DE2629761A1

DE2629761A1 - Brennkammer fuer gasturbinen

Info

Publication number: DE2629761A1
Application number: DE19762629761
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Buchheim
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1976-07-02
Filing date: 1976-07-02
Publication date: 1978-01-05
Also published as: US4192139A

Description

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VOLK SWAG ENWERK

AKTIENGESELLSCHAFT 5180 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K 2189
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0 t. ?. 76

Brennkammer für Gasturbinen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinen, insbesondere für Gasturbinen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, mit einer Vorkammer, die eine Brennstoffzuführeinrichtung, eine ring-förmige Lufteintrittsöffnung an der Stirnseite sowie weitere ungesteuerte Luftzutrittsöffnungen am stromabwärt igen TJmfangsteil der Vorkammer aufweist, und mit einem mit der Vorkammer über eine Cjuerschnittserweiterung verbundenen ilammrohr, das einen über einen stromabwärtigen Auslaß mit der Gasturbine verbundenen Flammraum begrenzt.

TJm Gasturbinen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen heranziehen zu kön_r xieriy müssen die von den Gasturbinen ausgestoßenen Verbrennungsgase die zur Zeit bestehenden_tbeziehungsweise in Zukunft zu erwartenden Forderungen bezüglich der Anteile an Schadstoffen im Abgas erfüllen. Nun ist es relativ einfach, die Brennkammer einer Gasturbine

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so auszugestalten, daß nur ein geringer Anteil an Kohlenmonoxyd und unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den Abgasen enthalten ist. Jedoch entstehen bei den herkömmlichen Brennkammern Schwierigkeiten im Hinblick auf die Bildung von Stickoxyden, da diese Breamern mit relativ hohen Temperaturen arbeiten. Zwar ist es bekannt, daß die kontinuierliche Verbrennung eines gut vermischten Gemisches aus Luft und vorverdampften Kraftstoff naheder armen Flammgrenze extrem niedrige Emissionswerte sowohl hinsichtlich der Kohlenmonoxyde und der Kohlenwasserstoffe als auch hinsichtlich der Stickoxyde ergibt. Diese niedrigen Emissionswerte treten aber nur in einem sehr engen Kraftstoff-Luft-Gemischbereich nahe der armen Flammgrenze auf. Beim Betrieb eines Kraftfahrzeuges muß dagegen die Brennkammer einen weiten Leistungsbereich überstreichen, der sich vom Bereich maximaler Verzögerung über den Leerlauf und die Vollast bis zum Bereich maximaler Beschleunigung erstreckt.Zur Erzielung extrem niedriger Emissionswerte im gesamten Betriebsbereich müßte daher das Kraftstoff-Luft-Verhältnis in der Reaktionszone geregelt werden.

Aus der DT-OS 2 46O 709 ist eine Brennkammer für Gasturbinen bekannt, die ebenfalls eine dem Flammrohr vorgeschaltete Vorkammer zur günstigen Aufbereitung des Brennstoff-Luft-Gemisches aufweist. Dort wird eine Regelung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses dadurch herbeigeführt,daß die Menge der im stromabwärtigen Teil der Vorkammer zugeführten Verbrennungsluft mittels schieberartige?Steuervorrichtungen in Abhängigkeit von der Belastung gesteuert wird. Hierbei ist jedoch ein erheblicher Regelaufwand erforderlich und die Steuerelemente sind, da sie im Bereich hoher Temperaturen am Flammrohr beziehungsweise an der Vorkammer angeordnet sind, relativ störanfällig.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Brennkammer für Gasturbinen der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Brennkammer eine steuerung der Verbrennung in der Weise- erreicht wird, daß die Verbrennung im gesamten Betriebsbereich der Gasturbine mit nur

