DE2145891A1

DE2145891A1 - Rauchlose Brennkammer fur Gasturbinen

Info

Publication number: DE2145891A1
Application number: DE19712145891
Authority: DE
Inventors: Katsuyuki Akashi Hyogo Kawaguchi (Japan) P
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1970-09-14
Filing date: 1971-09-14
Publication date: 1972-03-23
Also published as: GB1366144A; FR2106485B1; FR2106485A1; CA944163A; CH526039A

Description

L J

Unter Zeichen: Κβ/Di Rauchlose Brennkammer für Gasturbinen

Die Erfindung betrifft eine rauchfreie Brennkammer, insbesondere zur Verhinderung von schwarzem Rauch bei der Kraftstoffverbrennung in der Brennkammer einer Gasturbine.

Die rauchfreie, vollständige Verbrennung in einer Gasturoinen-Brennkammer hängt von der Primärzone der Brennkammer ab. Die herkömmlichen kannenförmigen Brennkammern besitzen ein bestimmtes Verbrennungsschema, da ihre Primärzone unter besonderer Berücksichtigung des Verbrennungswirkungsgrads, des Druckabfalls und der Verbrennungsstabilität ausgelegt ist. Hierbei sind um das Kraftstoff-Einspritzventil herum Leitbleche zur Stabilisierung der Flamme sowie zahlreiche Öffnungen auf dem Umfang zur Zuführung der Verbrennungsluft - häufig mit Führungsrohren und -nutzen zur Erhöhung des Strörnungskoeffizienten der Austrittsluft und zum Vermischen der über das Kraftstoff-Einspritzventil eingespritzten Kraftstoffteilchen vorgesehen, um die Kraftstoffteilchen mittels einer elektrischen Zündeinrich-

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tung zu zünden und zu verbrennen. Bei dieser Brennkammer-Art ist die Vermischung der in Kegelform eingespritzten Kraftstoffteilchen mit der Verbrennungsluft mangelhaft, wobei es in der Verbrennungszone nahe des Einspritzventils an für die Verbrennung benötigter Luft mangelt, so daß sich ein kraftstoffreicher bzw. "überfetteter" Zustand ergibt, der eine unvollständige Verbrennung und die Entstehung von Kohlenstoff, welcher die Ursache der Rauchbildung ist, verursacht. Die Leiibleche sind für die Zünd- und Flammen-Stabilität günstig, bringen jedoch die Rauchentwicklung infolge eines ungünstigen LuftrKraftstoff-Verhältnisses mit sich.

Es wird bereits eine Brennkammer für Strahltriebwerke verwendet, bei welcher ein Wirbel- bzw. Drallblech beliebiger Art, beispielsweise ein herkömmlicher Dralleinsatz oder ein Radialschaufel-Dralleinsatz um das Kraftstoff-Einspritzventil herum angeordnet ist, wobei die Strömungsenergie dazu ausgenutzt wird, der in den Oberteil der Primärzone einströmenden Luft eine Drehung zu erteilen und dadurch eine Verkleinerung des Einspritzwinkels der Kraftstoffteilchen zu verhindern; die Vermischung der Kraftstoff teilchen mit der Luft wird dadurch verbessert, daß zwischen den Luftströmen von anderen an der Seite der Primärzone gelegenen Luftzulassen ein zirkulierender Luftstrom erzeugt wird. Obgleich es bei dieser Brennkammerart möglich ist, die für die Verbrennung benötigte Luftmenge ohne merkliche Verminderung des Disc kuxb falls zu erhöhen und das Vermischen zu verbessern, führt die erhöhte Luftmenge zu Schwierigkeiten bei der Zündung und der Verbrennungs-Stabilität sowie zu einem ungünstigen Status in der

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Temperaturverteiliong am Auslaß infolge einer Ausbreitung der Flamme zur Stromabseite des Brennkammer-Zylinders, was eine Beeinträchtigung des Gleichgewichts von für die verschiedenen Brennkammern wesentlichen Charakteristiken zur Folge hat. Außerdem wird bei dieser Konstruktion eine beträchtliche Menge schwarzen Rauches entwickelt, da die Drallbleche und Hutzen unter Berücksichtigung der Verbrennungs-Stabilität, des Verbrennungs-Wirkungsgrads und der Austrittstemperatur, aber nicht im Hinblick auf eine rauchlose Verbrennung ausgelegt sind.

