DE2417147C2

DE2417147C2 - Brennkammeranordnung für Gasturbinen

Info

Publication number: DE2417147C2
Application number: DE2417147A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Zürich Koch
Original assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Current assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Priority date: 1974-04-03
Filing date: 1974-04-09
Publication date: 1982-04-08
Also published as: CA1022757A; FR2266803A1; DE2417147A1; GB1495672A; IT1034688B; FR2266803B3; CH577627A5; SE402479B; JPS5761975B2; JPS50135415A; US4073134A; SE7503449L

Description

— der Raum (2) ist als Sekundärbrennkammer ausgebildet

— der Raum (2) weist einen kalottenförmigen Abschluß (3) auf,

— die Primärbrennkammern (1) befinden sich an der Kalotte (3) und sind so angeordnet daß ihre Längsachsen sich zumindest annähernd in einem Punkt innerhalb der Sekundärbreankammer treffen,

— die Brennstoffzufuhr jeder der Primärbrennkammern (1) ist zu- und abschaltbar,

— die Primärbrennkammern (1) sind so bemessen, daß darin lediglich eine Teilverbrennung stattfindet

— es ist mindestens ein Anfahrbrenner (5) vorgesehen, welcher, vorzugsweise zentral, im kalottenförmigen Abschluß (3) angeordnet ist

2. Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den kalotteniörmigen Abschluß (3) die Sekundärbrennkammer (2) als zylindrischer Rohrabschnitt (9) anschließt, welcher sich in einen kegelstumpfartigen Rohrabschnitt (13) fortsetzt.

3. Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhröffnungen in die Sekundärbrennkammer (2) Löcher (38) im zylindrischen Abschnitt (9) des Flammrohres sind.

4. Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Primärbrennkammern (1) eine annähernd radiale, mit Drallblechen (14) versehene Luftzufuhr aufweist

5. Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß jede Primärbrennkammer (1) ein zylindrisches Flammrohr (4) aufweist in welchem Löcher (15) zur Zufuhr von zusätzlicher Verbrennungsluft angeordnet sind.

6. Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbrennkammern (1) so ausgelegt sind, daß in jeder von ihnen im Betrieb eine wesentlich höhere Brennkammerbelastung (kW/m² bar) herrscht als in der Sekundärbrennkammer (2).

7. Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Luftzufuhr mindestens in einem Teil der Primärbrennkammern (1) eine Einstellvorrichtung vorgesehen ist mit welcher die Luftzufuhr zu jeder Primärbrennkammer (1) auf eine Luftüberschußzahl Λ von mindestens 2 einstellbar ist.

Luftzufuhröffnung versehenen Raum münden.

Die üblichen Brennvorrichtungen für Gasturbinen bestehen aus einer großen, im wesentlichen zylindrischen Brennkammer, an die eine Brennstoff- und Luftzufuhr angeschlossen ist Die Luft wird zum Teil in der Nähe der Brennermündung als Drall-Luft zugeführt, während die restliche Luft über in der Wandung der Brennkammer verteilte öffnungen in die Brennkammer gelangt In solchen bekannten Brennvorrichtungen entsteht bei der Verbrennung NOi, das heißt es bilden sich aus dem Stickstoff der Verbrennungsluft Stickoxyde, die nach Arbeitsleistung der Gase in der Gasturbine mit den Gasen in die Atmosphäre gelangen. Die die Stickoxyde die Umwelt belasten, sind Bestrebungen im

Gange, die NO«-Bildung in den Verbrennungsprozessen

möglichst zu verringern. So sind in den US Vorschriften zu berücksichtigen, nach denen der NOrGehalt 5,4 g je kg Brennstoff nicht überiteigen darf.

Aus der DE-AS 10 60 667 ist eine eingangs genannte

Brennkammeranordnung bekanntgeworden, bei welcher die einzelnen Brennkammern ringförmig angeordnet sind. Jedoch sind diese Brennkammern achsparallel zueinander angeordnete Einzelbrennkammern, in denen die Verbrennung vollständig erfolgt und die Brenngase dann in eine Mischkammer gelangen, in welcher Kaltluft zum Zwecke der Kühlung und Mischung den Brenngasen zugemischt wird, bevor diese dann in die Turbine eintreten. Nachteilig bei dieser bekannten Anordnung ist jedoch, daß die einzelnen Brennkammern nicht abgeschaltet werden können und die vollständige Verbrennung bereits in den einzelnen Brennkammern erfolgt. Allein durch das Zumischen von Kaltluft in der Mischkammer kann auch der CO-Gehalt nicht wesent lieh gesenkt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennvorrichtung für Gasturbinen zu schaffen, in der die NOx-Bildung wesentlich vermindert wird und bei welcher ein Zu- und Abschalten einzelner Brennkam mern entsprechend der Belastung der Gasturbine jederzeit erfolgen kann.

