DE2261596B2

DE2261596B2 - Verfahren und Brennkammer zum Verbrennen eines Brennstoffes

Info

Publication number: DE2261596B2
Application number: DE2261596A
Authority: DE
Inventors: Harold Thomas Quigg; Robert Marvin Schirmer
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1971-12-15
Filing date: 1972-12-15
Publication date: 1979-07-19
Also published as: ES409277A1; DE2261596C3; JPS512563B2; CA964072A; US3826077A; GB1410990A; SE409360B; JPS4865314A; CH564733A5; FR2197449A5; IT971654B; DE2261596A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Brennkammer zur Durchführung dieses Verfahrens. Ein wesentlicher Teil der in zunehmendem Maße

w beanstandeten und durch gesetzliche Bestimmungen zu vermeidenden Luftverunreinigungen entsteht durch unvollständige Verbrennung von Brennstoffen. Diese schädlichen Verbrennungsprodukte sind z. B. im Abgas von Düsentriebwerken enthalten und tragen wesentlich

4ί zur Luftverschmutzung bei. Die Hauptbestandteile sind in der Regel Stickstoffoxyde und Kohlenmonoxyd. Bei Brennern zum Verbrennen von Brennstoffen in Brennkammern nach dem Verfahren der eingangs erwähnten Art (US-PS 26 69 090) wird die Verbren-

■>o nungsluft in mehreren hintereinander in der Brennkammer liegenden Zonen zugeführt. Es ergibt sich dadurch aber keine wesentliche Verminderung der schädlichen Abgasbestandteile. Das Verfahren arbeitet zwar mit zwei unabhängigen Luftströmen, weiche über getrennte

ν- Einlasse in die Brennkammer gelangen, wobei ein sekundärer Luftstrom in die sekundäre Brennzone ohne wesentlichen Wärmeaustausch mit der ersten Brennzone gelangt. Bei dem bekannten Verfahren wird stromab der Sekundärbrennzone ein Gasstrom zugefügt. Durch

<>n diese letztere Anordnung kann aber keine weitere Verminderung der schädlichen Anteile in den Abgasen erreicht werden.

Es ist die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ein Verfahren, und eine Brennkammer zur Durchfüh-

'. rung dieses Verfahrens zu schaffen, durch welches die unerwünschten Bestandteile der Abgase erheblich reduziert werden. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale nach dem

kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst

Hierdurch wird das Wärmegefälle über die gesamte Brennkammer so beeinflußt, daß eine wesentlich gleichförmigere und vollständigere Verbrennung stattfinden kann, als dies mit bekannten Brennkammern möglich ist.

Es ist zwar an sich bekannt (US-PS 3067 582), Verbrennungsluft, die in einem Brenner der Brennkammer zugeführt wird, durch Entlangleiten dieser Luft an der Außenwand der Brennkammer vorzuwärmen. Eine wesentliche Verminderung der schädlichen Anteile an den Abgasen wird bei dieser bekannten Anordnung jedoch nicht erreicht und soll auch nicht erreicht werden.

Die Temperatur des Sekundäduftstromes ist vorzugsweise um 55—280⁰C höher als die Temperatur des Primärluftstromes. Dabei ist vorzugsweise die Temperatur des Primärluftstromes nicht größer als 371⁰C.

Die Brennkammer zur Durchführung dieses Verfahrens zeichnet sich durch die Merkmale nach Anspruch 4 aus.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 schematisch einen Axialschnitt durch eine Brennkammer,

F i g. 2,3 und 4 Querschnitte durch die Brennkammer entlang den Linien 2-2,3-3 bzw. 4-4 in F i g. 1,

F i g. 5 ein Teil des Flammrohres der Brennkammer mit Wärmeaustauscherlängsrippen,

Fig.6 einen Querschnitt längs der Linie 6-6 der Fig. 1,

F i g. 7 teilweise geschnitten eine andere Ausführungsform der Brennkammer gemäß der Erfindung,

Fig.8 einen Querschnitt längs der Linie 8-8 der Fig. 7,

Fig.9 teilweise geschnitten eine weitere Ausführungsform der Brennkammer gemäß der Erfindung,

Fig. 10 und 11 Querschnitte längs der Linien 10-10 bzw. 11-11 der F ig. 9,

F i g. 12 im Schnitt eine andere Art des kuppelartigen Verschiußteils, das bei Brennkammern gemäß der Erfindung verwendet werden kann,

F i g. 13 und 14 schematische Darstellungen, teilweise im Schnitt, anderer Ausführung:sformen der Brennkammer gemäß der Erfindung,

Fig. 15 teilweise im Schnitt: eine weitere Ausführungsform der Brennkammer gemäß der Erfindung,

Fig. 16 eine Frontansicht längs der Linie 16-16 der Fig. 15 und

Fig. 17 im Schnitt eine Seitenansicht der Verwirbelungsplatte des kuppeiförmigen Verschlußteils der Brennkammer der F i g. 15.

