DE2807853A1

DE2807853A1 - Brenner fuer gasturbinen

Info

Publication number: DE2807853A1
Application number: DE19782807853
Authority: DE
Inventors: Masanobu Kusaba; Isao Sato; Satoshi Tsukahara; Yoshihito Uchiyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-02-23
Filing date: 1978-02-23
Publication date: 1978-08-24
Also published as: JPS53104019A; FR2381912B1; DE2807853C2; FR2381912A1; US4226088A

Description

BESCHREIBUNG

Bekanntlich werden bei der Verbrennung durch die Reaktion von in der Luft enthaltenem Sauerstoff und Stickstoff Stickstoffo'cids (MO,,) erzeugt, wobei diese Reaktion durch sauerstoffarme Verbrennung bei niedriger Temperatur verringert v/erden kann.

Gemäß der deutschen Patentanmeldung P 27 37 773.7 gehört ein Brenner für Gasturbinen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 zum Stand der Technik. Die Brennkammer wird dabei von zwei Strukturelementen gebildet, die als "Innenrohr" und als "vorderes Innenrohr" bezeichnet sind, v/ob ei das vordere Innenrohr koaxial zum Innenrohr angeordnet ist. Bei diesem Brenner beträgt die durch die Primärluftschlitze zugeführte Luftmenge das 0,8- bis 1,2-fache des theoretischen Luftbedarfs (Ao), die durch die Sekundärluftschlitze zugeführte Luftmenge 1,7 Ao bis 2,5 Ao, und die als Verdünnungsluft in den Unterstrombereich der Brennkammer eingeleitete Luftmenge 2,0 Ao bis 2,7 Ao.

Sin wesentlicher Nachteil des genannten Brenners besteht darin, daß wegen der ungenügenden Abkühlung der Verbrenr.ungsgase im a::ialen Mittelbereich der Brennkammer die Erzeugung von NO nicht ausreichend und wirksam verringert v/erden kann. Der Hauptanteil der Luft, die durch die im vorderen Innenrohr vorgesehenen Luftschlitze in die Brennkammer eingeleitet wird, strömt nämlich an der Innenwandung des vorderen Innenrohrs entlang, während nur ein kleiner Teil der Luft den Mittelbereich der Brennkammer erreicht, um die Verbrennungsgase in diesem Bereich zu kühlen. Infolgedessen verbleibt der Mittelbereich der Brennkammer auf hoher Temperatur, so daß große Mengen an NO erzeugt werden.

Ein weiterer wesentlicher Nachteil des genannten Brenners besteht darin, daß die Menge der durch die Luftschlitze im vorderen Innenrohr zugeführten Luft nicht ausreicht, um

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die Verbrennungsgase innerhalb dieses vorderen Innenrohrs effektiv zu kühlen. Wie erwähnt, wird 1,7 Ao bis 2,5 Ao durch die Sekundärluftschlitze in den Bereich innerhalb des vorderen Innenrohrs eingeleitet, während 2,0 Ao bis 2,7 Ao als Verdünnungsluft dem Unterstrombereich der Brennkammer zugeführt wird. Infolge dieser unzureichenden Luftversorgung durch die Sekundär luftschlitze wird die ITO-Erzeugung verstärkt.

In Anbetracht des oben erörterten Standes der Technik kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin gesehen werden, einen Brenner für Gasturbinen zu schaffen, bei dem sich die NO -Erzeugung erheblich verringern läßt.. Dabei soll auch die Erzeugung von CO gering gehalten und die Verbrennung in der Brennkammer stabilisiert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Durch die direkte Zuführung einer ausreichenden Luftmenge in den axialen Mittelbereich der Brennkammer läßt sich eine ausreichende Abkühlung der Verbrennungsgase in diesem heißesten Teil des Brenners bewirken, so daß sich die N0„-Produktion verringern läßt.

Besonders gute Ergebnisse bezüglich der Verringerung von NO und CO und bezüglich der Stabilität der Verbrennung werden bei Ausgestaltung der Erfindung nach den Patentansprüchen k und 5 erzielt.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Teil eines Brenners für eine Gasturbine; und Figur 2 ein Diagramm, in dem die NO- und CO-Konzentrationen als Funktionen der Luftverteilung innerhalb der Brennkammer dargestellt sind.

