DE3011361A1

DE3011361A1 - Verbrennungsvorrichtung und -verfahren fuer eine gasturbine

Info

Publication number: DE3011361A1
Application number: DE19803011361
Authority: DE
Inventors: Paul Vincent Heberling
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-03-27
Filing date: 1980-03-25
Publication date: 1980-10-16
Also published as: NL8001715A; IT1130930B; GB2045422A; JPS55134221A; FR2452598A1; IT8020438A0; US4246757A; GB2045422B

Description

Verbrennungsvorrichtung und -verfahren für eine Gasturbine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung mit einer Zyklon- oder Wirbelkammer und auf ein Verbrennungsverfahren, das in der Verbrennungsvorrichtung ausgeführt werden kann. Das Verbrennungsverfahren und die Verbrennungsvorrichtung eignen sich insbesondere für mit flüssigem Brennstoff gefeuerte Gasturbinen einschließlich solchen, die zur Erzeugung von elektrischem Strom in Elektrizitätswerken benutzt werden.

Gasturbinenbrenner, die mit flüssigem Brennstoff betrieben werden, erzeugen unter dem Gesichtspunkt von ständig strenger werdenden amtlichen Bestimmungen Stickoxide (NO ) in unzulässig hohem Ausmaß. Es sind bereits zahlreiche Brenner und Verfahren vorgeschlagen worden, bei denen der flüssige Brennstoff vorverdampft wird, d.h. vor der Verbrennung in Dampf- oder Gasform umgewandelt wird, wobei die Hitze für die Brennstoffverdampfung durch die dem Brenner zugeführte heiße Luft geliefert wird. In vielen der vorgeschlagenen Brenner erfordert jedoch die für eine Vorverdampfung in einem akzeptablen

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Mindestumfang erforderliche Verweilzeit des flüssigen Bronnstoffes eine übermäßig große Vorkammer, was häufig dazu führt, daß es in dieser im Betrieb zur Selbstzündung des Brennstoff/Luft-Gemisches kommt.

Die Praxis der Erfindung hat gezeigt, daß die Probleme der Stickoxidbildung und der Selbstzündung bei der Verbrennung von normalerweise flüssigem Brennstoff auf einfache und wirksame Weise zumindest wesentlich verringert werden können. Die Verbrennungsvorrichtung und das -verfahren nach der Erfindung schaffen einen guten Ausgleich zwischen einer ausreichend langen Verweilzeit des flüssigen Brennstoffes in einer Vorkammer oder Vorverdampfungszone zur wirksamen Brennstoffverdampfung darin und einer ausreichend kurzen Verweilzeit des zündbaren Gemisches des sich ergebenden Brennstoffdampfes mit heißer Luft, so daß bei einer Vielfalt von Betriebszuständen eine Selbstzündung in der Vorkammer im wesentlichen vermieden und ein Flammenrückschlag aus einer stromabwärtigen Brennkammer minimiert wird.

Unter einem Aspekt schafft die Erfindung, allgemein ausgedrückt, eine Verbrennungsvorrichtung, die insbesondere zur Verbrennung von anfänglich flüssigem Brennstoff verwendbar ist, um Antriebsfluid für Gasturbinen, einschließlich Hochleistungsturbinen, wie sie zur Erzeugung von elektrischem Strom in Elektrizitätswerken benutzt werden, zu erzeugen. Die Vorrichtung enthält eine Brennerbüchse oder einen Brennereinsatz, der eine Brennkammer begrenzt, die an ihrem stromaufwärtigen Ende in einer Einlaßverengung und an ihrem stromabwärtigen Ende in einem Auslaß zum Ausstoßen von Verbrennungsgasen endet. Außerdem ist eine Vorkammeranordnung vorgesehen, die eine Wirbelvorkammer aufweist, in der flüssiger Brennstoff verdampft wird. Die Vorkammer ist wenigstens auf einem Teil ihrer axialen Ausdehnung im wesentlichen zylindrisch, endet an ihrem stromabwärtigen Ende in der Verengung und mündet über diese in die Brennkammer. Die Anordnung enthält weiter