In F i g. 1 ist eine Brennkammer dargestellt, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist und ein langgestrecktes Flammrohr 12 umfaßt Das Flammrohr 12 ist an seinem stromab liegenden Ende für die Verbindung mit einem Kanal offen, der zu einer Turbine oder einer anderen Verwendungsmöglichkeit der Verbrennungsgase führt. Ein kuppeiförmiges Verschlußteil ist zum Verschließen des stromauf liegenden Endes des Flammrohres mit Ausnahme der öffnungen in diesem Verschlußteil vorgesehen. Ein äußeres Gehäuse 16 ist konzentrisch um das Flammrohr 12 in einem Abstand von diesem angeordnet, um eine erste Ringkammer 18 rings um das Flammrohr 12 und das Verschlußteil 14 zu bilden. Die Ringkammer 18 ist an ihrem stromab liegenden Ende verschlossen. Flanschteile sind an dem stromab liegenden Ende des Flammrohres 12 und des äußeren Gehäuses 16 vorgesehen, um diese mit dem Kanal zu ο verbinden, der zu einer Turbine oder einer anderen Verwendungsmöglichkeit der Verbrennungsgase von der Brennkammer führt In gleicher Weise sind Flanschteile 15 und 17 an dem stromauf liegenden Ende des Rammrohres 12 und des Außengehäuses 16

ι υ vorgesehen, um diese mit einem Kanal zu verbinden, der von einem Kompressor oder einer anderen Luftquelle kommt Die stromauf liegenden Flanschteile umfassen einen Teil des Außengehäuses 16, daß das Verschlußteil 14 umschließt und den stromauf liegenden Endabschnitt

i) der Kammer 18 bildet Das Außengehäuse 16 kann verlängert werden, um das Verschlußteil 14 zu umschließen, und die stromauf liegenden Flansche werden dann an sein stromauf liegendes Ende verlegt Nicht gezeigte Halterungen werden verwendet, um das

2n Flammrohr 12 und das Verschlußteil 14 in dem Außengehäuse 16 und den Flanschteilen zu halten.

Ein Primärlufteinlaß ist vorgesehen, um einen verwirbelten Luftstrom in den stromauf liegenden Endabschnitt des Flammrohres 12 einzuleiten. Wie in

2^r> den F i g. 1 und 4 dargestellt ist, umfaßt dieser Primärlufteinlaß eine im wesentlichen zylindrische Verwirbelungskammer 22, die in dem Verschlußteil 14 ausgebildet ist Das stromab liegende Ende der Kammer 22 steht offen mit dem stromauf liegenden Ende des

JO Flammrohres 12 in Verbindung. Eine Vielzahl von Luftkanälen 24 verläuft von der Kammer 18 oder einer anderen geeigneten Luftquelle in die Verwirbelungskammer 22 tangential in Bezug auf deren Innenwand. Ein Brennstoffeinlaß umfaßt einen Kanal 26 zum Einleiten eines Brennstoffstromes in das stromauf gelegene Ende der Verwirbelungskammer 22, der axial in Bezug auf den verwirbelten Luftstrom verläuft

Ein sich erweiternder Expansionskanal 28 ist an dem stromab liegenden Endabschnitt des Verschlußteils 14 ausgebildet, der sich von dem stromab liegenden Ende der Verwirbelungskammer 22 zu einem Punkt an der Innenwand des Flammrohres 12 nach außen erweitert

Eine Hülse 30 umgibt einen stromauf liegenden Abschnitt des Flammrohres 12. Die Außenwand der

■»5 Hülse 30 kann isoliert sein, falls dies erwünscht ist Die Hülse 30 befindet sich so in einem Abstand von dem Flammrohr 12, daß sie in Längsrichtung einen stromauf liegenden Abschnitt 18' der ersten Ringkammer 18 einschließt und eine zweite Ringkammer 19 zwischen

so der Hülse 30- und dem Außengehäuse 16 bildet Eine ringförmige Wand 32, die an dem Innenumfang des Gehäuses 16 befestigt ist, ist für den Verschluß des stromab liegenden Endes der Kammer 19 vorgesehen. Zumindest eine öffnung 34 ist in der Wand des Flammrohres 12 an einer ersten Stelle vorgesehen, die sich zwischen den Enden des Flammrohres befindet Eine Vielzahl von öffnungen 34 wird normalerweise bevorzugt Ein Kanal 36, der sich von der zweiten Ringkammer 19 erstreckt, steht ;nit der öffnung 34 in

fro Verbindung, um einen Sekundärluftstrom von der zweiten Ringkammer 19 in das Innere des Flammrohres 12 zu leiten. Wenn mehrere öffnungen 34 vorgesehen sind, sind ebenfalls mehrere röhrenförmige Kanäle 36 vorgesehen, wobei jeder einzelne Kanal 36 gesondert

fr ~> mit einer öffnung 34 verbunden ist Dieser beschriebene Aufbau ergibt so einen undurchbrochenen Kanal, der die zweite Ringkammer 19 und den röhrenförmigen Kanal foder die Kanäle) 36 umfaßt, um einen

Sekundärluftstrom in das Innere des Flammrohres 12 zu leiten.

Wenigstens eine andere öffnung 38 ist in der Wand des Flammrohres 12 an einer zweiten Stelle vorgesehen, die sich stromab und in einem Abstand von der ersten > Stelle befindet, um einen Teritärluftstrom von der ersten Ringkammer 18 in das Innere des Flammrohres 12 zu leiten. In den meisten Fällen wird es bevorzugt, mehrer öffnungen 38 vorzusehen, die um den Umfang des Flammrohres in einem Abstand voneinander angeord- ι» net sind, wie es in F i g. 1 dargestellt ist.