Der in Figur 1 gezeigte Brenner für Gasturbinen umfaßt ein zylindrisches äußeres Gehäuse 1 , das an einem Ende mit einer Stirnplatte 2 luftdicht abgeschlossen ist.

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Die Stirnplatte 2 weist eine zentrische Bohrung auf, an der ein3 in das Gehäuse hineinragende Düse 3 zur Versorgung der Brennkammer mit Kraftstoff angeordnet ist. Koaxial zu den Gehäuse 1 ist ein inneres Rohr 4 angeordnet, wobei das innere 2naa 5 der Düse 3 an eir-sr zentrischen Bohrung in einer entsprechenden Stirnplatta des Rohres 4 luftdicht angeschlossen ist. An der Stirnplatte des Rohres 4 ist ferner ein Drallblsch 6 vorgesehen, das dazu dient, in die von dem Rohr 4 gebildete eigentliche Brennkammer Druckluft einzuleiten und in der Brennkammer eine Wirbelströmung zu erzeugen.

Die von dem Rohr 4 gebildete Brennkammer umfaßt einen ersten Verbrennungsraum 7, einen zweiten Verbrennungsraum 8 und einen Haupt-Verbrennungsraum 9. Die den ersten Verbrennungsraum 7 bildende Rohrwandung weist mehrere Prinär-5 luftschutz^ 10a, 10b auf, die den zweiten Verbrennungsraum 8 bildende Rohrwanclung mehrere Sekundär luftschlitze 11a, 11b, 11c und die den Haupt-Verbrennungsraum 9 bildende Rohrwandung mehrere Verdünnungsluftschlitze 12a, 12b. Der Durchmesser des ersten Verbrennungsraums 7 ist kleiner als der des zweiten Verbrennungsraums 8, der seinerseits kleiner ist als der Durchmesser des Haupt-Verbrennungsraums 9, um Druckverluste zwischen dem ersten und dem zweiten Verbrennungsraum zu beseitigen.

Der sich längs der Mittelachse des Rohrs 4 erstreckende Mittelbereich I3 der Brennkammer bildet die Zone, in der diri Verbrennungsgase am heißesten sind. Das Rohr 4 ist so geformt, daß die durch die jeweiligen Luftschlitze den einzelnen Verbrennungsräumen zugeführte Luft den Mittelbereich 13 erreicht, so daß die Verbrennunarsgase in diesem Bereich effektiv gekühlt und die NO_x-Erζeugung verringert wird. Beispielsweise sind die Sekundärluftschlitze 11a, 11b, 11c dsrart angeordnet und bemessen, daß die Sekundärluft mit einer solchen Geschwindigkeit hindurchtritt, daß sie den Mittelbereich 13 erreicht.

Der Durchmesser der einzelnen Luftschlitze für die

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jeweiligen Verbrennungsräume wird beispielsweise nach folgender Beziehung bestimmt:

Y = 2,2 (_oj Vj / PgVg - 0,1)°>⁶⁸. _D;

wobei Y = Abstand des jeweiligen Luftschutzes von der Mittelachse;

D= Durchmesser des betreffenden Luftschlitzes; Vj = Durchtrittsgeschwindigkeit der Luft; Pj = Dichte der Luft;

Vg = Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase; Pg = Dichte der Verbrennungsgase.

Die Luftschlitze für die einzelnen Verbrennungsräume sind so bemessen, daß sich die gesamten Querschnittsflachen der Luftschlitze für jeden Verbrennungsraum wie die von den einzelnen Verbrennungsräumen benötigten Luftmengen verhalten. Zwischen dem zylindrischen Gehäuse 1 und dem koaxialen Innenrohr 4 besteht eine Luftdurchführung 14 zur Zuführung der Luft an die Luftschlitze.

Im folgenden soll die Arbeitsweise des obigen Brenners erläutert werden. Der Kraftstoff wird durch die Düse 1 in den ersten Verbrennungsraum 7 injiziert und gleichzeitig wird die durch die Luftdurchführung 14 strömende Druckluft an dem Drallblech 6 vorbei durch die Primärluftschlitze 10a, 10b in den ersten Verbrennungsraum 7 eingeleitet. Gleichzeitig wird ferner Druckluft durch die Sekundärluftschlitze 11a, 11b, 11c dem zweiten Verbrennungsraum 8 zugeführt.