Die Erzielung einer rauchlosen Verbrennung ist somit unvereinbar mit der Verbrennungs-Stabilität, der Erhöhung des Druckabfalls und der Flammenausbreitung. Daher ist ^J es erforderlich, zunächst die Gesamteigenschaften von Brennkammern eingehender zu untersuchen.

Wie erwähnt, gelten für eine rauchfreie, vollständige Verbrennung folgende Bedingungen:

1. Erhöhung der für die Verbrennung zur Verfügung stehenden Luftmenge über das normale Luft:■Kraftstoff-Verhältnis von Όσ1 in der Primärzone, unter der Voraussetzung, daß kein Flammabriß und keine Erhöhung des Druckabfalls auftritt.

2. Gutes Vermischen der Kraftstoffteilchen mit der Luft, so daß in der Primärzone keine lokale Kraftstoff-Überanreicherung auftritt.

3. Einwirkung einer Drall- bzw. Drehungsenergie auf die Kraftstoffteilchen, da ein Druckanstieg im Innenzylinder

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zu einer Verkleinerung des Einspritzwinkels am Kraftstoff -Einspritzventil und mithin zu einer Zunahme der Bildung von schwarzem Rauch führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist in erster Linie die, Schaffung

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einer eine Luftverschmutzung vermeidendenYBrennkammer mit einer auf eine nicht wahrnehmbare Rauchbildung reduzierten Rauchentwicklung, und zwar mit einer Rauchreduzierung etwa auf eine Backaraeh-Rauohzahl (BSN) von 3 - 4 Im ganzen Betriebslastbereich und ohne wesentlichem Verminderung der Leistung der Gasturbine.

Zur Erfüllung der vorgenannten drei Erfordernisse wird dementsprechend die Auswahl einer zweckmäßigen Wirbelbzw. Drallschaufel sowie die Bestimmung der Anzahl und For» der den Verbrennungsluft-Zustrom von der Seite der Primärzone her steuernden Hutzen und eine Kombination beider Maßnahmen vorgesbhlagen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelös--* daß ein Kraftstoff-Einspritzventil, welches mit einem Dralleinsatz mit einem Sohaufelwinkel von 50 - 60° versehen ist, axial in den Innenzylinder der Brennkammer einmündet und daß an drei Luft-Zuführungsstellen am Zylinder der Brennkammer jeweils Luft-Hutzen vorgesehen sind, welche senkrecht zur Achse des Brennkammer-Innenzylinders in diesen einmünden.

Die Erfindung stellt einen wesentlichen Beitrag zu den Bemühungen dar, die Luftverschmutzung durch Kraftstoff-

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verbrennung wesentlich zu reduzieren·

Wenn die Drehung der Kraftstoffteilohen und des Luft-» Stroms unter dem Einfluß der Drallbleche bzw. des Drall» 'einsatzes einwandfrei 1st und die Luft in zweckmäßiger Menge und Richtung von der Seite des Brennkammer-Zylinders her eingeleitet wird, wird ein stabiler, sioh drehender bzw, zirkulierender Luftstrom hervorgebracht· Hierdurch wtid die Vermischung der Kraftstoffteilchen mit der Luft verbessert und es wird die Verbrennungs-Flamme unter einem stabil "ziirkuXi er enden Luftstrom fixiert, ohne ausgeblasen zu werden, so daß die Rauchentwicklung vermindert wird, da infolge der kontinuierlichen Drall- bzw· Kreiselbewegung die Verweilzeit der Kraftstoffteilchen in der Verbrennungszone verlängert und der Kraftstoff selten in unverbranntem Zustand ausgestoßen wird. Läßt sich eine geeignete Kombination bezüglich Zahl und Form von Dralleinsatz und Hutzen finden, so kann eine rauchlose Brennkammer mit raucharmer Verbrennung und guten Allgemeinbedingungen ohne Beeinträohtgung der Verbrennungsstabilität entwickelt werden.

Als Ergebnis der auf den grundsätzlichen Überlegungen beruhenden Untersuchungen wurden zehn Kombinationen von vier Drallschaufel-Winkeln (#) von 60°, 55°* ^5° und j50° sowie drei bis sechs Hutzen variierender Länge geprüft*. Von diesen Kombinationen wurden die vier besten Korabinationen von Drallschaufeln und Hutzen bestimmt, wie dies später noch näher erläutert werden wird.