Die Oberfläche der Außenwand des Flammrohres 12 ist vorzugsweise mit Rippen od. dgl. versehen, die in dem Bereich angebracht sind, der durch die Hülse 30 umgeben ist, und die sich in den Bereich 18' der ersten '■ ·> Ringkammer erstrecken, der durch diese Hülse eingeschlossen ist. Wie in den F i g. 1,2 und 3 dargestellt ist, können diese Rippen 40 und 42 in Reihen angeordnet sein, die sich um den Umfang des Flammrohres 12 erstrecken und die in einem Abstand voneinander in 2» Längsrichtung an dem Flammrohr angeordnet sind. Die Rippen 40 in jeder dieser Reihen können in Umfangsrichtung voneinander getrennt sein, um Durchgänge 41 zwischen ihnen zu bilden, wie F i g. 2 zeigt. In gleicher Weise können Durchgänge 43 zwischen den Rippen 42 .'■· vorgesehen sein, wie Fig.3 zeigt Fig.5 zeigt eine andere Art von Rippen, die verwendet werden können. Die Rippen 44 verlaufen in Längsrichtung des Flammrohres 12. Die Rippen 40,42 und 44 können sich in den geschlossenen Abschnitt 18' hinein erstrecken. s«

F i g. 6 stellt eine Bauweise dar, die verwendet werden kann, um die röhrenförmigen Kanäle 36 zu bilden. Mehrere Vorsprungteile 37, die voneinander getrennt in Umfangsrichtung in einer Reihe rings um das Flammrohr 12 angeordnet sind, sind stromab von der letzten J> Reihe der Rippen 42 vorgesehen. Die Vorsprungteile 37 haben im allgemeinen die Form der Rippen 40 und 42 und Durchgänge 45 sind zwischen ihnen vorgesehen ähnlich wie die Durchgänge 41 und 43 in den Reihen der Rippen 40 und 42. Die ungelochte Hülse 30 erstreckt ■»'' sich über die Vorsprungteile 37 in gleicher Weise wie bei den Rippen 40 und 42, und die Kanäle 36 können hergestellt werden, indem die Hülse 30 und die Vorsprungteile 37 durchbohrt werden, so daß sie in Verbindung mit den öffnungen 34 in dem Flammrohr 12 * "> stehen. Die Durchgänge 41, 43 und 45 liefern auf diese Weise eine Verbindung von dem stromauf liegenden Ende der ersten Ringkammer 18 durch den eingeschlossenen Abschnitt 18' um die Kanäle 36 herum und in den stromab liegenden Abschnitt der ersten Ringkammer * 18.

F i g. 7 zeigt den stromauf liegenden Abschnitt einer anderen Ausführungsform der Brennkammer. Der stromab liegende Abschnitt, der nicht gezeigt ist, ist dem der Brennkammer der Fig. 1 gleich. In Fig.7 ist ein λ Verschlußteil 46 vorgesehen, um das stromauf liegende Ende des Flammrohres 12 zu verschließen. Dieses Verschlußteil kann als ein Stück hergestellt werden, aber vorzugsweise umfaßt es zwei oder mehr Elemente, zum Beispiel ein stromauf liegendes Element 48 und ein f>o stromab liegendes Element 50. Eine im wesentlichen zylindrische Verwirbelungskammer 52 ist in dem stromauf liegenden Element 48 des Verschlußteües 46 ausgebildet Das stromab liegende Ende der Verwirbelungskammer 52 steht mit dem stromauf liegenden Ende des Flammrohres 12 in offener Verbindung. Ein Primärlufteinlaß ist vorgesehen, um eine Verwirbelungsluftmenge in das stromauf liegende Ende der Kammer 52 und dann in das stromauf liegende Ende des Flammrohres einzuleiten. Wie in den F i g. 7 und 8 dargestellt ist, umfaßt dieser Lufteinlaß tangential Luftkanäle 54, die von der ersten Ringkammer 18 in die Verwirbelungskammer 52 verlaufen.

Brennstoffkanäle 56, die von einer Brennstoffquelle kommen, stehen mit einem Durchgang 58 in Verbindung, der wiederum mit dem Brennstoffdurchgang 60 verbunden ist, der durch die Innenwand des stromab liegenden Elements 50 des Verschlußteils 46 und die stromab liegenden Endwand des stromauf liegenden Elements 48 des Verschlußteils 46 gebildet wird. Die Innenwand des stromab liegenden Elements befindet sich in einem Abstand von der stromab liegenden Stirnwand des stromauf Hegenden Elements 48 und ist in der Form komplementär zu dieser. Die Richtung des Austrittsabschnitts des Brennstoffdurchgangs 60 kann über einen Bereich variieren, der zwischen tangential und senkrecht, aber nicht parallel, zu dem Umfang des Primärluftstroms ist, der von der Verwirbelungskammer 52 austritt. Die Änderung der Richtung des Austrittsabschnitts des Brennstoffdurchgangs 60 liefert ein Verfahren zur Steuerung des Vermischungsgrades zwischen dem Brennstoffstrom und dem Luftstrom an der Grenzschicht zwischen diesen. Wie in F i g. 7 dargestellt ist, bildet die Richtung des Austrittsabschnitts des Brennstoffdurchgangs 60 einen Winkel von etwa 45° in Bezug auf die Umfangslinie der Primärluft, die von der Verwirbelungskammer 52 austritt. Im allgemeinen ist es erwünscht, daß der Austrittsabschnitt des Brennstoffdurchgangs 60 einen Winkel von etwa 15° bis etwa 75°, vorzugsweise von etwa 30° bis etwa 60° in Bezug auf die Umfangslinie des Primärluftstroms, der von der Verwirbelungskammer 52 austritt, bildet In den meisten Fällen wird es bevorzugt, daß der Brennstoff in wesentlichen stromab gerichtet eingeführt wird. Es ist jedoch auch möglich, den Brennstoff stromauf gerichtet einzuführen. Eine Scheibe 62 bildet ein Mittel, um die Breite des Brennstoffdurchganges 60 zu ändern. Andere Mittel können für die Änderung der Breite des Brennstoffdurchgangs 60 vorgesehen werden, wie zum Beispiel Gewinde, die an der Wand des stromauf liegenden Elements 48 und des stromab liegenden Elements 50 vorgesehen sind. Die Form der stromauf liegenden Innenwand des stromab liegenden Elements 50 und die Form der stromab liegenden Endwand des stromauf liegenden Elements 48 können geändert werden, aber sie werden komplementär zueinander gehalten, um so die oben beschriebenen Änderungen in der Richtung und der Breite des Brennstoffdurchgangs 60 zu erreichen.