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

Die Erfindung betrifft eine Brennkammeranordnung für Gasturbinen, in welcher eine Vielzahl von mit je eigener Brennstoff- und Luftzufuhr ausgerüsteten Primärbrennkammern in einen gemeinsamen, mit — der mit Luftzufuhröffnungen versehene Raum ist als Sekundärbrennkammer ausgebildet,

— der Raum weist einen kalottenförmigen Abschluß auf,

— die Primärbrennkammern befinden sich in der so Kalotte und sind so angeordnet daß ihre Längsachsen sich zumindest annähernd in einem Punkt innerhalb der Sekundärbrennkammer treffen,

— die Brennstoffzufuhr jeder der Primärbrennkammern ist zu-und abschaltbar,

— die Priniärbrennkammern sind so bemessen, daß darin lediglich eine Teilverbrennung stattfindet

— es ist mindestens ein Anfahrbrenner vorgesehen, welcher, vorzugsweise zentral, im kalottenförmi gen Abschluß angeordnet ist

Durch diese erfindungsgemäße Anordnung bildet sich in der Sekundärbrennkammer eine kompakte Flamme. Eine solche kompakte Flamme ist besonders günstig, um von ihr aus eine einwandfreie Zündung in den Primärbrennkammern zu erreichen, wenn diese nacheinander einzeln oder gruppenweise in Betrieb genommen werden. Es ist in diesem Falle also nicht notwendig,

jeder Primärbrennkammer eine eigene Zündvorrichtung zuzuordnen. Die Anordnung der Primärbrennkammern auf einer kartenförmig gewölbten Fläche hat weiter den Vorteil einer guten Vermischung der aus den Primärbrennkamir.ern austretenden Flanmengase in der Sekundärbrennkammer. Diese gute Vermischung führt zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der Sekundärbrennkammer.

Durch eine weitere Aufteilung des Verbrennungsprozesses auf viele kleine Primärbrennkammern wird die Verweilzeit der Verbrennungsluft in der Hochtemperaturzone der Flamme mehr kurz, was zur Folge hat, daß nur sehr kleine Mengen an Stichoxyden gebildet werden. In der allen Primärbrennkammern gemeinsamen Sekundärbrennkammer ist die Flammentemperatur wesentlich niedriger als in den Primärbrennkammern, so daß in der Sekundärbrennkammer eine nur noch unbedeutende NO_x-Bildung auftreten kann.

Mit dem Anfahrbrenner wird es auf einfache Weise möglich, die Gasturbinenanlage ohne Verwendung der Primärbrennkammern anzufahren; das ist die Phase, während der die Gasturbine von der Zünddrehzahl auf die Synchrondrehzahl ohne I-ast gebracht wird. Wegen der sich glockenförmig in der Sekundärbrennkammer ausbreitenden Flamme des Anfahrbrenners wird das Zünden der ihm benachbarten, zuerst in Betrieb zu setzenden Primärbrennkammern erleichtert

Wesentlich für die geringe ΝΟ,-Bildung in der erfindungsgemäßen Brennkammeranordnung ist ferner, daß die Luftzufuhr zu jeder Primärbrennkammer so eingestellt wird, daß die Luftüberschußzahl Λ mindestens 2 beträgt Dadurch, daß die gemeinsame Sekundärbrennkammer relativ groß gegenüber den Primärbrennkammern bemessen ist, findet in der Sekundärbrennkammer ein vollständiger Ausbrand statt, so daß auch der CO-Gehalt der Gase sehr klein wird.

Einige Ausfühningsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeig*.

F i g. 1 schematisch vereinfacht im Vertikalschnitt eine Brennvorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 α 3 je einen vertikalen Teilschnitt durch eine Primärbrennkammer und