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Im folgenden ist die Erfindung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel im Vergleich zum Stand der Technik anhand van Zeichungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Ansichten dreier verschiedener« um das Kraftstoff »Einspritzventil herum angeordneter Dralleinsätze,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Brennkammer mit um das Kraftstoff-Einspritzventil herum angeordneten Flammenstabilisierungs-Platten bzw· -Leitblechen«

Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine Brennkammer mit den Merkmalen der Erfindung,

Flg. 4 eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Messung der Schwärzrauchentwioklung bei einem Druck-Verbrennungsversuch und

Flg. 5 ein· graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen dem Verbrennungsdruck und der Rauchdichte bei unterschiedlichen Winkeln der Wirbelbzw· Drallschaufel·

In Fig· 1 sind drei Dralleinsätze a,b,c veranschaulicht« wobei mit 101 die Wirbelschaufel und mit o( ihr Anstellwinkel bezeichnet ist.

Fig. 2 zeigt eine herkömmliche Brennkammer mit einem flammenstabilisierenden Leitblech 1OJ, der Primärzone A, der Sekundärzone B und der Übergangszone C.

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Gemäß Fig. j5 weist die erfindungsgemäße Brennkammer ein Kraftstoff-Einspritzventil 1 mit einer - in Strömungsrichtung gesehen - am oberen Ende der Primärzone angeordneten, axial zur Brennkammer gerichteten Einspritz-üffnung sowie einen Dralleinsatz 2 zweckmäßiger, aus den Typen a,b und c gemäß Fig. 1 ausgewählt exfConstruktion auf, der um das Einspritzventil 1 herum angeordnet ist. Gemäß Fig· 1 sind außerdem Zulasse bzw· Hutzen 3 und 4, die an drei Beltiftungsstellen in der ersten Reihe an der Seite der Primär-Brennkammer angeordnet sind, sowie weitere Hutzen 5 vorgesehen, die sich an drei Belüftungsstellen in der zweiten Reihe befinden· Alle Hutzen münden unter einem rechten Winkel zur Axialriohtung in die Brennkammer«

Die in der zweiten Reihe angeordneten Hutzen 5 sind auf die Hutzen der ersten Reihe axial ausgerichtet oder zlckzaokartig zu diesen versetzt und dienen zur Verbesserung der Vermischung der Kraftstoffteilchen mit Luft in der Sekundärzone·

Die Wirbel- bzw· Drallschaufeln sind am Dralleinsatz unter Anstellwinkeln von 50° - 60° angeschweißt. Bei 8 sind Kaltlufteinlässe zur Kühlung des Einspritzventils angedeutet.

Bei der dargestellten Konstruktion strömt die in den Dralleinsatz 2 eingeführte Druckluft entlang der inneren Brennkammer-Kuppel bzw. Wand und bildet dabei einen

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wirbelnden bzw. zirkulierenden Luftstrom 6, welcher Kraftstoffteilchen mit sich mitführt. Infolgedessen ist der statische Druck nahe der Wand der inneren Brennkammer hoch, aber in der Mitte niedrig. Andererseits ist der von den Hutzen 3* die mit entsprechender Länge, mit zweckmäßigem Durchmesser und in geeigneter Zahl angeordnet sind, in den Mittelbereich einströmende Luftstrom gegenüber dem kreiselnden Luftstrom 6 von niedrigem statischen Druck, so daß eine stabil zirkulierende Strömung 7 erzeugt wird. Da die Verbrennungs-Flamme durch die stabil zirkulierende Strömung stationär gehalten wird, wird die Verweilzeit der Kraftstoffteilchen verlängert und mithin die Entwicklung schwarzen Rauches vermindert»

Die vorher beschriebenen Primärwirkungen werden somit durch Anordnung der Hutzen j5 in der ersten Reihe erreicht. Die in der zweiten Reihe befindlichen Hutzen 5 besitzen die Aufgabe, die zirkulierende Strömung 7 zu unterstützen und das Verhalten der Gemischluft bei der Verbrennung freier Kohlenstoffe zu verbessern, die unverbrannt in der Primärzone zurückbleiben.