F i g. 9 stellt den stromauf liegenden Abschnitt einer anderen Ausführungsform der Brennkammer dar. Der stromab liegende Abschnitt der Brennkammer der Fig.9 ist der gleiche wie bei der Brennkammer der Fig. 1. Ein Verschlußteil 64 ist an dem stromauf liegenden Ende des Flammrohres 12 angebracht, um das stromauf liegende Ende des Flammrohres zu verschließen. Eine im allgemeinen zylindrische Verwirbelungskammer 66 ist in dem Verschlußteil 64 ausgebildet Das stromab liegende Ende der Verwirbelungskammer steht offen mit dem stromauf liegenden Ende des Flammrohres in Verbindung. Ein Primärlufteinlaß ist vorgesehen, um eine Verwirbelungsmenge in das stromauf liegende Ende der Verwirbelungskammer 66 und dann in das stromauf liegende Ende des Flammrohres 12 einzuleiten. Wie in den Fig.9 und 10 dargestellt ist, umfaßt der Primärlufteinlaß eine Vielzahl von tangen-

tialen Luftkanälen 68, die sich von dem ringförmigen Raum 74 her erstrecken. Der Brennstoffeiniaß in den Brennraum der F i g. 9 umfaßt einen Brennstoffzuführkanal 70, der mit drei Brennstoffdurchgängen 72 in Verbindung steht, die mit dem ringförmigen Durchgang 74 verbunden sind, der wiederum mit einer Vielzahl von Brennstoffkanälen 76 in Verbindung steht, die tangential durch den stromab liegenden Endabschnitt des Verschlußteils 64 in eine Ausnehmung 78 verlaufen, die in dem stromab liegenden Endabschnitt des Verschlußteils ausgebildet ist. Kanäle 68 sind vorgesehen, um Primärluft tangential in die Verwirbelungskammer 66 im Uhrzeigersinn (strömungsabwärts gesehen) einzuleiten, und Brennstoffeinlaßkanäle 76 (Fig. 11) sind vorgesehen, um Brennstoff tangential in die Ausnehmung 78 in Gegenuhrzeigerrichtung einzuleiten. Es ist jedoch auch möglich, die Richtungen der Primärlufteinlaßkanäle 68 und der Brennstoffeinlaßkanäle 76 umzukehren oder sowohl die Primärlufteinlaßkanäle als auch die Brennstoffeinlaßkanäle in derselben Richtung anzubringen, zum Beispiel beide im Uhrzeigersinn oder beide im Gegenuhrzeigersinn.

Fig. 12 zeigt eine andere Ausführungsform des Verschlußteils, die bei den Flammrohren der hier beschriebenen Brennkammern verwendet werden kann. Das Verschlußteil 78 ist ähnlich dem Verschlußteil 64 der F i g. 9. Der Hauptunterschied besteht darin, daß bei dem Verschlußteil 78 der Kanal 80 durch das Verschlußteil 78 so verläuft, daß er zum Beispiel mit dem stromauf liegenden Endabschnitt des Flammrohres 12 in Verbindung steht. Wenigstens eine Verwirbelungsschaufel 82 befindet sich in diesem Kanal 80, um der durch diesen Kanal 80 durchtretenden Primärluft eine Wirbelbewegung zu erteilen. Falls es erwünscht ist, kann der Kanal 80 ein Ringkanal anstelle des dargestellten röhrenförmigen Kanals sein, wobei Verwirbelungsschaufeln in diesem angebracht sind.

F i g. 13 stellt eine Abwandlung der Brennkammer der F i g. 1 dar. In F i g. 13 sind undurchbrochene gesonderte röhrenförmige Kanäle 36' einzeln mit gesonderten öffnungen 34' in der Wand des Flammrohres 12' verbunden. Die Kanäle 36' erstrecken sich in Längsrichtung durch die ringförmige Kammer 18' zu deren stromauf liegendem Ende und sind vorgesehen, um einen Sekundärluftstrom in das Innere des Flammrohres zu leiten. Das Außengehäuse 16' und das Verschlußteil 14' sind im wesentlichen die gleichen wie die entsprechenden Teile in Fig. 1. Ein Tertiärluftstrom wird zu dem Inneren des Flammrohres 12' über die Kammer 18' und öffnungen 38' geleitet

Fig. 14 stellt eine andere Abwandlung der Brennkammer der F i g. 1 dar, die ähnlich der Brennkammer der F i g. 13 ist Der hauptsächliche Unterschied besteht darin, daß in Fig. 14 die röhrenförmigen Kanäle 36' quer durch die ringförmige Kammer 18' und durch das Außengehäuse 16' und dann zu dem stromauf liegenden Ende der Brennkammer verlaufen.