Der dem ersten Verbrennungsraum 7 zugeführte Kraftstoff wird dort mit der Luft gemischt und vergast. Das Gemisch wird innerhalb des ersten Verbrennungsraums 7 mit Hilfe eines Zündfunkens gezündet, der von einer (nicht gezeigten) Zündeinrichtung erzeugt wird. Die bei der Verbrennung entstehende Flamme wird durch die Rezirkulationsströmung aufrechterhalten, die durch den Wirbelstrom 15 erzeugt wird und von dem Bereich der Sekundärluftschlitze 11a, 11b 11c zur Düse 3 strömt, so daß die Verbrennung in dem ersten Verbrennungsraum 7 kontinuierlich stattfindet.

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Dia dem ersten Verbrennungsraum 7 zugeführte Luftmenge ist etwa gleich dem theoretischen Luftbedarf des gesamten Kraftstoffs. Die Temperatur der Verbrennungsgase im ersten Verbrennungsraum 7 ist relativ gering, und das Volumen der Verbrennungsgase ist relativ klein, da sowohl die Vergasung als auch die Verbrennung des Kraftstoffs gleichzeitig im ersten Verbrennungsraum 7 erfolgen. Im zweiten Verbrennungsraum 8 wird die Verbrennung 'durch die über die Sakundärluftaelilitze 11a, 11b, 11c zugeführte Luft fortgesetzt, wobei das Volumen der Verbrennungsgase, zunimmt.

Da der Durchmesser des zweiten Verbrennungsraums 8 größer ist als der des ersten Verbrennungsraums 7, verringert sich die Geschwindigkeit der Verbrennungsgase im zweiten Verbrennungsraum 8, wodurch Druckverluste der Verbrennungsgase in der Brennkammer verringert werden. Dadurch vergrößert sich die Druckdifferenz zwischen der inneren und der äußeren Seite der Sekundärluftschlitze 11a, 11b, 11c, was bedeutet, daß sich die Sekundärluft leichter in den zweiten Verbrennungsraum 8 einführen läßt. Die Verbrennungsgase erreichen im zweiten Verbrennungsraum 8 hohe Temperaturen und in dessen Mittelbereich 13 die höchste Temperatur. Sie v/erden jedoch durch die Sekundärluft ausreichend und wirksam gekühlt, da das Rohr 4 so geformt ist, daß die Sekundarluft diesen Mittelbereich 13 erreicht, und da auch die Sekundär luft schlitze 11a, 11b, 11c so gebildet sind, daß die hindurchströmende Sekundärluft eine Geschwindigkeit erhält, mit der sie den Mittelbereich 13 erreicht.

Durch diesen Aufbau des Rohrs 4 lassen sich also die sehr heißen Verbrennungsgase im zweiten Verbrennungsraum 8, insbesondere in dessen Mittelbereich 13, ausreichend und effektiv abkühlen, wodurch die NO -Produktion verhindert wird.

Im Haupt-Verbrennungsraum 9 werden die noch unverbrannten Gase vollkommen verbrannt. Die Verbrennungsgase

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werden dann mit Hilfe der Luft, die zur Verdünnung und Abkühlung der Verbrennungsgase durch die Verdünnungsluftschlitze 12a, 12b in den Haupt-Verbrennungsraum 9 eingeleitet wird, dar (nicht gezeigten) Gasturbine zugeführt. Durch Erhöhen der dem ersten Verbrennungsraum 7 sugefülirten Gesamtmenge an Primär luft v/ird dia NO -Erzeugung in dem ersten Verbrennungsraum 7 verringert; v/ird jedoch die Primärluftmenge zu groß, so geht die Stabilität der Verbrennung verloren.

Im zweiten Verbrennungsraum 8 läßt sich die NO-Produktion in ähnlicher Weise durch Erhöhung der Sekundärluftmenge verringern, da die Verbrennungsgase noch wirksamer abgekühlt werden; v/ird jedoch zu viel Sekundärluft eingeleitet, so beginnt die Verbrennung in dem zweiten Verbrennungsraum 8 zu vibrieren.

Die NO,,-· Produktion und die Stabilität der Verbrennung hängen nur von der Menge an Primär- und Sekundärluft ab, da NO.. nur in den Verbrennungsräumen 7 und 8 erzeugt v/ird, dagegen nicht oder fast nicht in dem Verdünnungsbereich des Haupt-Verbrennungsraums 9, in dem die Teuroeratur der Verbrennungsgase gering ist.

In Figur 2 ist das Verhältnis von Primärluftmenge zur Gesamtmenge an Primär- und Sekundärluft in Prozent an der Abszisse aufgetragen, während die linke Ordinate die NO^-Konzentration und die rechte Ordinate die C0-Konzen-

tration jev/eils in ppm zeigt. Die Kurve (A) in Figur 2 gibt die Beziehung zwischen der N0,_r-Konzentration und dem Ver-

.Λ.

hältnis von Primärluft zu Primär- und Sekundärluft wieder, während die Kurve (B) die gleiche Beziehung für die CO-Konzentration angibt, wobei angenommen ist, daß 27 bis 30 % der gesamten der Brennkammer zugeführten Luftrnenge zur Verdünnun= der Verbrennungsgase innerhalb des Haupt-Verbrennungsraums 9 verwendet werden, während die übrige Luftmenge als Frimär- und Sekundärluft dient. Die Stabilität der Verbrennung hängt von der C0-Konzentration ab.

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Wird das Verhältnis von Primärluft zur Gesamtmenge aus Primär- und Sekundärluft erhöht, so nimmt die NC-Konzontratioii gemäß der Kurve (A) in Figur 2 ab. Bei einem Verhältnis von etwa 45 % steigt jedoch die CO-Konzentration plötzlich an, was anzeigt, daß die Verbrennung instabil wird. Dieser Viert von 45 '''A bedeutet, daß 32 % der gesaraten der Brennkammer zugefülirtsn Luft menge als Primärluft verwendet wird, 33 % als Sekundärluft und 30 % als Verdünnungsluxt, wobei die NO_v-Frοduktion gegenüber herkömmlichen Brennern um 17,5 /3 verringert ist.

vferden 29 % der gesagten der Brennkammer zugeführten Luftnenge als Frimärluft verwendet, 44 % als Sekundärluft und 27 /3 als Verdünnungsluft, so läßt sich die NO -Produk- tion uni 15 % verringern, wie ein Versuch erwiesen hat. Gemäß

Ί 5 eirtora weiteren Versuch läßt sich dann, wenn 25 % der gesamten Luftnenge als Primärluft, 45 /ί als Sekundärluft und 30 % als Veraünnungsluft verwendet werden, die NO -Erzeugung gegenüber herkömmlichen Brennern um 13 % verringern.

Beträgt die Primärluft weniger als 25 % der Gesamtluitmenge, so wird keine ausreichende Kühlung der Verbrennungs- ^ass in den ersten Verbrennungsraum 7 mehr erreicht, und die NG__r~Konzantration nimmt zu. ¥erden andererseits mehr als 32 ?) der Ge samt luftmenge als Frimärluft verwendet, so wird die Verbrennung i;n ersten Verbrennungsraum 7 instabil, und die Flamme wird durch den plötzlichen Anstieg dsr C0-Konzentrαti on aus gelös cht.

Ein weiterer Versuch hat gezeigt, daß sich die Verbrennungsleistung selbst dann nicht verschlechtert und die ϊ·Τ0 -Konzentration selbst dann nicht zunimmt, wenn 50 ;'ί der Gesagtluftmenge als Sekundärluft verwendet wird. Oberhalb dieses Viertes beginnt jedoch die Verbrennung zu vibrieren. Vfird andererseits weniger als 33 % der Gesamtluftmenge als Sekundärluft verwendet, so nimmt die NO,-Konzentration wegen ungenügender Kühlung der Verbrennungsgase im zweiten Verbrsnnungsraum zu, da dann in diesem Verbrennungsraum nicht

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mehr genügend Kühlluft zur Verfügung steht.

Die Verdünnungsluftmenge hängt von der Gesamtmenge an Primär- und Sekundärluft ab. Werden v/eniger als 30 % der gesamten der Brennkammer zugeführten Luftmenge als Verdünnungsluft verwendet, so kann die Verbrennung im Haupt-Verbrennungsraum 9 vonstatten gehen. Oberhalb dieses Viertes reicht die Verbrennung jedoch nicht aus, da die als Primär- und Sekundärluft verfügbare Luftmenge zu klein wird und die Verbrennungsgase innerhalb der ersten und zweiten Verbrennungsräume 7 und 8 nicht mehr ausreichend gekühlt werden.