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mehrere konvergierende, in gegenseitigem Abstand angeordnete, fütark abgewinkelte Leitschaufeln, die auf dem Umfang des zylindrischen Teils der Vorkammer angeordnet sind. Einander gegenüberliegende Flächen von jeweils zwei benachbarten Leitschaufeln begrenzen nach innen konvergierende Luftströmungskanäle, über die Luft mit einer hohen tangentialen Geschwindigkeitskomponente in die Vorkammer eingeleitet wird. Eine Vorrichtung (z.B. eine Düse) ist in Strömungsverbindung mit dem stromaufwärtigen Ende der Vorkammer vorgesehen, um flüssigen Brennstoff mit einem 'Sprühprofil in Form eines im wesentlichen hohlen, zu der Vorkammer koaxialen Kegels einzuleiten. Der Sprühkegel hat einen Scheitelwinkel, welcher ausreichend groß ist, so daß der eingeleitete Brennstoff zu einem stromaufwärtigen Teil jeder Leitschaufel und nicht zu der Verengungsöffnung geleitet wird. Eine Zündvorrichtung ist in der Brennkammer zum Zünden des Gemisches aus Luft und verdampften Brennstoff, welches in vorgemischter Form aus der Brennkammer empfangen wird, vorgesehen.

Unter einem anderen Aspekt schafft die Erfindung, allgemein gesagt, ein Verbrennungsverfahren, bei dem ein flüssiger Brennstoff vorverdampft wird und der sich ergebende Dampf mit der Verbrennungsluft in einer Zyklon- oder Wirbelzone vorgemischt wird, in die heiße Luft eingeleitet und mit einer hohen tangentialen Geschwindigkeitskomponente verwirbelt wird, um ein im wesentlichen gleichmäßiges Gemisch aus Brennstoffdampf und Luft zu erzeugen. Während die heiße Luft kontinuierlich eingeleitet wird, um das Hochgeschwindigkeitswirbelprofil zu bilden, wird das Brennstoffdampf/Luft-Gemisch kontinuierlich über eine Verengung in eine Verbrennungszone abgegeben, in der dessen Verbrennung kontinuierlich erfolgt. Das Verfahren kann in der oben beschriebenen Vorrichtung ausgeführt werden.

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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in Seitenansicht und teilweise im Schnitt

einen Brenner mit einer Wirbelvorkammer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht auf der Linie 2-2 von

Fig. 1, die die Wirbelvorkammer in Richtung ihrer Achse zeigt,

Fig. 3 eine Teilansicht, die ausführlicher die in

dem Brenner benutzte Düse für den flüssigen Brennstoff zeigt,

Fig. 4 eine Teilansicht, die eine Anzahl der Leit

schaufeln von Fig. 2 ausführlicher zeigt,

Fig. 5 eine Teilansicht einer Anordnung von Leit

schaufeln gemäß einer weiteren Ausführunqsform der Erfindung und

Fig. 6 schematisch bevorzugte Betriebszustände des

Brenners.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Teil einer Verbrennungsvorrichtung oder eines Brenners 10. Der Brenner 10 ist zwar mit vertikal ausgerichteter Achse A-A gezeigt, er kann jedoch auch mit horizontal oder in anderer geeigneter Richtung ausgerichteter Achse benutzt werden. Die horizontale Ausrichtung der Achse A-A wird bei einer Vielfalt von Gasturbinen bevorzugt, die bei der Erzeugung von elektrischem Strom benutzt werden. Der Brenner kann benutzt werden, um Antriebsfluid für diose Gasturbinen und für andere Gar,tur-

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binen oder Gasturbinentriebwerke zu erzeugen. Der Brenner

oder

hat ein Gehäuse 12 und eine Brennerauskleidung / einen Brennereinsatz 14, die durch irgendeine geeignete Vorrichtung auf Abstand voneinander gehalten werden/ vorzugsweise durch eine Anzahl von in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten und sich radial erstreckenden Rippen 16, welche an dem Gehäuse und dein Brennereinsatz angeschweißt oder anderweitig befestigt sind.