Wie erwähnt, wird durch eine entsprechende Auswahl der Drallschaufel-Winkel sowie der Anzahl, der Form und der Anordnung der Hutzen erreicht, daß keine Instabi~ Iitat der Flamme auftritt, in der Primärzone ein günstiges Kraftstoff:Luft~Verhältnis aufrechterhalten wird, die Vermischung von Luft und Kraftstoff durch die große zirkulierende Strömung 7 verbessert wird und eine starke Verminderung der Rauchentwicklung erzielt werden kann.

BAD ORIGINAL

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Bei den Brennkammern-Innenzylindern, die einen Durchmesser von 300 - 400 mm besitzen, wird die beste Leistung erzielt, wenn der Drallschaufel-Winkel 50 - 6o° beträgt, in der ersten Hutzen-Reihe drei Hutzen mit gleichen Abständen von 120° voneinander über den Umfang verteilt sind, in der zweiten Reihe drei Hutzen mit einer Phasenverschiebung von 60° gegenüber der ersten Hutzenreihe und mit zickzackförmiger Anordnung der beiden Reihen angeordnet sind und die Hutzen eine Höhe von 45 mm besitzen. Wird der Durchmesser des Brennkammer-Innenzylinders vergrößert, dann sollte auch die Höhe der Hutzen proportional vergrößert werden. Eine unzweckmäßige Auswahl des Schaufelwinkels und der Anzahl von Hutzen kann zu einer Beeinträchtigung des Gleichgewichts zwischen der rotierenden Strömung 6 und der zirkulierenden Strömung 7 und somit zu ungünstigen Verbrennungsbedingungen führen.

In Fig. 4 ist für vier konkrete Beispiele eines zweistufigen Hutzensystems mit erfindungsgemäßem Dralleinsatz ein Vergleich der Meßergebnisse mit einer bekannten, Leitblech-Brennkammer und einer rauchfreien Leitblech-Brennkammer veranschaulicht. In Fig. 4 gibt die Ordinate die Bacharach-Rauchzahl (BSN) an, die als Mittel zum Vergleich der verbleibenden Kohlenstoffmenge nach dem Absaugen einer bestimmten Menge des Austrittsgas.es auf einer inneren Filterplatte mit einer Norm-Menge dient, während die Abszisse den Temperaturanstieg (Kraftstoff:Luft-Verhältnis) in der Brennkammer angibt. Im Vergleich zur rauchfreien Leitblech-

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Brennkammer beträgt die BSN bei einer erfindungsgemäßen Brennkammer weniger als die Hälfte der bei ersterer ermittelten BSN.

Die in Pig, 4 durch die Kurven 1, 2, 3 und 4 angedeuteten Brennkammern waren wie folgt aufgebaut:

1: Drallschaufel-Winkel X = 50 - 6o°, drei Hutzen in der ersten Reihe (Winkelabstand 120°) und drei Hutzen in der zweiten Reihe, axial auf die ersten Hutzen ausgerichtet. Bei dieser Ausführungsform kann eine etwas größere Rauchmenge entstehen, jedoch ohne Instabilität, wie Flammabriß.

2: Drallschaufel-Winkel fc = 50 - 6o°, drei Hutzen in der ersten Reihe (Winkelabstand 120°) und drei Hutzen in der zweiten Reihe, gegenüber den ersten Hutzen zickzackförmig versetzt angeordnet. Gemäß Fig. 4 ist die Rauchentwicklung geringer als bei der ersten Ausfuhrungsform.

3: Drall s chaufel-Winkel M = 50 - 6o°, Anzahl der Hutzen wie bei der ersten Ausführungsform, wobei jede Hutze die Form eines schief geschnittenen Rohrendes besitzt und in Stromaufrichtung in die Brennkammer einmündet. Bei dieser AusführURgsform sind die Zündungsund Flammabriß-Eigenschaften weiter verbessert, so daß sich geringere Rauchentwicklung ergibt.

4j Drallschaufel-Winkelc*= 50 - 60°, Hutzen-Zahl und -Anordnung wie bei der ersten Ausführungsformj öffnung der Übergangszone etwas geringer als bei der ersten Ausführungsform, bei etwas erhöhtem Druck-

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abfall. Diese AusfUhrungsform zeigte die geringste Rauchentwicklung, besitzt jedoch eine ungünstige Temperaturverteilung am Austritt.

Die vier vorstehend beschriebenen Brennkammern besitzen sämtlich einen Drallschaufel-Winkel <* von 50 - 60°. Bei diesem Winkel ist es möglich, die Rauchschwärzung über den gesamten Lastbereich hinweg infolge einer verminderten Erhöhung der Rauchdichte bei Lastanstieg (Erhöhung von Druck und Kraftstoffmenge) einer Gasturbine zu verringern

Fig. 5 zeigt das Verhältnis zwischen Verbrennungsdruck und Rauchdichte für verschiedene Drallschaufel-Winkel ex, Bei der Leitblech-Brennkammer gemäß Fig. 1 und bei den Brennkammern mit einem Schaufelwinkel von 4-5 - 30° ist eine merkliche Zunahme der Rauchschwärzung bei Druckerhöhung zu beobachten,

Die fünfte Brennkammer, welche den vorgenannten Beispielen 1 bis 4 entspricht, besitzt einen Drallschaufel-Winkel c<, von 50 - 6o°sowie eine Kombination verschiedener Dralleinsätze der Typen a, b und c gemäß Fig. 1 in Verbindung mit den vorher beschriebenen Hutzen, wodurch die Verbrennungs-Stabilität und die Rauchentwicklungs-Eigenschaften verbessert werden.

Wie vorher ausgeführt, besitzt eine erfindungsgemäße Brennkammer die folgenden Merkmale:

-o^v

1. Ein Dralleinsatz mit einem Schaufelwinkel von 50 ist um das Kraftstoff-Einspritzventil herum angeordnet und an drei Belüftungen in der ersten Reihe an der Seite des Brennkammer-Zylinders ist je eine Luft-Hutze bzw.

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Aufnehmer vorgesehen, wobei

(a) neben dem Dralleinsatz drei schief geschnittene Hutzen an den Belüftungen vorgesehen sind, welche sich in Stromaufrichtung der Brennkammer öffnen;

(b) der Schaufelwinkel 50 τ 6o° beträgt und der Dralleinsatz an den Füßen und Spitzen der Schaufeln konische Leitbleche aufweist, die um das Einspritzventil herum vorgesehen sind und mit der Hutzen-Anordnung zusammenwirken.

2. Um das Kraftstoff-Einspritzventil ist ein Dralleinsatz mit einem Schaufelwinkel von 50 - 60° angeordnet und an jeder der drei Belüftungen in der ersten Reihe an der Seite des Brennkammer-Zylinders sowie an jeder der drei Belüftungen in der zweiten Reihe ist je eine Luft-Hutze angeordnet, wobei

(a) der Dralleinsatz und eine Kombination von drei Hutzen in der zweiten Reihe in der Mantelwand des Brennkammer-Zylinders angeordnet sind und die Hutzen entweder in einer axialen Reihe mit den Hutzen der ersten Reihe oder diesen gegenüber versetzt angeordnet sind;

(b) der Dralleinsatz mit den Hutzen kombiniert ist und die schief geschnittenen Enden der Hutzen sich in Stromaufrichtung der Brennkammer öffnen;

(c) der Schaufelwinkel 50 - 60° beträgt und der Dralleinsatz an den Füßen und Spitzen der Schaufeln konische Leitbleche aufweist, die um das Einspritz-

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ventil herum angeordnet und mit der Hutzenanordnung kombiniert.sind.

Obgleich vorstehend eine spezielle Ausführungsform der Erfindung zur Erläuterung der Erfindung in Einzelheiten dargestellt und beschrieben ist , kann die-Erfindung selbstverständlich auch in anderen AusfUhrungsfor*» men und Kombinationen verkörpert werden, ohne daß von ihrem Grundgedanken abgewichen wird.

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Claims

Patentanspruch

Rauchlose Brennkammer für Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftstoff-Einspritzventil (1), welches mit einem Dralleinsatz (2) mit einem Schäufelwinkel von 50 - 60° versehen ist, axial in den Innenzylinder der Brennkammer einmündet und daß an drei Luft-Zuführungsstellen am Innenzylinder der Brennkammer jeweils Luft-Hutzen (3, 4 bzw, 5) vorgesehen sind, welche senkrecht zur Achse des Brennkammer-Innenzylinders in diesen einmünden.

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