F i g. 15 zeigt den stromauf liegenden Abschnitt einer anderen Ausführungsform der Brennkammer. Der stromab liegende Teil der Brennkammer der F i g. 15 ist gleich dem der Brennkammer der F i g. 1. Ein Verschlußteil 85 ist an dem stromauf liegenden Ende des Flammrohres 12 angebracht, um das stromauf liegende Ende des Flammrohres zu verschließen. Das Verschlußteil kann als ein Stück hergestellt werden, aber es umfaßt vorzugsweise ein stromauf liegendes Element 86, eine Verwirbelungsplatte 87 (Fig. 17) und ein stromab liegendes Element: oder eine Strahlungsabschirmung 88. Ein Primärlufteinlaß ist vorgesehen, um eine Verwirbelungsluftmenge in die Verwirbelungskammer 89 einzuleiten, die zwischen der Verwirbelungsplatte 87 und der Strahlungsabschirmung 88 ausgebildet ist, und diese Primärluft dann in das stromauf liegende Ende des Flammrohres 12 einzuleiten. Wie in den Fig. 15,16 und 17 dargestellt ist; umfaßt der Primärlufteinlaß eine eine Vielzahl von Luftkanälen 90 und 90', die sich jeweils durch das stromauf liegende Teil 86 und die Verwirbelungsplatte 87 erstrecken. Eine Vielzahl von im Winkel angeordneten Leit- oder Prallflächen 91, eine für jeden Luftkanal 90, sind an der stromab liegenden Seite der Verwirbelungsplatte angrenzend an die Auslaßöffnungen dieser Luftkanäle ausgebildet.

is Der Brennstoffeiniaß (Fig. 15) umfaßt einen Brennstoffkanal 92, der von einer Brennstoffversorgung kommt und mit einem Durchgang 93, der in dem stromauf liegenden Element 86 ausgebildet ist, in Verbindung steht, der wiederum mit einer Kammer 94 in Verbindung steht, die ebenfalls in dem Element 86 ausgebildet ist. Eine Sprühdüse 95 ist in einer öffnung in der stromab liegenden Seite des Elements 86 angebracht und steht mit der Kammer 94 in Verbindung. Es kann natürlich auch eine andere Düsenart zum Zerstäuben des normalerweise flüssigen Brennstoffs verwendet werden, zum Beispiel eine Düse, bei der ein Primärluftstrom zusammen mit dem Brennstoff durch die Düse durchtritt.

Die erfindungsgemäße Brennkammer kann mit Zündeinrichtung und, falls erwünscht, mit einer Einrichtung zum Einleiten eines Pilotbrennstoffs, um das Brennen in Gang zu bringen, versehen sein.

Zum Betreiben der Brennkammer wird ein Luftstrom von einem nicht-gezeigten Kompressor über einen mit dem Flansch 17 verbundenen Kanal in das stromauf liegende Ende des ringförmigen Raumes 18 geleitet. Ein Primärluftstrom wird von dem ringförmigen Raum 18 durch die tangentialen Kanäle 24 in die Verwirbelungskammer 22 geführt Diese tangentialen Kanäle erteilen der in die Verwirbelungskammer eintretenden und aus dieser austretenden Luft eine schraubenförmige oder wirbelnde Bewegung. Diese wirbelnde Bewegung erzeugt eine starke Wirbelwirkung, die eine umgekehrte Zirkulation der heißen Gase in dem Flammrohr 12 zur Folge hat

Ein Strom von Brennstoff, der vorzugsweise vorverdampft ist, wird über den Kanal 26 axial zu dem wirbelnden Luftstrom zugeführt Der Brennstoff und die Primärluft treten aus der Verwirbelungskammer 22 über

so den Expansionsdurchgang 28 aus, indem sie sich von dem Volumen in dem Bereich der anfänglichen Berührung zu dem Volumen des stromauf liegenden Abschnitts des Flammrohres 12 ausdehnen.

Ein von dem Primärluftstrom getrennter Sekundär- luftstrom wird von dem stromauf liegenden Ende der Ringkammer 18 über die zweite Ringkammer 19, die röhrenförmigen Kanäle 36 und die öffnungen 34 in eine zweite Zone der Brennkammer eingeleitet, die stromab von der Primär-Verbrennungszone liegt

Ein Tertiärluftstrom, der von dem Primär- und dem Sekundärluftstrom getrennt ist, wird von dem stromauf liegenden Ende der Ringkammer 18 fiber den eingeschlossenen Abschnitt 18' um die röhrenförmigen Kanäle 36 in den stromab Hegenden Abschnitt der

es Ringkanuner 18 und dann über die öffnungen 38 in eine dritte Zone der Brennkammer geleitet, die sich stromab von der zweiten Zone befindet. Dieser Tertiärluftstrom kann als Verdünnungsluft bezeichnet werden.

Bei diesem Betriebsverfahren wird die Verbrennung des Brennstoffs zumindest in der primären Verbrennungszone mit dem Primärluftstrom begonnen und, falls erforderlich, in der Sekundärzone mit dem Sekundärluftstrom im wesentlichen beendet. Die entstehenden Verbrennungsgase werden in der dritten Zone verdünnt und die verdünnten Gase treten aus dem stromab liegenden Ende des Flammrohres zu einer Turbine oder einer anderen Verwendungsvorrichtung aus, zum Beispiel zu einem Ofen, einem Boiler usw. Bei dem obigen Verfahren führt der Tertiärluftstrom, während er durch den eingeschlossenen Abschnitt 18' strömt, Wärme von der Wand der primären Verbrennungszone ab, so daß deren Temperatur erniedrigt wird, wodurch der Wärmeverlust, von den Verbrennungsgasen anwächst und dadurch die Flammentemperatur in der primären Verbrennungszone abnimmt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der durch die ringförmige Kammer 19 fließende zweite Luftstrom von der heißen Wand der Brennkammer abgeschirmt wird und relativ kalt ist Dies unterstützt ebenfalls die Verringerung der Flammentemperatur in der primären Verbrennungszone. Die Tertiärluft, die durch die Wärmeabgabe von der Brennkammerwand erwärmt wird, wird in der Verdünnungszone der Brennkammer verwendet. Dies ist eine weitere Unterstützung bei der Verringerung der Flammentemperatur, wobei aber der gesamte Wirkungsgrad erhalten bleibt, indem die erhitzte Luft in die Verdünnungszone eingeleitet wird. Es werden hervorragende Ergebnisse bei der Verringerung des Gehalts der Verbrennungsgase an Emissionsstoffen erhalten, insbesondere in Bezug auf eine Abnahme der Emission von Stickstoffoxyden.

Bei dem obigen Verfahren können die relativen Volumina des Primär-, Sekundär- und Tertiärluftstroms beliebigen Mitteln gesteuert werden.

Die erfindungsgemäßen Brennkammern, bei denen Wärme von der Verbrennungszone abgeführt und in die Verdünnungszone wieder eingeführt wird, sind insbesondere für die Verwendung von Brennstoffen mit einem hohen Gehalt an aromatischen Bestandteilen geeignet Dies ist vollständig entgegengesetzt zu der herkömmlichen Praxis. Die ASTM-Bestimmungen für Luftfahrtturbinenbrennstoffe (Aviation Turbine Fuels D 1655) beschränken die Konzentration von aromatischen Bestandteilen sowohl für den Jet A- als auch für den Jet B-Turbinenbrennstoff auf maximal 20%. Solche Brennstoffe haben einen Wasserstoffgehalt im Bereich von etwa 13,5 bis 14 Gewichtsprozent Ein Grund für diese Einschränkung besteht in der Verringerung der Flammenabstrahlung und der Wärmeabgabe an die Wände der Brennkammer. Bei den Brennkammern gemäß der Erfindung ist dieses Problem jedoch durch das oben beschriebene Verfahren des Einleitens von drei getrennten Luftströmen zu der Brennkammer gelöst Auf diese Weise ist die Verwendung von Brennstoffen mit hohem Gehalt an aromatischen Bestandteilen, die eine hohe Flammenabstrahlung besitzen, wünschenswert und vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, da die Emission von Stickstoffoxyden weiter verringert werden kann. Solche Brennstoffe haben einen Wasserstoffgehalt von weniger als 13,5 Gewichtspronzent vorzugsweise von weniger als stwa 12 Gewichtsprozent

Eine Reihe von Untersuchungen wurde mit Brennkammern gemäß der Erfindung und mit einer typischen herkömmlichen Brennkammer als Vergleichsbrennkammer durchgeführt Bei allen diesen Untersuchungen wurde der gleiche Brennstoff verwendet. Einzelheiten dieser Untersuchungen sind in der DE-OS 22 61 596 wiedergegeben.

Die Ergebnisse zeigen klar, daß alle Brennkammern gemäß der Erfindung deutlich bessere Ergebnisse liefern als sie mit Vergleichsbrennkammern erhalten werden. Insbesondere können hervorragende Ergebnisse bei praktisch allen Testbedingungen in Bezug auf die Stickstoffoxydemission erreicht werden, die bei der

ίο Luftverschmutzung am schwierigsten zu kontrollierende ist. Die Ergebnisse zeigen ebenso, daß alle erfindungsgemäßen Brennkammern im Leerlauf betrieben werden können, wobei sie nicht mehr als etwa 2 kg Stickstoffoxyde pro 100 kg verbranntem Brennstoff abgeben, und daß sie nicht mehr als etwa 3,5 kg Stickstoffoxyde pro 1000 kg verbranntem Brennstoff bei maximaler Leistung abgeben. Solche Betriebsbedingungen sind sehr vorteilhaft. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von vorverdampften Brennstoffen beschränkt Es können ebenso zerstäubte flüssige Brennstoffe verwendet werden. Bei einem bevorzugten Betriebsverfahren der erfindungsgemäßen Brennkammern sind der Primär- und Sekundärluftstrom im Vergleich zu dem Tertiärluft strom verhältnismäßig kühl und haben im wesentlichen die gleiche Temperatur. Der Tertiärluftstrom wird in vielen Fällen vorzugsweise auf eine Temperatur erwärmt, die im Bereich von etwa 55 bis 280° C größer ist als die Temperatur des Primär- und des Sekundärluft- Stroms.

Bei einer anderen bevorzugten Betriebsweise der erfindungsgemäßen Brennkammern kann die Temperatur des Sekundärluftstroms etwa 55 bis 280°C größer sein als die Temperatur des Primärluftstroms. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Tertiärluftstrom, falls dies für die günstigsten Ergebnisse erwünscht ist eine Temperatur haben, die etwa 55 bis 280⁰C größer als die Temperatur des Primärluftstroms oder des Sekundärluftstroms ist

Die relativen Volumina des Primär-, Sekundär- und Tertiärluftstroms hängen von anderen Betriebsbedingungen ab. Im allgemeinen wird das gemeinsame Volumen des Primärluftstroms und des Sekundärluftstroms einen kleineren Bruchteil der gesamten der Brennkammer zugeführten Luft das heißt weniger als etwa 50 Volumen-% sein, wobei der Primärluftstrom im Bereich bis etwa 25 Volumen-% und der Sekundärluftstrom im Bereich bis etwa 24 Volumen-% liegt Das Volumen des Tertiärluftstroms ist dabei der größere

so Anteil der gesamten der Brennkammer zugeführten Luft zum Beispiel mehr als etwa 50 Volumen-%.

Bei einem bevorzugten Durchführungsverfahren der Erfindung wird die primäre Verbrennungszone brenn-Uoffreich in Bezug auf die dieser Zone zugeführte

Primärluft betrieben. Das Aquivalenzverhältnis in der primären Verbrennungszone ist daher größer als das stöchiometrische Verhältnis. Bei dieser Betriebsweise ist die zweite Zone {sekundäre Verbrennungszone) der Brennkammer brennstoffarm in Bezug auf unverbrann-

eo ten Brennstoff und die Luft die von der Primärzone in diese zweite Zone eintreten, und in Bezug auf zusätzliche Luft die dieser zweiten Zone zugeführt wird. Daher ist das Aquivalenzverhältnis in der zweiten Zone kleiner als das stöchiometrische. Dieses Betriebsverfah ren wird bevorzugt wenn es erwünscht ist sowohl eine geringe NO_x- als auch eine geringe CO-Emission zu erhalten. Im allgemeinen wird bevorzugt den Obergang von dem brennstoffreichen Zustand in der primären

Verbrennungszone zu dem brennstoffarmen Zustand in der sekundären Zone so schnell wie möglich zu bewirken.

Bei der praktischen Anwendung der Erfindung in Brennkammern mit niedrigem Kompressionsverhältnis, zum Beispiel mit einem Kompressionsverhältnis bis etwa 5, kann das Äquivalenzverhältnis in der primären Verbrennungszone einen solchen Wert haben, daß der NO»-Emissionswert in den Abgasen von der Brennkammer nicht größer als 5 kg, vorzugsweise nicht größer als ι ο etwa 3,5 kg, pro 1000 kg in der Brennkammer verbranntem Brennstoff ist Vorzugsweise ist das Äquivalenzverhältnis wenigstens 1,5; mehr zu bevorzugen ist wenigstens 3,5, je nach den anderen Betriebsgrößen oder Parametern, zum Beispiel der Temperatur der Einlaßluft zu der Primärverbrennungszone.

Die Temperatur der Primärluft zu der primären Verbrennungszone kann eine wichtige Betriebsgröße sein, aber die Erfindung ist nicht auf bestimmten Bereich oder einen Wert dieser Lufttemperatur beschränkt Werden jedoch die gegenwärtig in der Praxis zur Verfügung stehenden Baumaterialien berücksichtigt, so liegt in den meisten Fällen eine praktische obere Grenze für die Primärlufteinlaßtemperatur bei etwa 650 bis 820° C.

Unter Berücksichtigung anderer praktischer Gesichtspunkte, zum Beispiel, daß der Kompressorauslaßstrom nicht gekühlt werden soll, liegt eine praktische untere Grenze bei etwa 90 bis 200° C.

Auch die Temperatur der zu der zweiten Zone der Verbrennung zugeführten Sekundärluft kann eine wichtige Betriebsgröße sein, insbesondere wenn niedrigere Temperaturen der Primärluft verwendet werden, und es erwünscht ist einen geringen CO-Emissionswert und ebenso einen geringen NO*-Emissionswert zu erhalten. Es können sowohl geringe NO₁- Emissions werte als auch geringe CO-Emissionswerte erhalten werden, wenn die Temperatur der Einlaßluft sowohl der primären Verbrennungszone als auch zu der sekundären Verbrennungszone der Brennkammer wenigstens etwa 480° C beträgt Wenn die Temperatur der Einlaßluft zu diesen Zonen abnimmt, werden zunehmend geringere Werte für die NOjrEmission erhalten, aber es wird schwieriger, die wünschenswerten niedrigen CO-Emissionswerte zu erhalten. In einigen Fällen ist es zu bevorzugen, daß die Temperatur der Einlaßluft zu der primären Verbrennungszone nicht größer als etwa 370° C ist. Daher ist es bei einigen Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt daß die Temperatur der Sekundärluft, die zu der zweiten Zone der Brennkammer zugeführt wird, größer als die Temperatur der Primärluft ist, die zu der primären Verbrennungszone zugeführt wird. Zum Beispiel ist es in solchen Fällen je nach der Temperatur der Einlaßluft zu der primären Verbrennungszone vorteilhaft wenn die Temperatur der Sekundärluft in einem Bereich liegt, der etwa 55 bis 280° C größer als die Temperatur der Primäreinlaßluft ist. Die in den Fig. ¹3 und 14 dargestellten Brennkammern sind besonders geeignet um erwärmte Sekundärluftstrome über die röhrenförmigen Kanäle 36 einzuleiten.