Der Brennereinsatz 14, der jede geeignete Form haben kann und vorzugsweise aus einer insgesamt zylindrischen Wand besteht, begrenzt teilweise eine Brennkammer 18, die an dem stromabwärtlgen oder Auslaßende (nicht gezeigt), das in jeder geeigneten Weise mit dem Antriebsfluideinlaß einer Gasturbine verbunden sein kann, offen ist. Die Kammer ist an dem anderen oder stromaufwärtigen Ende durch eine Einlaßwand 20, die in einer Verengung 22 endet, teilweise verschlossen. Die Einlaßwand kann zwar eine ringförmig ebene oder andere geeignete Form haben, vorzugsweise ist sie jedoch, wie dargestellt, kegelstumpfförmig. Die Kammer ist außerdem an ihrem stromaufwärtigen Ende durch eine Zyklon- oder Wirbelvorkammeranordnung 24 teilweise verschlossen, welche eine stromaufwärtige Deckplatte 26 aufweist, durch die eine Düsenanordnung 28 für flüssigen Brennstoff vorzugsweise koaxial zu dem Brenner hindurchragt.

Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung verwendeten Begriffe "stromabwärts" und "stromaufwärts" bedeuten, wenn nichts anderes angegeben ist, Stellen am oder Richtungssinne zum unteren bzw. oberen Ende in Fig. 1.

Die Vorkammeranordnung 24 enthält eine Zyklon- oder Wirbelvorkammer 30, die allein insgesamt zylindrisch sein kann. Die Vorkammer 30 hat vorzugsweise einen insgesamt zylindrischen stromaufwärtigen Teil und einen daran angrenzenden insgesamt kegelstumpfförmigen stromabwärtigen Teil 32, der

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oder dem Hals
in der Verengung/22 endet. Der insgesamt zylindrische Teil der Vorkammer wird durch die radial innere Umhüllende begrenzt, welche durch die Hinterkanten 33 von mehreren konvergierenden, gegenseitigen Abstand aufweisenden, stark abgewinkelten Leitschaufeln 34, die umfangsmäßlg um den stromaufwärtigen zylindrischen Teil angeordnet sind» gebildet wird. Die Leitschaufeln sind vorzugsweise an ihren axial stromabwärtigen Enden durch Schweißungen oder andere Befestigungsmaßnahmen an einem ebenen, ringförmigen Fortsatz 32' der den Teil 32 bildenden Wand befestigt.

Einander gegenüberliegende Flächen von jeweils zwei benachbarten Leitschaufeln begrenzen nach innen konvergierende Luftströmungskanäle 35 zum Einleiten von Verbrennungsluft, die den Kanälen, beispielsweise aus dem ringförmigen Strömungsraum 36, zugeführt wird, in die Wirbelkammer. Die Verbrennungsluft wird vorzugsweise mit einer ausreichend hohen Temperatur zugeführt, damit der über die Brennstoffdüsenanordnung 28 zugeführte flüssige Brennstoff schnell verdampft wird. Die Leitschaufeln sind so ausgebildet und aufeinanderausgerichtet, daß die Verbrennungsluft in die Vorkammer mit einer hohen tangentialen Geschwindigkeit eingeleitet werden kann, vorzugsweise mit einem Verhältnis der Tangentialgeschwindigkeit zur Radialgeschwindigkeit von großer als 3:1. Bei diesem Einleiten wird die ankommende Luft auf einem Weg geleitet, der beinahe tangential ist, um die Wirbelbewegung eines Wirbels zu erzeugen, in den der über die Düse zugeführte flüssige Brennstoff eingeleitet wird, was weiter unten noch ausführlicher beschrieben ist.

Der hier verwendete Begriff "tangential" bedeutet, wenn er in Verbindung mit der ankommenden Verbrennungsluft gebraucht wird, daß die Luft im Zeitpunkt ihres Einleitens in die Vorkammer zumindest im wesentlichen tangential zu der Umhüllenden der Hinterkanten der in der Leitschaufelanordnung enthaltenen Leitschaufeln ist.