Eine effektive Verringerung der NO^-Srzeugung und die Stabilisierung der Verbrennung in der Brennkammer werden dann erzielt, wenn 25 bis 32 % der gesamten der Brennkammer 5 zugeführten Luftmenge als Primärluft _s 33 bis 50 % als Sekundärluft und weniger als 30 % als Verdünnungsluft verwendet werden. Daher sind die Primärluftschlitze 10a, 10b so gestaltet, daß sie 25 bis 32 % der Gesamtluftmenge hindurchlassen, die Sekundärluftschlitze 11a, 11b, 11c so, daß sie 38 bis 50 % der Gesamtluftmenge hindurchlassen, und die Verdünnungsluftschlitze 12a, 12b so, daß sie v/eniger als 30 % der Gesamtluftmenge hindurchlassen, wie dies den in den jeweiligen Verbrennungsräumen 7, 8 bzw. 9 benötigten Luftmengen entspricht.

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Leerseite

Claims

PATE Ν"*- Ί,Ν V¹A'-TE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O /. H LJ f fa O -J

POSTADRESSEtPOSTFACH 95 0160,0-8000 MÖNCHEN 95

HITACHI, LTD. 23. Februar 1973

DA-5575

Brenner für Gasturbinen

PAT ENTANSPRÜCHE

Brenner für Gasturbinen mit einem generell zylindrischen Rohr, das eine Brennkammer mit einem ersten, einen zweiten und einem Haupt-Verbrennungsraum bildet, wobei der den ersten Verbrennungsraum bildende Rohrabschnitt mehrere Primärluftschlitze, eine Wirbe!einrichtung für den Primärluftstrom und eine am Rohrende angeordnete Düse zur Zuführung von Kraftstoff längs der Mittelachse der Brennkammer aufweist, wobei der den zweiten Verbrennungsraum bildende Rohrabschnitt einen größeren Durchmesser hat als der den ersten Verbrennungsraum bildende Rohrabschnitt und mehrere Sekundärluftschlitze aufweist, und wobei der den Hauptverbrennungsraum bildende Rohrabschnitt einen größeren Durchmesser hat als der den zweiten Verbrennungsraum bildende Rohrabschnitt und mehrere Verdünnungsluftschlitze aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (4) derart ge-

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bildet ist, daß die durch die Sekundärluftschlitze (11a, 11b, 11c) zugeführte Sekundärluft den axialen Mittelbereich (13) der Brennkammer erreicht.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluftschlitze (11a, 11b. 11c) so gebildet sind, daß die Sekundärluft eine derartige Strömungsgeschwindigkeit erhält, daß sie den axialen Mittelbereich (13) der Brennkammer erreicht.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennze lehnet , daß die Luftschlitze (10a, 10b, 11a, 11b, 11c, 12a, 12Ό) derart gestaltet sind, daß sich ihre Querschnittsflächen wie die von den einzelnen Verbrsnnungsräumen (7, 8, 9) benötigten Luftmengen verhalten.
4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die dem ersten Verbrennungsraum (?) zugei uhr te Primär luft etxira 25 bis etwa 32 % der Gesamtmenge der der Brennkammer zugeführten Luft beträgt, daß die dem zweiten Verbrennungsraum (8) zugeführte Sekundärluft etwa 33 bis etwa 50 >o der Gesamtluftmenge beträgt, und daß die dem Hauptverbrennungsraum (9) zugeführte Verdünnungsluft weniger als etwa 30 % der Gesamtluftmenge beträft.

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5. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohr (4) so gebildet ist, daß die durch die Primärluftschlitze (10a, 1Ob) dem ersten Verbrennungsraum (7) zugeführte Primärluft etwa 25 bis etwa 32 % der Gesamtmenge der der Brennkammer zugeführten Luft beträgt, daß die durch die Sekundärluftschlitze (11a, 11b, 11c) dem zweiten Verbrennungsraum (8) zugeführte Sekundärluft etwa 38 bis etwa 50 % der Gesamtluftmenge beträgt, und daß die durch die Verdünnungsluftschlitze (12a, 12b) dem Haupt-Verbrennungsraum (9) zugeführte Verdünnungsluft weniger als etwa 30 % der Gesamtluftmenge beträgt.

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