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geringen Emissionswerten erfolgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe soll gemäß der Erfindung eine solche Querschnittsbemessung des Flammrohrs und der Torkammer vorgesehen sein, das bei Erreichen eines vorgegebenen, einer höheren Teillast zugeordneten Brennstoff-Luft-Terhältnisses in dem Flammraum die dort mit Luftüberschuß brennende Flamme in die Torkammer zur Terbrennung in Form einer reichen Flamme zurückschlägt. Die Erfindung geht dabei davon aus, daß eine aufwendige und störanfällige Steuerung der Luftzufuhr umgangen werden kann, wenn die Flammposition aero-thermodynamisch kontrolliert und jeweils an der Stelle der Brennkammer gehalten wird, wo dae Kraftstoff-Luft-Terhältnis günstig für relativ niedrige Emissionswerte ist. Eine stabil brennende Flamme ergibt sich an der Stelle, wo die vom Brennkammerströmungsquerschnitt abhängige Gasgeschwindigkeit gleich oder kleiner als die vom Brennetoff-Luft-Terhältnis abhängige Flammgeschwindigkeit ist. Bei steigender Belastung ändert sich durch Tergrößerung der zugeführten Brennstoffmenge das Brennstoff-Luft-Terhält-f nis und damit auch die Flammgeschwindigkeit. Die Querschnitte des Flammrohres und insbesondere der Torkammer können dann so gewählt werden, daß bei einem bestimmten Brennstoff-Luft-Terhältnis, das genügend weit von dem stöchiomstrischen entfernt ist, die Flammgeschwindigkeit größer als die Gasgeschwindigkeit im Torkanmeraustrittsquerschnitt ist. Dadurch kann die Flamme in die Torkammer zurückschlagen, wo insbesondere ein sehr reiches Brennstoff-Luft-Gemisch vorhanden ist, das als reiche Diffusionsflamme verbrennt. Dadurch wird vermieden, daß in dem Flammraum ein nahe dem stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Terhältnis liegendes Gemisch als Tormischflamme mit sehr hohen Stickoxydemissionen verbrennt.

In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkammer soll die Brennstoffzuführeinrichtung eine den Brennstoff in den engsten Querschnitt eines ringdüsenförmigen Einlaufteils der Torkammer einspritzende Einspritzdüse sein, die als zentrale oder Mehrpunkteinspritzung ausgeführt sein kann. Durch die Zuführung des Kraftstoffes an der Stelle höchster Geschwindigkeit wird eine sehr gute Tormischung und Torverdampfung erreicht, ohne daß unerwünschte Hezirkulationsgebie-

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te auftreten* Weiterhin soll die Vorkammer an dem stromabwärtigen Ende einen diffusorartig erweiterten Hantel aufweisen» wobei die ungesteuerten Luftzutrittsöffnungen am Umfang dieses diffusorartig erweiterten Mantels vorgesehen sind. Der Diffusorteil der Vorkammer stellt für die vollkommene Vormischung und Vorverdampfung vor der Verbrennung des Gemisches das notwendige Volumen zur Verfügung. Gleichzeitig sichert er den Druckrückgewinn, der für insgesamt niedrige Brennkammerdruckverluste entscheidend ist. Durch die Zuführung von Verbrennungsluft im Diffusor werden in diesem Bereich Hezirkulatlonezonen vermieden, die die Gefahr der Frühzündung verursachen könnten.

TJm die Vorverdampfung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer weiter zu verbessern, kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung der Flammraum mit dem Einlaufteil der Vorkammer über Leitungen zur Rückführung heißer Verbrennungsgase verbunden sein. Durch diese Abgasrückführung wird insbesondere auch sichergestellt» daß die Verdampfung und Vormischung in der Vorkammer sofort nach dem Start» das heißt noch bevor die üblicherweise vorgesehenen Wärmetauscher der Gasturbine ihre Betriebstemperatur erreicht haben» wirksam arbeitet. Die Zumischung der heißen Verbrennungsgase in der Vorkammer im Bereich der Einspritzstelle begünstigt außerdem die erwünschte Kraftstoffpyrolyse vor dem Verbrennen und verschiebt die arme Flammgrenze im Heaktionsraum zu noch ärmeren Gemischen.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin» daß der Flammraum in zwei über eine Querschnitteverengung miteinander verbundene Flammkammern unterteilt ist und daß in Strömungsrichtung hinter der Querschnittsverengung Luftzutrittsöffnungen am Umfang des Flammrohrs vorgesehen sind. Weiterhin sollen Vorrichtungen zur Erzeugung von In die Flammkammern eindringenden Eilfsflammen vorgesehen sein und es soll eine Steuervorrichtung vorgesehen sein» die in Abhängigkeit von der Last der Gasturbine eine Hilfsflaame in der einen oder anderen Flammkammer, hält. Diese Ausgestaltung.dea Flammrohres mit zwei durch eine Luftzuführung getrennten-Flammkammern» in denen eine durch eine Hilfsflamme unterstützte Verbrennung nahe

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der armen Flammgrenze stattfinden kann, ermöglicht eine schadstoffarme Verbrennung in einem relativ großen Kraftstoff-Luft-Gemischbereich. Durch Steuerung der Hilfsflamme findet eine arme Verbrennung in der einen oder anderen Flammkammer statt, in denen infolge der dazwischenliegenden Luftzuführung unterschiedliche Kraft-Luft-Verhältnisse herrschen.