Fig.4 ein Diagramm über den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Gemäß F i g. 1 besteht die Brennvorrichtung im wesentlichen aus einer Anzahl, z. B. 40, Primärbrennkammern 1 und einer Sekundärbrennkammer 2. Die Primärbrennkammern 1 sind auf der in F i g. 1 oberen kugelförmig gewölbten Begrenzungsfläche 3 der Brennkammer 2 verteilt angeordnet Jede Primärbrennkammer 1 besteht aus einem den Brennraum begrenzenden Mantel 4, einer eigenen Brennstoffzufuhr 10 und einer eigenen Luftzufuhr 11, wobei die Brennstoffzufuhr 10 mit Hilfe eines Ventils 112 zu- und abschaltbar ist Die Achsen der im wesentlichen zylindrischen Primärbrennkammern 1 stehen senkrecht zu der kugelförmig gewölbten Begrenzungsflache 3, so daß die Achsen aller Brennkammern 1 praktisch im selben Punkt zusammentreffen. An die Begrenzungsflache 3 der Sekundärbrennkarnmer 2 schließt sich in F i g. 1 nach unten ein zylindrischer Rohrabschnitt 9 an, der sich dann in einen kegelstumpfartigen ^oiirabschnitt 13 fortsetzt Die SekundJlrbrennkammtr 1 ist mit Abstand von einem Mantel 30 umgeben, ditwcn Gestalt derjenigen der Rohrabtchnitte 9 und 13 tfnteprkht und an den sich oben eine kugelförmige Haid* 31 anschließt, die von Führungsrohren 17 für die Brenner der Primärbrennkammern 1 durchdrungen wird. Die Sekundärbrennkammer 2 hat also im wesentlichen rotationssymmetrische Gestalt

Im Zentrum der kugelförmig gewölbten Begrenzungsfläche 3 ist ein Anfahrbrenner 5 vorgesehen, der aus einer mit einem Ventil 40 versehenen Brennstoffzufuhrleitung 6, die in eine Düse 7 ausmündet, und einer Dralluftzufuhrvorrichtung 8 besteht Dieser Anfahr brenner 5 weist also keine eigene Brennkammer auf, sondern mündet direkt in die Sekundärbrennkammer 2.

Wie die Fig.2 und 3 zeigen, ist der Mantel 4 der Primärbrennkammern 1 am oberen Ende eingeschnürt

und mit Drallblechen 14 versehen, die zusammen mit einer annähernd radialen Wand 36 die Luftzufuhr 11 bilden. Jede Primärbrennkammer 1 weist in ihrem zylindrischen Mantel 4 mehrere Löcher 15 auf, durch die zusätzliche Verbrennungsluft in die Primärbrennkammer eintreten kann. Außer der Luftzufuhr 11, bei der die Luft an Drallblechen 14 in Rotation versetzt wird, und der Luftzufuhr durch die Löcher 15 ist noch eine dritte Luftzufuhr vorgesehen, und zwar durch Löcher 16, die in dem die Brennstoffdüse 27 umgebenden Führungsrohr 17 angebracht sind. Die durch die Löcher 16 eintretende Luft wird durch eine Drallvorrichtung 18 ebenfalls in eine rotierende Wirbelbewegung versetzt und tritt nahe dem aus der Düse 27 fein verteilt austretenden Brennstoff in die Primärbrennkammer 1 ein. Durch die aus den Drallvorrichtungen 18 und 14 austretenden Luftströme wird eine intensive Vermischung der Luft mit dem Brennstoff erreicht Jede Primärbrennkammer 1 kann mit einem Pilotbrenner versehen sein.

Die Primärbrennkammer 1 nach Fig. 3 ist mit ihrem Mantel 4 entsprechend der Anordnung in F i g. 1 nahe dem unteren Ende auf einem Tragblech 32 abgestützt, das die kugelförmig gewölbte Begrenzungsfläche 3 bildet. Die Abstützung geschieht zum Beispiel in der Weise, daß ein den Mantel 4 umschließender Ring 20 auf dem Blech 32 ruht, der über eine sich in axialer Richtung erstreckende Hülse 21 mit dem Mantel 4 verbunden ist.

Die Primärbrennkammer 1 nach Fig.2 ist ebenfalls

nahe ihrem unteren Ende abgestützt, jedoch nicht direkt auf einem die Begrenz.ungsfläche 3 bildenden Blech, sondern auf einem die Brennkammer mit Spiel umgebenden Ring 25, der über ein zur Brennkammer koaxiales, schwach kegeliges Rohr 26 mit einem Tragblech 33 verbunden ist Die Brennkammer 1 ruht auf dem Ring 25 über einen Ring 20', der über eine Hülse 21' mit dem Mantel 4 verbunden ist. Das Rohr 26 setzt sich unterhalb des Ringes 25 bis zur Unterkante der Brennkammer 1 als Kegelstumpf 37 fort Das Rohr 26 kann auch zylindrisch ausgebildet sein.

Die Primärbrennkammern 1 sind so ausgelegt, daß in jeder von ihnen eine wesentlich höhere Brennkammer belastung, zum Beispiel 15 000—30 000 kW/m² bar, herrscht als in der Sekundärbrennkammer 2.

Zum Anfahren der Gasturbinenanlage wird nur der Anfahrbrenner 5 gezündet Die zur Verbrennung notwendige Luft kommt vom nicht dargestellten Kompressor her und durchströmt den Raum zwischen der Sekundärbrennkammer 2 einerseits und dem Mantel 30 und der kugelförmigen Haube 31 andererseits. In der Drallvorrichtung 8 wird die Luft in Rotation versetzt und vermischt sich mit dem aus der Düse 7 austretenden

Brennstoff.