Gegenwärtig bevorzugte Bereiche für die anderen Betriebsgrößen sind: Eine Eingangswärme von etwa 17 bis 280 cal/g der Brennkammer zugeführte Gesamtluft; ein Brennkammerdruck von etwa 3 bis 10 Atmosphären und eine Bezugsluftgeschwindigkeit von etwa 15 bis 76 m/sec.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffs in einer Brennkammer, bei dem ein Primärluftstrom und Brennstoff in eine Primärbrennzone der Brennkammer eingeleitet werden, und ein Sekundärluftstrom getrennt vom Primärluftstrom in eine zweite Zone der Brennkammer, die sich stromab von der Primärbrennzone befindet, eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tertiärluftstrom getrennt vom Primär- und Sekundärluftstrom in indirektem Wärmetausch mit der Primärbrennzone geführt wird, um Wärme vom Inneren der Primärbrennzone abzuführen und diesen Tertiärluftstrom zu erwärmen, und daß dieser so erwärmte Tertiärluftstrom in eine dritte Zone der Brennkammer, die sich stromab von der zweiten Zone befindet, eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Sekundärluftstroms 55 bis 280⁰C größer als die Temperatur des Primärluftstroms ist

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Primärluftstroms nicht größer als 371 ° C ist

4. Brennkammer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Kombination aus einem Flammrohr, einem Lufteinlaß zum Einleiten eines Primärluftstroms in den stromauf liegenden Endabschnitt des Flammrohres, einem Brennstoffeinlaß zum Einleiten eines Brennstoffs in diesen Endabschnitt wenigstens einer Sekundärluftöffnung in der Wand des Flammrohres an einer ersten Stelle zwischen dessen stromauf liegendem und stromab liegendem Ende, und wenigstens einer Tertiärluftöffnung an der Wand des Flammrohres an einer zweiten Stelle stromab von der ersten Stelle, und mit einem Sekundärluftkanal, der mit jeder Sekundärluftöffnung aber mit keiner Tertiärluftöffnung in Verbindung steht, um einen Sekundärluftstrom getrennt vom Primärluftstrom in das Innere des Flammrohres zu leiten, gekennzeichnet durch einen Tertiärluftkanal (18'), der an der Primärbrennzone entlang unter Bildung eines Wärmetauschers (40,42) zum Übertragen von Wärme von der Primärbrennzone an den Tertiärluftstrom geführt ist und mit jeder Teritärluftöffnung (38) aber mit keiner Sekundärluftöffnung (34) in Verbindung steht, um den Tertiärluftstrom getrennt vom Primär- und Sekundärluftstrom ins Innere des Flammenrohres zu leiten.

5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse (30) in Abstand einen stromauf liegenden Abschnitt des Flammrohres (12) dicht umgibt und eine erste Ringkammer (18) und eine zweite Ringkammer (19) zwischen der Hülse und dem Außengehäuse (16) bildet, daß eine Prallfläche (37) an der Innenwand des Gehäuses (16) und dem stromab liegenden Ende der Hülse (30) befestigt ist, um das stromab liegende Ende dieser zweiten Ringkammer (19) zu verschließen, und daß wenigstens ein rohrförmiger Kanal (36) diese zweite Ringkammer (19) mit der Sekundär-Luftöffnung (34) an der ersten Stelle in der Wand des Flammrohres (12) verbindet.

6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeaustauschrippen (40,42) an der äußeren Wandfläche des Flammrohres (12) in dem durch die Hülse umgebenen Bereich angebracht sind und sich in den Bereich der ersten Ringkammer (18) erstrecken.

7. Brennkammer nach einem der Ansprüche 4 bis ■; 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verschlußteil (46) das stromauf liegende Ende des Flammrohres abschließt, daß der Primärlufteinlaß eine in dem Verschlußteil (46) ausgebildete, im wesentlichen zylindrische Verwirbelungskammer (52) umfaßt

lu deren stromab liegendes Ende in offener Verbindung mit dem Flammrohr (12) steht und daß eine Zuführeinrichtung (54) vorgesehen ist, um einen Luftstrom in diese Verwirbelungskammer (52) tangential zu deren Innenwand einzuleiten.

8. Brennkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußteil (46) ein stromauf liegendes Element (48), in dem die Verwirbelungskammer ausgebildet ist und ein stromab liegendes Element (50), in dem ein sich

;·ΐ! erweiternder Durchgang ausgebildet ist umfaßt wobei die Innenwand des stromab liegenden Elements (50) in Abstand von der stromab liegenden Stirnwand des stromauf liegenden Elements (48) liegt und einen Brennstoffeinlaß (60) bildet (F i g. 7)

Ji 9. Brennkammer nach Anspruch 7, dadurch

gekennzeichnet, daß der Brennstoffeinlaß eine Vielzahl von Kanälen (76) umfaßt die tangential durch den stromab liegenden Endabschnitt des Verschlußteils (64) verlaufen, der an das stromab

M) liegende Ende der Verwirbelungskammer (66) angrenzt (F i g. 9)