Zur Erzeugung der Hilfsflamme ist dabei eine Hilfsflammkammer vorgesehen, in der eine eingespritzte Brennstoffmenge in Form einer reichen Flamme verbrennt und die wenigstens einen in den Flammraum einmündenden Verbindungskanal aufweist.. Dabei kann die in die Hilfsflammkammer eingespritzte Brennstoffmenge ca. 10 fo d^r gesagten Leerlauf verbrauchsmenge betragen.

Ein weiterer Vorschlag der Erfindung geht dahin, daß eine Hilfsflammkammer vorgesehen ist, die über je einen Verbindungskanal mit den beiden Flammkammern des Flammrohres verbunden ist, und daß eine Steuervorrichtung zur last abhängigen Ausrichtung der Hilfsflamme auf den einen oder anderen Verbindungskanal vorgesehen ist. Eine besonders einfache und wirkungsvolle Richtungssteuerung der in der Hilfsflammkammer entstehenden Flammgase erfolgt pneumatisch, indem die Steuervorrichtung zwei einandergegenüberliegende, quer zur Achse der Hilfsflammkammer in der Ebene der Verbindungskanäle angeordnete Steuerluftleitungen aufweist, die lastabhängig mit einem Luftstrom zur Auslenkung der Hilfsflamme beaufschlagbar sind. Dabei kann die Beaufschlagung der Steuerluftleitungen zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von dem Druck des der Gasturbine, zugeordneten Kompressors steuerbar sein.

Weitere Vorteile und wesentliche Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die das in der Zeichnung gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Figur 1 in einem Längsschnitt eine schematische Darstellung

der erfindungsgemäßen Gasturbinen-Brennkammer» Figur 2 eine graphische Darstellung der mit verschiedenen Flammenformen erreichbaren Emissionswerte für

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Stickoxyde ttnd Kohlenmonoxyde in Abhängigkeit von dem Brennstoff-Luft-TerMltnis,

Figur 3 eine graphische Darstellung der Flammgeschwindigkeit in Abhängigkeit von dem Brennstoff-Luft-Verhältnis und

Figur 4 eine graphische Darstellung der Stickoxydemission in Abhängigkeit von dem Kraftstoffdurchsatz bei einer erfindungsgemäßen Gasturbinen-Brennkammer.

Die in der Figur 1 gezeigte Brennkammer besteht im wesentlichen aus einer Torkammer 1, einem einen Flammraum begrenzenden Flammrohr 2, einem zur hier nicht weiter gezeigten Gasturbine führenden Auslaß 3 lind einer eine Hilfsflamme in den Flammraum richtenden Hilfsbrennkammer 4» die alle zusammen in einem gemeinsamen Gehäuse 5 angeordnet und von einem Verbrennungsluft von dem Verdichter führenden Strömungskanal 6 umgeben sind.

Die Vorkammer 1 weist an ihrem stirnseitigen Ende einen ringdüsenförmigen Einlaufteil 7 auf, über den Verbrennungsluft mit hoher Geschwindigkeit zugeführt wird. An der engsten Stelle 9 des Einlaufteils wird Kraftstoff mittels einer zentralen Einspritzdüse 8 eingespritzt. Eine Vormisch- und Verdampferkammer 10 wird von einem diffusorartig erweiterten Mantel 11 der Vorkammer 1 begrenzt, an dessen Umfang Luft Zutrittsöffnungen 12 vorgesehen sind.

In Gasströmungsrichtung gesehen hinter der Vorkammer 1 ist das Flammrohr 2 angeordnet, das gegenüber dem Austrittsquerschnitt 13 der Vorkammer einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist, der nach einer plötzlichen Querschnittserweiterung erreicht wird. Das Flammrohr weist dabei zwei Flammkammern 14 und 15 auf, die durch eine Querschnittsverengung 16 voneinander getrennt sind. Mit 17 sind am Umfang des Flammrohres hinter der Querschnittsverengung 16 vorgesehene Luftzutrittsöffnungen zur Zuführung weiterer Verbrennungsluft in die im Querschnitt größere zweite Flammkammer 15 bezeichnet. 18 stellen Abgasrückführungsrohre dar, die die vordere Flammkammer I4 mit der engsten Stelle 9 des ringdüsenförmigen Einlaufteils 7 zur Rückführung heißer Verbrennungsgase verbinden.

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Die Hilfsbrennkammer 4 weist einen Flammraum 19 auf, in den eine Einspritzdüse 20 stir Zuführung einer relativ kleinen Menge Kraftstoff sowie eine Zündvorrichtung 21 einmünden. Am Umfang der Hilfsbrennkammer. 4 sind zudem Luftzutrittsöffnungen 22 angeordnet, die den Zutritt einer zur Verbrennung ausreichenden Menge an Luft zu dem Flammraum 19 ermöglichen. An den Flammrauia 19 schließt sich eine Strahldüse 23 und eine plötzliche Querschnittserweiterung 24 an. Der Brenngasaustritt aus der Hilfsbrennkammer 4 erfolgt über einen Verbindungskanal 25 in die Flammkammer I4 oder über einen Verbindungskanal 26 in die Flammkammer 15 des Flammrohres 2. Dabei wird die Richtung der austretenden Flammgase durch Beaufschlagung eines der beiden Steuerstrahlleitungen 27 oder 28 mit Steuerluft bestimmt. Die Richtung der austretenden Flamngase wird dann durch die Pfeile 29 oder 30 angedeutet.

Mit 31 sind im Bereich des Brennkammerauslasses 3 vorgesehene Luftzutritts öffnungen bezeichnet, über die weitere Luft zur Abkühlung der Flammgase der Brennkammer auf die Turbineneintrittstemperatur zugeführt wird..

Nachfolgend wird nun die Funktion und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Gasturbinen-Brennkammer unter Heranziehung der in den Figuren, 2 bis 4 gezeigten graphischen Darstellungen erläutert. Durch Zuführung des Kraftstoffes an der Stelle höchster Geschwindigkeit, nämlich der engsten Stelle 9 des Einlaufteils der Vorkammer 1, sowie durch Zuführung rückgeführter Verbrennungsabgase aus dem Flammraum 14 an eben dieser engsten Stelle des Einlaufteils wird in der Vorkammer eine sehr gute Vormischung und Vorverdampfung des eingespritzten Brennstoffes erreicht. Dabei sichert der Diffusorteil 11 der Vorkammer den Druckrückgewinn, der auch für das Funktionieren der Abgasrückführung über die Rückführungsleitungen 18 sowie für insgesamt kleine Strömungsverluste in der Brennkammer entscheidend ist. Die Zuführung weiterer Verbrennungsluft durch die am Mantel des Diffusorteils vorgesehenen Luftzutrittsöffnungen 12 verhindert die Ausbildung von Rezirkulationszonen im Diffusor, die sonst zu Frühzündungserscheinungen führen oder sogar als Flammhalter wirken könnten.

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Die plötzliche Querschnittserweiterung beim Übergang von dem AuslaßqLuerschnitt 13 der Vorkammer 1 in die im Querschnitt wesentlich größere Flammkammer 14 des Flammrohr a 2 "bewirkt die Ausbildung ausgeprägter Wirbel- und Rezirkulationsgebiete, die die Flamme auch bei sehr armer Kraftstoff-Luft-Mischung stabilisieren können. Durch Zuführung der Flammgase einer reich betriebenen Hilfsflamme kann die Stabilitätsgrenze der Flamme noch weiter in den armen Bereich des Brennstoff-Iuft-Terhältnisses verschoben werden. Aus diesem Grunde kann über den Verbindungskanal 25 entsprechend dem Pfeil 30 eine Hilfsflamme aus der Hilfsbrennkammer 4 in die Flammkammer 14 gerichtet werden.

Auch in der zweiten Flammkammer 15 sind Mittel zur Flammenstabilisierung vorgesehen. So werden Wirbel- und Rezirkulationsgebiete im Bereich der plötzlichen Querschnittserweiterung im Anschluß an die die Flammkammern 14 i*nd 15 trennende Querschnittsverengung 16 erzeugt und über den Verbindungskanal 26 kann entsprechend dem Pfeil 29 eine Hilfsflamme aus der Hilfsbrennkammer 4 in. die Flammkammer 15 gerichtet werden.