Bei Obergang auf Lastbetrieb, d.h. nach Erreichen der Lastdrehzahl oder Synchrondrehzahl der Gasturbine, werden nacheinander die Primärbrennkammern 1

durch Öffnen des zugehörigen Ventils 12 in der jeweiligen Brennstoffzufuhrleitung 10 zugeschaltet; und zwar werden die dem Anfahrbrenner am nächsten befindlichen Brennkammern 1 zuerst in Betrieb gesetzt. Das Zünden der Primärbrennkammern 1 erfolgt von der Flamme des Anfahrbrenners 5 her und später auch von den Flammen benachbarter Primärbrennkammern 1 her. Beim Zuschalten einer Primärbrennkammer oder mehrerer Primärbrennkammern steigt die Luftüberschußzahl in den Primärbrennkammern jeweils etwas an und fällt dann mit zunehmender Brennstoffzufuhr wieder etwas ab. Auf diese Weise ergibt sich die in F i g. 4 dargestellte Sägezahnkurve, die die Luftüberschußzahl der Primärbrennkammern über der Brennstoffmenge wiedergibt. Aus der Sägezahnkurve ergibt sich also, Haß die Luftüberschußzahl in den Primärbrennkammern über den ganzen Lastbereich etwa konstant bleibt. Somit ist es mit der beschriebenen Vorrichtung möglich, auch Teillast zu fahren. Bei Betrieb im oberen Lastbereich und bei Vollast kann der Anfahrbrenner 5 abgeschaltet werden.

Die Länge der Primärbrennkammern 1 ist so gewählt, daß die Verbrennung in ihnen nicht beendet wird. Die Flammen schlagen also aus den Primärbrennkammern in die Sekundärbrennkammern 2 hinein, in der unter intensiver Vermischung dieser Primärflammen eine gemeinsame kompakte Sekundärflamme entsteht. Diese gemeinsame Sekundärflamme gewährleistet ein sicheres Zünden beim Zuschalten von Primärbrennkammern 1. Der durch die Düsen 27 in den Primärbrennraum eintretende feinverteilte Brennstoff vermischt sich innig mit den durch die Drallvorrichtungen 18 und 14 zugeführten Luftströme und gelangt nach teilweiser Verbrennung ziemlich rasch in die Sekundärbrennkammer 2, in der dann ein vollständiger Ausbrand stattfindet, wobei ein Teil der vom Kompressor kommenden Luft durch Löcher 38 im Rohrabschnitt 9 zur Sekundärflamme gelangt. Es ergibt sich also eine kurze Verweilzeit für den Brennstoff in den Primärbrennkammern. Durch diese kurze Verweilzeit sowie die hohe Luftüberschußzahl, die nach oben durch die Löschgrenze, d. h. das Verlöschen der Flamme, begrenzt ist, wird erreicht, daß der ΝΟ,-Gehalt der Gase sehr

ίο klein wird. Die Gase gelangen über den konischen Rohrabschnitt 13 zur nicht dargestellten Gasturbine.

Wenn bei Teillastbetrieb einzelne Primärbrennkammern abgeschaltet werden, so bleibt die Luftzufuhr bei den abgeschalteten Primärbrennkammern 1 erhalten.

Es ist auch möglich, die Primärbrennkammern so auszubilden, daß die Luftzufuhr verstellbar ist. z. B. an den Drallblechen 14. Dadurch kann die Luftüberschußzahl in den Primärbrennkammern über der Last ebenfalls etwa konstant gehalten werden. In diesem Falle bleiben alle Primärbrennkammern bei Teillast in Betrieb.

Statt einem Anfahrbrenner können auch einige Anfahrbrenner verteilt zwischen den Primärbrennkammern vorgesehen sein. Es ist auch möglich, statt mit dem

:ϊ Anfahrbrenner mit den Primärbrennkammern den Anfahrvorgang durchzuführen, wobei dann der gegebenenfalls jeder Primärbrennkammer zugeordnete Pilotbrenner zweckmäßig ist.

Es ist möglich, einen Teil der Primärbrennkammer

jn oder alle auf dem zylindrischen Rohrabschnitt 9 verteilt anzubringen, wobei zweckmäßig jeweils einige Brennkammern in einer gemeinsamen Querschnittsebene angeordnet sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkammeranordnung für Gasturbinen, in welcher eine Vielzahl von mit je eigener Brennstoff- und Luftzufuhr ausgerüsteten Primärbrennkammern in einen gemeinsamen, mit Luftzufuhröffnung versehenen Raum münden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: