DE2807853C2

DE2807853C2 - Brennkammer für Gasturbinen

Info

Publication number: DE2807853C2
Application number: DE2807853A
Authority: DE
Inventors: Masanobu Hitachi Ibaraki 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: 1982-12-16
Also published as: JPS53104019A; DE2807853A1; FR2381912A1; US4226088A; FR2381912B1

Description

dadurch gekennzeichnet,

— daß das Flammrohr (4) und die Luftzufuhröffnungen (10a, lOfc, 11a, lib, 12a, \2b) derart gestaltet sind, daß die Menge der durch die Primärluft-Zufuhröffnungen (10a, iOb) und die Wirbeleinrichtung (6) dem ersten Verbren- s'> nungsraum (7) zugeführten Primärluft etwa 25 bis etwa 32% der Gesamtmenge der der Brennkammer zugeführten Luft beträgt,

— daß die Menge der durch die Sekundärluft-Zufuhröffnungen (11a, lib, Wc) dem zweiten ■>" Verbrennungsraum (8) zugeführten Sekundärluft etwa 38 bis etwa 50% der Gesamtluftmenge beträgt, und

— daß die Menge der durch die Verdünnungsluft-Zufuhröffnungen (12a, 12tydem Hauptverbren- >"> nungsraum (9) zugeführten Verdünnungsluft weniger als etwa 30% der Gesamtluftmenge beträgt.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft-Zufuhröffnun- ^V) gen (11a, 11b, Wc) so gebildet sind, daß die Sekundärluft eine derartige Strömungsgeschwindigkeit erhält, daß sie den axialen Mittelbereich (13) des Flammrohrs erreicht.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch >"· gekennzeichnet, daß die Durchmesser der einzelnen Luftzufuhröffnungen nach folgender Gleichung bestimmt sind:

V= 2,2 (ρ./· VjlQg- Vg- 0,1)°ω . _Dt

Y = Abstand der jeweiligen Luftzufuhröffnung von der Mittelachse des Flammrohrs (4);

D = Durchmesser der betreffenden Luftzufuhröffnung;

Vj = Durchtrittsgeschwindigkeit der Luft; ρ j = Dichte der Luft;

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

b0 Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bekanntlich werden bei der Verbrennung durch die Reaktion von in der Luft enthaltenem Sauerstoff und Stickstoff Stickstoffoxide (NO₁) erzeugt, wobei diese Reaktion durch sauerstoffarme Verbrennung bei niedriger Temperatur verringert werden kann.

Gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 27 37 773 gehört eine Brennkammer 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, wobei das vordere Innenrohr koaxial zum Innenrohr angeordnet ist. Bei diesem Brenner beträgt die durch die Primärluft Zufuhröffnungen eingeleitete Luftmenge das 0,8- bis 1,2fache des theoretischen Luftbedarfs (Ao), die durch die Sekundärluft-Zufuhröffnungen eingeleitete Luftmenge 1,7 bis 2,5 Ao, und die als Verdünnungsluft in den Unterstrombereich der Brennkammer eingeleitete Luftmeiige 2,0 bis 2,7 Ao.

Ein wesentlicher Nachteil der genannten Brennkammer besteht darin, daß wegen der ungenügenden Abkühlung der Verbrennungsgase im axialen Mittelbereich der Brennkammer die Erzeugung von NO₁ nicht ausreichend und wirksam verringert werden kann. Der Hauptanteil der Luft, die durch die im vorderen Innenrohr vorgesehenen Luftzufuhröffnungen 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 der genannten Brennkammer besteht darin, daß die Menge der durch die Luftzufuhröffnungen im vorderen Innenrohr zugeführten Luft nicht ausreicht, um die Verbrennungsgase innerhalb dieses vorderen Innenrohrs effektiv zu kühlen. Wie erwähnt, wird 1,7 bis 2,5 Ao durch die Sekundärluft-Zufuhröffnungen in dnn Bereich innerhalb des vorderen Innenrohrs eingeleitet, während 2,0 bis 2,7 Ao als Verdünnungsluft dem Unterstrombereich der Brennkammer zugeführt wird. Infolge dieser unzureichenden Luftversorgung durch die Sekundärluft-Zufuhröffnungen wird die NO*-Erzeugung verstärkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer für Gasturbinen zu schaffen, bei der sich die ΝΟ,-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 im 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 der Brennkammer bewirken, so daß sich die NO_t-Produktion verringern läßt.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 39 993 sind verschiedene Formen von Brennkammern mit drei

Verbrennungszonen bekannt, wobei im einen Fall zwischen dem ersten und dem zweiten Verbrennungsraum keine eindeutige Unterscheidung besteht und der Haupiverbrennungsraum auch keinen größeren Durchmesser aufweist als der zweite Verbrennungsraum. In einer anderen aus der gleichen Druckschrift bekannten Ausführung weist der erste Verbrennungsraum keine seitlichen Luftzufuhröffnungen auf, und wiederum besteht keine strukturelle Unterscheidung zwischen dem zweiten Verbrennungsraum und dem Hauptverbrennungsrai in.

Aus dem Aufsatz von J. S. Clarke, der auf eine Konferenz der »Institution of Mechanical Engineers« und der »American Society of Mechanical Engineers« vom 15. bis 17. Juni 1955 in Boston, Mass., USA, vorgetragen wurde und den Titel trägt »The Relation of Specific Heat Release to Pressure Drop in Aero-Gas-Turbine Combustion Chambers«, ist ferner eine Brennkammer bekannt, deren erstem Verbrennungsraum 30% Primärluft zugeführt wird. Diese ttrennkammer weist aber keinen zweiten Verbrennungsraum auf; vielmehr schließt sich an den ersten Verbrennungsraum sofort ein Haupt-Verbrennungsraum an, der eine Verdünnungszone bildet. Es handelt sich hier also um eine nur zweistufige Brennkammer.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 3 gekennzeichnet. Die dort angegebenen Maßnahmen führen zu besonders guten Ergebnissen bezüglich der Verringerung von NO, und CO sowie bezüglich der Stabilität der Verbrennung.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Teil einer Brennkammer für eine Gasturbine und

Fig. 2 ein Diagramm, in dem die NO,- und CO-Konzentrationen als Funktionen der Luftverteilung innerhalb der Brennkammer dargestellt sind.

Die in F i g. 1 gezeigte Brennkammer für Gasturbinen umfaßt ein zylindrisches äußeres Gehäuse 1, das an einem Ende mit einer Stirnplatte 2 luftdicht abgeschlossen ist.

Die Stirnplatte 2 weist eine zentrische Bohrung auf, an der eine in das Gehäuse hineinragende Düse 3 zur Versorgung der Brennkammer mit Kraftstoff angeordnet ist. Koaxial zu dem Gehäuse 1 ist ein Flammrohr 4 angeordnet, wobei das innere Ende 5 der Düse 3 an einer zentrischen Bohrung in einer entsprechenden Stirnplatte des Rohres 4 luftdicht angeschlossen ist. An der Stirnplatte des Rohres 4 ist ferner ein Drallblech 6 vorgesehen, das dazu dient, in den von dem Rohr 4 gebildeten eigentlichen Brennraum Druckluft einzuleiten und eine Wirbelströmung zu erzeugen.

Das Flammrohr 4 umschließt einen ersten Verbrennungsraum 7, einen zweiten Verbrennungsraum 8 und einen Haupt-Verbrennungsraum 9. Die den ersten Verbrennungsraum 7 bildende Rohrwandung weist mehrere Primärluft-Zufuhröffnungen 10a, 106 auf, die den zweiten Verbrennungsraum 8 bildende Rohrwandung mehrere Sekundärluft-Zufuhröffnungen 11a, 11 b, lic und die den Haupt-Verbrennungsraum 9 bildende Rohrwandung mehrere Verdünnungsluft-Zufuhröffnungen \2a, \2b. Der Durchmesser des ersten Verbrennungsraums 7 ist kleiner als der des zweiten Verbrennungsraums 8, der seinerseits kleiner ist als der Durchmesser des Haupl-Verbrennungsraums 9, um Druckverluste zwischen dem ersten und dem zweiieii Verbrennungsraum zu beseitigen.

Der sich längs der Mittelachse des Rohrs 4 erstreckende Mittelbereich 13 der Brennkammer bildet die Zone, in der die Verbrennungsgase am heißesten sind. Das Rohr 4 ist so geformt, daß die durch die ■j jeweiligen Luft-Zufuhröffnungen den einzelnen Verbrennungsräumen zugeführte Luft den Mittelbereich 13 erreicht, so daß die Verbrennungsgase in diesem Bereich effektiv gekühlt werden und die ΝΟ,-Erzeugung verringert wird. Beispielsweise sind die Sekundär-

i" luft-Zufuhröffnungen 11a, life, lic derart angeordnet und bemessen, daß die Sekundärluft mit einer solchen Geschwindigkeit hindurchtritt, daß sie den Mittelbereich 13 erreicht.

Der Durchmesser der einzelnen Luft-Zufuhröffnun-

!■> gen für die jeweiligen Verbrennungsräume wird beispielsweise nach folgender Beziehung bestimmt:

y=2,2 (Qj

D ;

wobei

V = Abstand der jeweiligen Luftzufuhröffnung von

der Mittelachse des Flammrohres 4;
D = Durchmesser der betreffenden Luftzufuhröffnung;

Vj = Durchtrittsgeschwindigkeit der Luft;
QJ = Dichte der Luft;

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

Die Luft-Zufuhröffnungen für die einzelnen Verbrennungsräume sind so bemessen, daß sich die gesamten Querschnittsflächen der Luft-Zufuhröffnungen für jeden Verbrennungsraum wie die von den einzelnen Verbrennungsräumen benötigten Luftmengen verhalten.

Zwischen dem zylindrischen Gehäuse 1 und dem koaxialen Flammrohr 4 besteht eine Luftdurchführung 14 zur Zuführung der Luft an die Luft-Zufuhröffnungen.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der Brennkammer erläutert werden. Der Kraftstoff wird durch die Düse 3 in den ersten Verbrennungsraum 7 injiziert und gleichzeitig wird die durch die Luftdnrchführung 14 strömende Druckluft an dem Drallblech 6 vorbei durch die Primärluft-Zufuhröffnungen 10a, iGb in den ersten Verbrennungsraum 7 eingeleitet. Gleichzeitig wird ferner Druckluft durch die Sekundärluft-Zufuhröffnungen 11a, i\b, lic 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, Hb, lic zur Düse 3 strömt, so daß die Verbrennung in dem ersten Verbrennungsraum 7 kontinuierlich stattfindet.

Die dem ersten Verbrennungsraum 7 z-jgeführte Luftmenge isi 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 Verbannung des Kraftstoffs gleichzeitig im ersten Verbrennungsraum 7 erfolgen, !in zweiten Verbrennungsraum 8 wird die Verbrennung durch die über die Sekundärluft-Zufuhröffnungen 11a, üb. lic zugeführte Luft fortgesetzt, wobei das Volumen der Verbrennungs-

gase zunimmt.

Die Verbrennungsgase erreichen im zweiten Verbrennungsraum 8 hohe Temperaturen und in dessen Mittelbereich 13 die höchste Temperatur. Sie werden jedoch durch die Sekundärluft ausreichend und wirksam > gekühlt, da das Rohr 4 so geformt ist, und da die Sekundärluft-Zufuhröffnungen lla, 116, 1 Ic so gebildet sind, daß die hindurchströmende Sekundärluft eine Geschwindigkeit erhält, mit der sie den Mittelbereich !3 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 vermindert wird. ■ >

im Haupt-Verbrennungsraum 9 werden die noch unverbrannten Gase vollkommen verbrannt. Die Verbrennungsgase werden dann mit Hilfe der Luft, die zur Verdünnung und Abkühlung der Verbrennungsgase durch die Verdünnungsluft-Zufuhröffnungen 12a, 126 in -'" den Haupt-Verbrennungsraum 9 eingeleitet wird, der (nicht gezeigten) Gasturbine zugeführt.

Durch Erhöhen der dem ersten Verbrennungsraum 7 zugeführten Gesamtmenge an Primärluft wird die NO,-Erzeugung in dem ersten Verbrennungsraum 7 -> verringert; wird 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 Verbrennungsga- ■<" se noch wirksamer abgekühlt werden; wird jedoch zu viel Sekundärluft eingeleitet, so beginnt die Verbrennung in dem zweiten Verbrennungsraum 8 zu vibrieren. Die ΝΟ,-Produktion und die Stabilität der Verbrennung hängen nur von der Menge an Primär- und i"> Sekundärluft ab, da NO₁ nur in den Verbrennungsräumen 7 und 8 erzeugt wird, dagegen nicht oder fast nicht in dem Verdünnungsbereich des Haupt-Verbrennungsraums 9, in dem die Temperatur der Verbrennungsgase gering ist. ^4(l

In Fig.2 ist das Verhältnis von Primärluftmenge zur Gesamtmenge an Primär- und Sekundärluft in Prozent an der Abszisse aufgetragen, während die linke Ordinate die ΝΟ,-Konzentration und die rechte Ordinate die CO-Konzentration jeweils in ppm zeigt. -⁴¹ Die Kurve (A) in F i g. 2 gibt die Beziehung zwischen der ΝΟ,-Konzentration und dem Verhältnis 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 Luftmenge zur Verdünnung der Verbrennungsgase innerhalb deb Haupt-Verbrennungsraums 9 verwendet werden, während die übrige Luftmenge als Primär- und Sekundärluft dient Die Stabilität der Verbrennung hängt von der " CO-Konzentration ab.

Wird das Verhältnis von Primärluft zur Gesamtmenge aus Primär- und Sekundärluft erhöht, so nimmt die ΝΟ,-Konzentration gemäß der Kurve (A) in Fig. 2 ab. Bei einem Verhältnis von etwa 45% steigt jedoch die ^w) CO-Konzentration plötzlich an. was anzeigt, daß die Verbrennung unvollkommen wird. Dieser Wert von 45% bedeutet, daß 32% der gesamten der Brennkammer zugeführten Luftmenge als Primärluft verwendet wird, 38% als Sekundärluft und 30% als Verdünnungsluft, wobei die ΝΟ,-Produktion gegenüber herkömmlichen Brennkammern um 17,5% verringert ist.

Werden 29% der gesamten der Brennkammer zugeführlen Luftmenge als Primärluft verwendet, 44% als Sekundärluft und 27% als Verdünnungsluft, so läßt sich die NO,-Produktion um 15% verringern, wie ein Versuch erwiesen hat. Gemäß einem weiteren Versuch läßt sich dann, wenn 25% der gesamten Luftmenge als Primärluft, 45% als Sekundärluft und 30% als Verdünnungsluft verwendet werden, die NO,-Erzeugung gegenüber herkömmlichen Brennern urn 13% verringern.

Beträgt die Primärluft weniger als 25% der Gesamtluftmenge, so wird keine ausreichende Kühlung der Verbrennungsgase in dem ersten Verbrennungsraum 7 mehr erreicht, und die ΝΟ,-Konzentration nimmt zu. Werden andererseits mehr als 32% der Gesamtluftmenge ais Primärluft verwendet, so wird die Verbrennung im ersten Verbrennungsraum 7 instabil.

Ein weiterer Versuch hat gezeigt, daß sich die Verbrennungsleistung selbst dann nicht verschlechtert und die ΝΟ,-Konzentration selbst dann nicht zunimmt, wenn 50% der Gesamtluftmenge als Sekundärluft verwendet wird. Oberhalb dieses Wertes beginnt jedoch die Verbrennung zu vibrieren. Wird andererseits weniger als 38% der Gesamtluftmenge als Sekundärluft verwendet, so nimmt die ΝΟ,-Konzentration wegen ungenügender Kühlung der Verbrennungsgase im zweiten Verbrennungsraum zu, da dann in diesem Verbrennungsraum nicht mehr genügend Kühlluft zur Verfügung steht.

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

Eine effektive Verringerung der ΝΟ,-Erzeugung und die Stabilisierung der Verbrennung in der Brennkammer werden dann erzielt, wenn 25 bis 32% der gesamten der Brennkammer zugeführten Luftmenge als Primärluft, 38 bis 50% als Sekundärluft und weniger als 30% als ν cTuünnürigSiüi

Primärluft-Zufuhröffnungen 10a, \0b so gestaltet, daß sie 25 bis 32% der Gesamtluftmenge hindurchlassen, die Sekundärluft-Zufuhröffnungen lla, 116, llcso, daß sie 38 bis 50% der Gesamtluftmenge hindurchlassen, und die Verdünnungsluft-Zufuhröffnungen 12a, \2b so, daß sie weniger als 30% der Gesamtluftmenge hindurchlassen, wie dies den in den jeweiligen Verbrennungsräumen 7,8 bzw. 9 benötigten Luftmengen entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkammer für Gasturbinen mit einem aus zylindrischen Abschnitten bestehenden Flammrohr "> (4), das einen ersten, einen zweiten und einen Haupt-Verbrennungsraum (7 ... 9) umschließt, wobei

— der den ersten Verbrennungsraum (7) bildende Flammrohrabschnitt mehrere Luftzufuhröff- ^l(l nungen (10a, iOb) und eine Wirbeleinrichtung (6) für die Zufuhr von Primärluft und eine am stromaufwärtigen Ende angeordnete Düse (3) zur Zuführung von Brennstoff längs der Mittelachse der Brennkammer aufweist, ' ϊ

— der den zweiten Verbrennungsraum (8) bildende Flammrohrabschnitt einen größeren Durchmesser hat als der den ersten Verbrennungsraum (7) bildende Flammrohrabschnitt und mehrere Sekundärluft-Zufuhröffnungen (tta, -» 11 b) aufweist, und

— der den Hauptverbrennungsraum (9) bildende Flammrohrabschnitt einen größeren Durchmesser hat als der den zweiten Verbrennungsraum (8) bildende Flammrohrabschnitt und -> mehrere Verdünnungsluft-Zufuhröffnungen (12a, 12/>;aufweist,