Erfindung verwendet wird. Dies schraffierten dreieckigen Bereiche 30 sind die Flügelbereiche, während die freien Bereiche zwischen den Flügeln die Luftdurchgänge 14 sind.

Während das bevorzugte Verfahren zur Übertragung von Kühlluft auf die stromabwärts ausgerichtete Fläche des Brennkopfes dar in besteht, Vorfüll-Gasleitungen zu verwenden, um die Luft zu fördern, können alternativ an diesen Auslässe (nicht darge stellt) in dem Kopf, die zum Beispiel zwischen den voneinander beabstandeten Gasauslässen 32 angeordnet sind, verwendet wer den. Diese geeignete Auslässe werden von gleichermaßen geeig nete Leitungen (ebenfalls nicht dargestellt) aus geeigneten Einlässen und ein getrenntes Absperrorgang, das durch die Brennstoffsteuerung 40 gesteuert wird, gespeist.

Obwohl die Zündvorrichtung 17 so dargestellt ist, daß sie auf einem Radius zwischen dem, auf dem die Vorfülldüsen 25 für flüssigen Brennstoff angeordnet sind, und dem der ringförmigen Leitung 19 angeordnet sind, können sie alternativ auch auf demselben Radius liegen wie die Düsen 25.

Claims

1. Verbrennungssystem des Typs mit magerer Verbrennung für einen Gasturbinenmotor mit einem Vergasungsbrenner, aufweisend einen Brenner (10), eine Verbrennungsvorkammer (13) und eine Verbrennungshauptkammer (4), die in Flußrichtung aufeinander folgend angeordnet sind, wobei der Brenner
einen Brennerkopf (11),
eine Brennerfläche (16) des Brennerkopfes, wobei die Bren nerfläche ein am weitestens stromaufwärts angeordnetes Ende der Vorkammer (13) bildet,
Einspritzvorrichtungen (32) für Gas, um gasförmigen Brenn stoff aus dem Brennerkopf in die Vorkammer einzuspritzen,
Einspritzvorrichtungen (25) für flüssigen Brennstoff, die von den Einspritzvorrichtungen für flüssigen Brennstoff ge trennt sind, um flüssigen Brennstoff aus dem Brennerkopf in die Vorkammer einzuspritzen, und
Vorrichtungen (40, 44, 42, usw.), um den Wechsel des Ver gasungsbrenners vom Betrieb mit gasförmigem Brennstoff in den Betrieb mit flüssigem Brennstoff zu ermöglichen, aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vergasungsbrenner so ange ordnet ist, daß während des Betriebs des Vergasungsbrenners eine Frontfläche (FF) der Verbrennungsflamme dicht neben einem zentralen Teil (22) der Brennerfläche (16) brennt, das Ver brennungssystem ferner Vorrichtungen (40, 44) aufweist, die während des Betriebs des Vergasungsbrenners mit flüssigem Brennstoff betätigt werden können, um zu verhindern, daß gas förmiger Brennstoff eingespritzt wird, und das Einspritzen von Kühlluft aus dem Brennerkopf (11) in die Vorkammer (13) ermög lichen, wobei der Brenner ferner Leitvorrichtungen (20) auf weist, durch die während des Betriebs des Vergasungsbrenners mit gasförmigem Brennstoff gasförmiger Brennstoff auf den zen tralen Teil (22) der Brennerfläche gerichtet wird, und während des Betriebs des Vergasungsbrenners mit flüssigem Brennstoff Kühlluft auf den zentralen Teil der Brennerfläche gerichtet wird.

2. Verbrennungssystem nach Anspruch 1, wobei dieselbe Leit vorrichtung (20) verwendet wird, um sowohl den gasförmigen Brennstoff als auch die Kühlluft auf den zentralen Bereich (22) der Brennerfläche (16) zu richten.

3. Verbrennungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Einspritzvorrichtung für gasförmigen Brennstoff eine Leit vorrichtung beinhaltet, die geeignet ist, gasförmigen Brenn stoff und Kühlluft in ringförmiger Anordnung auf den zentralen Teil der Brennerfläche zu richten.

4. Verbrennungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitvorrichtung eine Randvorrichtung (20) aufweist, die auf der Brennerfläche (16) vorgesehen ist und sich in Richtung des zentralen Teils (22) der Brennerfläche erstreckt, wobei die Randvorrichtung in be zug auf die Einspritzvorrichtung (32) derart angeordnet ist, daß sie gasförmigen Brennstoff und Luft, die aus der Ein spritzvorrichtung austreten, in Richtung des zentralen Teils (22) der Brennerfläche ablenken.

5. Verbrennungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung (25) für flüssigen Brennstoff zwischen der Einspritzvorrichtung (32) für gasförmigen Brennstoff und dem zentralen Teil (22) der Brennerfläche angeordnet ist.

6. Verbrennungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung für flüssigen Brennstoff eine Leitvorrichtung für flüssigen Brenn stoff aufweist, die mit der Brennerfläche in Verbindung steht.

7. Verbrennungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Zündeinrichtung (17) aufweist, die zwischen der Einspritzvorrichtung (32) für den gasförmigen Brennstoff und der Einspritzvorrichtung (25) für flüssigen Brennstoff angeordnet ist.

8. Verbrennungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündeinrichtung zwischen benachbarten Einspritzvorrichtungen für flüssigen Brennstoff angeordnet ist.

9. Verbrennungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtungen für flüssigen Brennstoff und für gasförmigen Brennstoff eine Voreinspritzvorrichtung (32) für gasförmigen Brennstoff, eine Voreinspritzvorrichtung (25) für flüssigen Brennstoff, eine Haupteinspritzvorrichtung (23) für gasförmigen Brennstoff und eine Haupteinspritzvorrichtung (27) für flüssigen Brennstoff aufweisen, wobei alle diese Einspritzvorrichtungen mit der Brennerfläche (16) in Verbindung stehen.

10. Verbrennungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupteinspritzvorrichtung (27) für flüssigen Brennstoff radial außerhalb der Vorfüll-Ein spritzvorrichtung (25) für gasförmigen Brennstoff angeord net ist.

11. Verbrennungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Haupteinspritzvorrichtung (23) für gasförmi gen Brennstoff radial außerhalb der Haupteinspritzvorrichtung (27) für flüssigen Brennstoff angeordnet ist.

12. Verbrennungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (10) einen Radi al-Drallkörper (12) umfaßt, der zwischen der Brennerfläche (16) und der Vorkammer (13) angeordnet ist, wobei der Drall körper mehrere Durchgänge (14) aufweist, damit die Verbren nungsluft durch den Drallkörper in Richtung des zentralen Teils (22) der Brennerfläche fließen kann.

13. Verbrennungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß der Brenner (10) einen Radial-Drallkörper (12) um faßt, der zwischen der Brennerfläche (16) und der Vorkammer (13) angeordnet ist, wobei der Drallkörper mehrere Durchgänge (14) aufweist, damit die Verbrennungsluft durch den Drallkör per in Richtung des zentralen Teils (22) der Brennerfläche fließen kann, wobei die Haupteinspritzvorrichtung (23) für gasförmigen Brennstoff neben einem radial äußeren Teil der Durchgänge angeordnet ist und mit zumindest einem der Durch gänge (14) des Drallkörpers in Verbindung steht, und die Haupteinspritzvorrichtung (27) für flüssigen Brennstoff an ei nem radial inneren Teil der Durchgänge angeordnet ist und mit zumindest einem der Durchgänge in Verbindung steht.

14. Verbrennungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß Einlaßvorrichtungen (18, 26) für Brennstoff mit den Einspritzvorrichtungen (32, 25) für den gasförmigen Brennstoff und den flüssigen Brennstoff in Verbindung stehen, um Brenn stoff in diese einzuspeisen, Steuervorrichtungen (40, 44, 62) mit den Einlaßvorrichtungen für Brennstoff verbunden sind, um den Brennstoffstrom in die Einspritzvorrichtungen für gasför migen Brennstoff und flüssigen Brennstoff zu steuern, derart, daß während des Betriebs mit flüssigem Brennstoff die Steuer vorrichtung (40, 44) den gasförmigen Brennstoff von der Ein spritzvorrichtung (32) für gasförmigen Brennstoff abtrennt und mit letzterer eine Kühlluftquelle (72) verbindet.

15. Verbrennungssystem nach Anspruch 9, aufweisend Einlaßvor richtungen (18, 24, 26, 28) für Brennstoff, die mit den Vor- und Haupteinspritzvorrichtungen (23, 25, 27, 32) für gasförmi gen Brennstoff und flüssigen Brennstoff in Verbindung stehen, um Brennstoff in diese einzuspeisen, Steuervorrichtungen (40, 42, 44, 62, 68), die mit den Einlaßvorrichtungen für Brenn stoff verbunden sind, um den Brennstoffstrom in die Vor- und Haupteinspritzvorrichtungen für gasförmigen Brennstoff und flüssigen Brennstoff zu steuern, derart, daß während des Be triebs mit flüssigem Brennstoff die Steuervorrichtung (40, 44) den gasförmigen Vorfüllbrennstoff von der Voreinspritzvorrich tung (32) für gasförmigen Brennstoff abtrennt und mit letzte rer eine Kühlluftquelle (72) verbindet.

16. Verbrennungssystem des Typs mit magerer Verbrennung für einen Gasturbinenmotor, aufweisend einen Brenner (10), eine Verbrennungsvorkammer (13) und eine Verbrennungshauptkammer (4), die in Flußrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei der Brenner einen Brennerkopf (11) mit einer Brennerflä che (16) aufweist, die eine Brennstoffeinspritzvorrichtung (32) zum Einspritzen von Brennstoff aus der Brennerfläche in die Vorkammer aufweist, wobei der Vergasungsbrenner so ange ordnet ist, daß während des Betriebs des Vergasungsbrenners eine Frontfläche (FF) der Verbrennungsflamme dicht neben der Brennerfläche brennt, der Brenner ferner eine Leitvorrichtung (20) für Brennstoff aufweist, um während eines ersten Be triebsmoduls des Vergasungsbrenners Brennstoff auf die Bren nerfläche zu richten, und eine Leitvorrichtung (20) für Kühl luft, um einen Kühlluftstrom während eines zweiten Betriebsmo dus des Vergasungsbrenner auf die Brennerfläche zu richten.

17. Verbrennungssystem nach Anspruch 16, aufweisend Vorrich tungen (40, 44, 62), um einen Wechsel aus dem Betrieb des Ver gasungsbrenners mit gasförmigem Brennstoff in einen Betrieb des Vergasungsbrenners mit flüssigem Brennstoff zu ermögli chen, wobei es sich bei dem Betrieb mit gasförmigem Brennstoff und dem Betrieb mit flüssigem Brennstoff um den ersten Be triebsmodus und den zweiten Betriebsmodus des Vergasungsbren ners handelt, und
Vorrichtungen (40, 44), die während des Betriebs des Ver gasungsbrenners mit flüssigem Brennstoff betrieben werden kön nen, um das Einspritzen von gasförmigem Brennstoff zu verhin dern, und das Einspritzen von Kühlluft aus dem Brennerkopf durch die Leitvorrichtung (20) in die Vorkammer zu ermögli chen.

18. Verfahren zum Betreiben des Verbrennungssystems nach Anspruch 1 während des Betriebs des Vergasungsbrenners mit gas förmigem Brennstoff, das die Schritte enthält:
Einleiten des Einspritzvorgangs von Vorfüllbrennstoff und Hauptbrennstoff in die Vorkammer (13) mit den festgelegten je weiligen Massendurchsätzen und
Verändern der jeweiligen Massendurchsätze des eingespritz ten Vorfüllbrennstoffs und Hauptbrennstoffs in bezug auf den gesamten Massendurchsatz von gasförmigem Brennstoff zwischen Motorbedingungen bei der Inbetriebnahme und Bedingungen voller Motorlast, so daß unter Bedingungen bei der Inbetriebnahme des Motors der gesamte Fluß an gasförmigem Brennstoff hauptsäch lich Vorfüllbrennstoff enthält und bei Bedingungen voller Mo torlast der gesamte Fluß an gasförmigem Brennstoff hauptsäch lich Hauptbrennstoff enthält.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß unter Bedingungen bei der Inbetriebnahme des Motors der gas förmige Hauptbrennstoff nicht mehr als etwa 5% des gesamten Flusses an gasförmigen Brennstoffs bereitstellt und der gas förmige Vorfüllbrennstoff nicht weniger als etwa 95% des ge samten Flusses an gasförmigem Brennstoff bereitstellt, wobei bei Bedingungen voller Motorlast der gasförmige Hauptbrenn stoff nicht weniger als etwa 95% des gesamten Flusses an gas förmigem Brennstoff bereitstellt und der gasförmige Vorfüll brennstoff nicht mehr als etwa 5%, jedoch mehr als 0% des gesamten Flusses an gasförmigen Brennstoff bereitstellt.

20. Verfahren zum Betreiben des Verbrennungssystems nach An spruch 1 oder Anspruch 17 während des Betriebs des Vergasungs brenners mit flüssigem Brennstoff, aufweisend die Schritte:
Einleiten des Einspritzvorgangs von flüssigem Vorfüll brennstoff in die Vorkammer (13) mit einem bestimmten Massen durchsatz während der Inbetriebnahme des Motors,
Erhöhen des Massendurchsatzes an flüssigem Vorfüllbrenn stoff, um die Motorkraft auf die Bedingungen voller Motorlast zu erhöhen,
Einleiten des Einspritzvorgangs von flüssigem Hauptbrenn stoff in die Vorkammer mit einem bestimmten Massendurchsatz, sobald ein bestimmter Anteil der vollen Motorlast erreicht worden ist,
Kontinuierliche Zurücknahme der Zuführung von Vorfüll brennstoff und Erhöhen der Zuführung von Hauptbrennstoff, bis die Bedingungen voller Motorlast erreicht ist, und
Einspritzen von Kühlluft aus dem Brennerkopf in die Vor kammer unter Verwendung der Leitvorrichtung (20) während des Betriebs des Vergasungsbrenners mit flüssigem Brennstoff.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Anteil der vollen Motorlast näherungsweise 70% beträgt und bei Bedingungen voller Motorlast der flüssige Hauptbrennstoff nicht weniger als etwa 95% des gesamten Flus ses an flüssigem Brennstoffs bereitstellt und der flüssige Vorfüllbrennstoff nicht mehr als etwa 5%, jedoch mehr als 0% des gesamten Flusses an flüssigem Brennstoff bereitstellt.