Die zur Erzeugung der Hilfsflamme über die Einspritzdüse 20 in die Flammkammer 19 eingespritzte Brennstoffmenge ist relativ klein und entspricht beispielsweise etwa 10 fo der Leerlaufkraftstoffmenge. Dabei kann die Einspritzmenge auch unabhängig vom Lastzustand der Gasturbine konstant gehalten werden. Die pneumatische Richtungssteuerung der in der Flammkammer T9 der Hilfsbrennkammer 4 erzeugten Hilfsflamme erfolgt in der Weise, daß in Abhängigkeit von der Belastung der Gasturbine die Steuerleitung 27 oder 28 mit Steuerluft beaufschlagt wird. Dabei kann die Umschaltung der Steuerstrahlen in Abhängigkeit von dem Druck des von der Gasturbine angetriebenen Kompressors erfolgen. Je nach dem, ob nun die Steuerleitung 27 oder 28 mit Steuerluft beaufschlagt ist, erfolgt eine Ablenkung des aus der Strahldüse 23 der Hilfsbrennkammer 4 austretenden brennenden Gasstromes zur einen oder anderen Richtung, Bei Beaufschlagung der Steuerleitung 27 mit Steuerluft wird so die Flamme über den Verbindungskanal 26 entsprechend dem Pfeil 29 in die Flanmkammer 15 i^nd bei Beaufschlagung der Steuerleitung 28 über den

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Verbindungskanal 25 gemäß dem mit unterbrochenen Linien angedeuteten Pfeil 50 in die Flammkammer I4 gelenkt. In dem Steuerteil der Hilfsbrennkammer 4 wird dabei auöh der Coanda-Effekt ausgenutzt, gemäß dem ein Strahl an einer ¥and haftet und an dieser entlang geführt werden kann, auch wenn die Wand gegenüber der Strahldüsenachse geneigt ist. Die Querschnittserweiterung 24 im Anschluß an die Strahldüse 25 bewirkt dabei noch eine Verstärkung dieses Coanda-Sffekts.

Durch die Steuerung der Flammenrichtung durch lastabhängige Beaufschlagung der Steuerleitungen 27 und 28 mit Steuerluft kann eine Stabilisierung der Hauptflamme in der Flammkammer 14 oder in der Flammkammer 15 des Flammrohres 2 erreicht werden. Die auf diese Weise bewirkte Veränderung der Flammposition in dem Flammrohr 2 erweitert den Betriebsbereich der Brennkammer im kraftstoff armen Mischungsgebiet.

In der Figur 2 sind die Emissionswerte für Kohlenmonoxid und für Stickoxyde bei verschiedenen Flammenformen über dem sogenannten Iquivalenzverhältnis des Brennstoff-Luft-Gemisches aufgetragen. Aus dieser graphischen Darstellung zeigt sich, daß eine extrem schadstoffarme Verbrennung nahe der armen Flammgrenze erfolgt, da dort sowohl die Kohlenmonoxyd- als auch die Stickoxyd-Emission niedrig ist. Besonders niedrig ist die Stickoxydemission in diesem Bereich bei einer Verbrennung als Vormischflamme, das heißt bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, das in ausreichendem Maße durch Vorverdampfung und Vormischung aufbereitet ist. Die Flammgrenze, das heißt die Grenze des Brennstoff-Luft-Gemisches, unterhalb der eine stabile Flamme nicht mehr vorhanden ist, kann durch Verwendung einer Hilfsflamme in das kraftstoff arme Gebiet verschoben werden. Es ergibt sich dann ein mit I gekennzeichnetes Gebiet, indem eine stabile Flamme nur mit Hilfe einer Hilfsflamme aufrecht erhalten werden kann, während bei Wegfall der Hilfsflamme die Flamme verlöscht. Das mit II gekennzeichnete Gebiet entspricht dem Gebiet, in dem eine Verbrennung als Vormischflamme

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im kraftstoffarmen Gebiet mit relativ niedrigen Emissionswerten möglich ist. Bei weiterer Kraftstoffanreicherung steigt insbesondere die Stickoxydbildung stark an, die im Bereich der stöchiometrischen Mischung ein Maximum erreicht. Im reichen Mischungsgebiet nimmt die Stickoxydbildung sowohl bei Verbrennung als Vormischflamme als auch bei Verbrennung als 3)iffu3ionaflamme wieder ab.

In der Figur 5 ist dazu die Flammgeschwindigkeit über dem Brennstoff-Luft-Verhältnis aufgetragen, die ebenfalls im Bereich der stöchiometrischen Mischung ein ausgesprochenes Maximum aufweist.

Um nun zu erreichen, daS im gesamten Betriebsbereich der Gasturbine möglichst niedrige Emissionswerte erzielt werden, ist es erstrebenswert, möglichst lange in dem Gebiet der Verbrennung einer armen Vormi senf lamme zu bleiben. Um aber auch bei Vollast beziehungsweise in den vollastnahen Bereichen sowie bei maximaler Beschleunigung keine zu hohen Emissionswerte in Kauf zu nehmen, sollte in diesen Betriebsbereichen eine Verbrennung im kraftstoffreichen Gebiet, vorzugsweise als DiffusJonaflamme in dem mit III bezeichneten Bereich stattfinden.

Gemä£ Figur <\ findet die Verbrennung in den Betriebsbereichen "Verzögerung" und "Leerlauf" in dem Bereich I statt, und zwar in der in Gasströmungsrichtung vorderen Flammkammer 14 des Flammrohres Dazu wird durch Beaufschlagung der Steuerluftleitung 28 die Hilfsflamme aus der Hilfsbrennkammer 4 in die Flaminkammer 14 gelenkt (Pfeil 50). Diese Hilfsflamme stabilisiert die Flamme in der Flammkammer nahe der armen Flammgrenze, so daß extrem niedrige Stickoxyd-Emissionen erzielt werden.

Bei Belastung der Gasturbine wird durch erhöhte Kraftstoffeinspritzung in die Vorkammer 1 das Gemisch in der Flammkammer I4 reicher und es würde sehr bald der in der Figur 2 gezeigte Bereich des krassen Anstiegs der Stickoxydbildung erreicht werden. Durch Umschaltung der pneumatischen Sichtungssteuerung der Hilfsflamme, nämlich durch Beaufschlagung der Steuerluftleitung, 27 mit Steuerruft, wird daher die Hilfsflamme in die zweite Flammkammer 15

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umgelenkt "und dort eine erneute Flammenstabilisierung herbeiführt. Diese Umschaltung erfolgt noch bevor die Mischung in der ersten Flammkammer so reich ist, daß sie auch ohne Hilfsflamme eine stabile Flamme erzeugen kann. Infolgedessen wird bei der Umschaltung die Flamme in der ersten Flammkammer I4 ausgeblasen und erst vrieder in der zweiten Flammkammer 15 mittels der Hilfsflamme stabilisiert. Die zwischen den beiden Flaminkammern vorgesehenen Luftzutrittsöffnungen I7 sind dabei so bemessen, daß bei der Umschaltung in der Flammkammer 15 wieder ein sehr luftreiches Gemisch nahe der armen Flammgrenze vorliegt. Die Verbrennung in der Flammkammer 15 ist daher ebenfalls ausgesprochen emissionsarm. Dabei arbeitet die Flammkammer I4 als zusätzlicher Torverdampfungs- und Tormischraum.

Durch dieses mittels der Hilfsflammen-Umlenkung erreichte Stabilisieren der Flamme an unterschiedlichen Orten der Brennkammer kann der Bereich des Betriebs an der armen Flammgrenze wesentlich erweitert und damit die Stickoxydemission der Gasturbinenanlage entscheidend verringert werden.

Die Verbrennung des Brennstoff-I.uft-Gemisches in der hinteren Flammkammer 15 findet etwa zwischen Leerlauf und ca. 60 <{o Vollast statt. Dabei bewegt sich das Brennstoff-Luft-Verhältnis in der Flammkammer 15 etwa in dem Bereich II nach Figur 2.

Bei weiterer Zunahme der eingespritzten Kraftstoffmenge würde das Brennstoff-Luft-Verhältnis in den Flaminkammern I4 Oni 15 in die Nähe des stöchiometrischen Bereiches mit den dann sehr hohen Stickoxydemissionen kommen. Um bei den vollastnahen Betriebsbereichen die Verbrennung als emissionsgünstigere reiche Diffusionsflamme oder Vormischflamme (Bereich III in Figur 2 ) zu gewährleisten, wird nun durch entsprechende Quersohnittsdimensionierung ein Hückschlagen der Flamme bis in den Raum 10 der Vorkammer 1 erreicht. Dabei wird davon ausgegangen, daß sich eine Flamme in einem gasdurchströmten Raum dort stabilisiert, wo die Flammgeschwindigkeit kleiner oder gleich der Gasgeschwindigkeit

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ist. Mit steigendem Brennstoff-Luft-Verhältnis steigt aber gemäß Figur 3 die Flammgeschwindigkeit, das heißt die neigung der Flamme entgegen der Gas Strömungsrichtung zurückzuschlagen, nimmt zu. Bis zu einem bestimmten Brennstoff-Luft-Yerhältnis wird nun aber bei der in Figur 1 der Zeichnung gezeigten Brennkammer durch die in Strömungsrichtung vor den Flammkammern 14 und 15 gelegenen en gen Strömungsquerschnitte 15 beziehungsweise 16 verhindert, daß die Flamme aus den Flammkammern zurückschlagen kann.

Bei Überschreiten eines bestimmten Brennstoff-Luft-Verhältnisses wird dagegen die Flammgeschwindigkeit der in der Flammkammer 15 brennenden Flamme größer als die Gasgeschwindigkeit im. Querschnitt 16, so daß die Flamme in die Flammkammer 14 zurückschlagen kann. Da das dort anstehende Brennstoff-Luft-Verhältnis noch größer ist, weil ja die Luftzutrittsöffnungen 17 übersprungen wurden_;und daher in der Flamrokammer 14 weniger Luft vorhanden ist, ergibt sich entsprechend Figur 3 eine noch höhere Flammgeschwindigkeit, die auch den Querschnitt 13 überwinden kann. Die Flamme stabilisiert sich dann erst wieder in dem Vormischraum 10 der Vorkammer 1, und zwar je nach der vorhandenen Kraftstoffmenge und. der sich daraus ergebenderaFlammgeschwindigkeit sowie den Querschnittsabmessungen der Vorkammer vor oder hinter den Luftzutrittsöffnungen 12. Die Verbrennung findet dort in Form einer reichen Diffusionsflamme mit relativ niedrigen Stickoxydemissionen gemäß Bereich III in Figur 2 statt. Dieser Bereich wird typischerweise in den vollastnahen Betriebsbereichen und beim Beschleunigen benutzt.

Bei Senkung der Belastung der Gasturbine wird durch Verringern der eingespritzten Kraftstoff menge das Brennstoff-Luft-Gemisch wieder ärmer, woraus sich gemäß Figur 3 eine Abnahme der Flammgeschwindigkeit ergibt. Die Gasströmung ist dadurch in der Lage, die Flamme wieder aus.dem Vormischraum 10 der Vorkammer 1 in die Flammkammer 14 und von dort über die Querschnittsverengung 16 in die Flammkammer 15 aufzublasen, wo sie durch die Wirbelgebiete und die Hilfsflamme erneut stabilisiert wird. Durch überspringen der Luftzutrittsöffnungen 12 und 17 ändert sich dabei jeweils das Brennstoff-Luft-

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Verhältnis und bei entsprechender Dimensionierung der Gasströmungsquerschnitte kann auch der Ausblasvorgang in einem sehr engen Äquivalenzbereich stabilisiert werden. Dadurch wird der Setrieb der Brennkammer in einem Bereich nahe der stöchiometrischen Mischung weitgehend vermieden.

In der Figur 4 sind schematisch die Betriebsbereiche der Gasturbine über dem Kraftstoffdurchsatz aufgetragen. Dabei zeigt sich, daß durch die pneumatische Umsteuerung der Hilfsflamme aus dem Flammraum I4 in den Flammraum 15 das Gebiet des Betriebs nahe der armen Flammgrenze erweitert werden konnte. Im höhexen Teillastbereich ergibt sich ein Anstieg der Stickoxydemission bis nach dem Umschalten in den Betriebsbereich III durch die Verbrennung als reiche Diffusionsflamme (oder auch als reiche Tormischflamme) ein etwa konstanter Pegel der Stickoxydemission erreicht wird.

Durch die von der Erfindung vorgeschlagene aero-thermodynamische Eontrolle der Flammlos!tion wird also erreicht, daß beim Betrieb der Brennkammer Bereiche mit hohen Schadstoffemissionen vermieden werden. Dabei kann diese Kontrolle der Flammposition in einfacher Weise durch pneumatische Umsteuerung der Hilfsflamme und durch entsprechende Bemessung der Querschnitte des Flammrohres und der Vorkammer erzielt werden.

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Claims

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ANS PR ti C H E

Brennkammer für Gasturbinen, insbesondere für Gasturbinen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, mit einer Vorkammer, die eine Brennstoffzuführeinrichtung, eine ringförmige Lüfteintrittsöffnung an der Stirnseite sowie weitere ungesteuerte Luftzutrittsöffnungen am stromabwärtigen Umfangsteil der Vorkammer aufweist, und mit einem mit der Vorkammer über eine Querschnittserweiterung verbundenen Flammrohr, das einen über einen stromabwärtigen Auslaß mit der Gasturbine verbundenen Flammraum begrenzt, gekennzeichnet durch eine solche Querschnittsbemessung des Flammrohrs (2) und der Vorkammer (1), das bei Erreiche eines vorgegebenen, einer höheren Teillast zugeordneten Brennstoff-Luft- Verhältnisses in dem Flammraum'(14» 15) die dort mit Luftüberschuß brennende Flamme in die Vorkammer zur Verbrennung als reiche Flamme zurückschlägt.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die "Brennstoffzuführeinrichtung durch eine den Brennstoff in dem engsten Querschnitt (9) eines ringdüsenförmigen Einlauf teils (7) der Vorkammer (1) einspritzende Einspritzdüse (8) ' ^sgebildet ist.

3· Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2,. dadurch gekennzeichnet,₍ . daß die Vorkammer (1) an dem stromabwärtigen Ende einen diffüsorartig erweiterten Mantel (11) aufweist.

4. Brennkammer nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die umgesteuerten Luftzutrittsöffnungen (12) am Umfang des diffusorartig erweiterten Mantels (11) der Vorkammer (1) vorgesehen sind.

5. Brennkammer nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammraum (14) mit dem Einlaufteil (7) der Vorkammer. (1) über Leitungen (18) zur Rückführung heißer Verbrennungsgase verbunden ist.

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6. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammraum in zwei über eine Querschnittsverengung (16) miteinander verbundene Flanunkammern (14» 15) unterteilt ist und daß in Strömungsrichtung hinter der Querschnittsverengung Luftzutrittsöffnungen (17) am Umfang des Flammrohrs (2) vorgesehen sind.

7· Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Torrichtungen zur Erzeugung von in die Flammkammern (I4» 15) eindringenden Hilfsflammen vorgesehen sind.

8. Brennkammer nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von der Last der Gasturbine eine Hilfsflamme in der einen oder anderen Flammkammer (I4» 15) hält.

9. Brennkammer nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Hilfsflamme eine Hilfsbrennkammer (4) vorgesehen ist, in der eine eingespritzte Brennstoffmenge in Form einer reichen Flamme verbrennt und die wenigstens einen in den Flammraum (14, 15) des Flammrohrs (2) einmündenden Verbindungskanal (25, 26) aufweist.

10. Brennkammer nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die in die Hilfsbrennkammer (4) eingespritzte Brennstoffmenge cirka 10 fo der gesamten Leerlaufverbrauchsmenge beträgt.

1t. Brennkammer nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfsbrennkammer (4) vorgesehen ist, die über je einen Verbindungskanal (25, 26) mit den beiden Flammkammern (14» 15) cLes Flammrohres (2) verbunden ist, und daß eine Steuervorrichtung (27, 28) zur lastabhängigen Ausrichtung der Hilfsflamme auf den einen oder anderen Verbindungskanal vorgesehen ist.

12. Brennkammer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet» daß die Steuervorrichtung zwei einander gegenüberliegende, euer

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zur Achse der Hilfsbrennkammer (4) in der Ebene der Verbindungskanäle (25, 26) angeordnete Steuerluftleitungen (27, 28) aufweist, die lastabhängig mit einem Luftstrom zur Auslenkung der Hilfskanmer beaufschlagbar sind.

13· Brennkammer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung der' Steuerluftleitungen (27, 28) in Abhängigkeit von dem Druck des der Gasturbine zugeordneten Kompressors steuerbar ist.

14· Brennkammer nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsbrennkammer (4) einen Flammraum (19) mit einer auf die Verbindungskanäle gerichteten düsenförmigen Verengung (23) und einer daran anschließenden, schlagartigen Querschnittserweiterung (24) aufweist und daß die Steuerluftleitungen (27, 28) im Bereich hinter der Querschnittserweiterung angeordnet sind.

15· Brennkammer nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (25, 26) tangential in die Plammkammern (14, 15) einmünden.

16· Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer für Gasturbinen nach einem der Ansprüche 7 bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß eine Flamme in der einen oder anderen der beiden Flammkammern (14»- 15) durch in Abhängigkeit von der Belastung der Gasturbine gesteuerte Beaufschlagung der entsprechenden Flammkammer mit einer Hilfeflamme stabilisiert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daS die HiIfsflamme von der ersten Flammkammer (14) in die zweite Flammkammer (15) umgesteuert wird, bevor das Brennstoff-Luft-Verhältnis in der ersten Flammkammer so groß geworden ist, daß sich dort eine, stabile Flamme auch ohne Hilfsflamme ausbilden kann.

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