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Die Brennstoffdüsenanordnung 28, die sich durch eine öffnung in der GehMusestirnwand 38 erstreckt, ist in dieser durch einen flansch 40 abgestützt, welcher darin durch passende Gewinde, Sqhweißungen oder andere geeignete Maßnahmen sowohl mit der Düsenanordnung als auch mit der Stirnwand verbunden ist, welch letztere ihrerseits an der Seitenwand 12 angeschweißt oder lösbar befestigt ist. Die Düsenanordnung erstreckt sich außerdem durch eine öffnung in der Deckplatte 26 und endigt innerhalb der Vorkammer in einem Auslaßgebilde, das vorzugsweise eng benachbart zu dem stromaufwärtigen Ende der Vorkammer angeordnet ist. Die dargestellte und bevorzugte Düse ist eine mit Luftunterstützung arbeitende Sprühdüse, die flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoff, z.B. Destillatöl Nr, 2, zerstäubt, welcher über eine zentrale Leitung 4 2 zugeführt wird, die mit einer Endkappe 44 versehen ist, in welcher mehrere Löcher 45 in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnet sind (Fig. 3). Zerstäubungsluft mit einem Druck, der zumindest etwas über dem Druck in der Vorkammer 30 liegt, wird über den ringförmigen Hohlraum zugeführt, welcher hauptsächlich durch die Außenfläche der Leitung 42 und die Innenfläche der koaxialen Leitung 46 begrenzt wird. Die Zerstäubungsluft strömt zwischen mehreren schematisch dargestellten Wirbelleitblechen 48 hindurch, welche an ihren axialen Enden an der Endkappe 44 und einer Lippe oder einem Fortsatz 50 der Leitung 46 befestigt sind. Mittig und axial von der Endkappe 44 steht nach unten ein Düsenzapfen 52 vor, der einen gekrümmt divergierenden unteren Teil 54 hat, damit flüssiger Brennstoff in die Vorkammer mit einem Sprühprofil in Form eines im wesentlichen hohlen Kegels eingeleitet wird, der zu der Vorkammer koaxial ist. Die Wirbelbleche 48 sind vorzugsweise so ausgebildet und angeordnet, daß der hervorgerufene Wirbel von aus der Düse abgegebenem zerstäubtem Brennstoff in derselben Winkelrichtung wie die Verbrennungsluft in der Vorkammer wirbelt, d.h. in den Fig. 3 und 4 im Gegenuhrzeigersinn.

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Das Hohlkegelsprühprofil 56 (Fig. 1) hat einen Kegelspitzenwinkel Ot.., der ausreichend groß ist, damit der eingeleitete flüssige Brennstoff zu den Vorkammerleitschaufeln 34 und nicht zu der durch die Verengung 22 begrenzten öffnung geleitet wird. Damit eine ausreichende Verweilzeit des flüssigen Brennstoffes zur im wesentlichen vollständigen Verdampfung desselben in dar Vorkammer gewährleistet ist, muß der Kegelspitzenwinkel wenigstens 120°, vorzugsweise 140 - 180° und noch bevorzugter 160 - 180° betragen.

Wenn, was bevorzugt wird, Zerstäubungsluft benutzt wird, sollte die Massendurchflußleistung der Zerstäubungsluft wesentlich kleiner als die Massendurchflußleistung der über die Leitschaufelkanäle eingelassenen Verbrennungsluft und vorzugsweise im wesentlichen gleich der Massendurchflußleistung des Brennstoffes sein. Die Temperatur der Zerstäubungsluft braucht nicht erhöht zu werden, da die Wärmequelle für die Verdampfung des Brennstoffes in der eine relativ hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsluft enthalten ist.

In der Vorkammer verdampft die wirbelnde Masse der eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Luft den eingeleiteten flüssigen Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit, während die Tröpfchen flüssigen Brennstoffes unter der Wirkung des durch die wirbelnde Masse gebildeten Zentrifugalkraftfeldes radial nach außen zu den Leitschaufeln wandern. Das Zentrifugalkraftfeld erhöht vorteilhafterweise die Verweilzeit des flüssigen Brennstoffes, da dessen Tröpfchen auf die Oberflächen der Leitschaufeln aufprallen und sich darauf niederschlagen.

Die eine hohe Geschwindigkeit aufweisende Verbrennungsluft, die über die Kanäle eintritt, zerstäubt erneut den darauf typischerweise in Form eines dünnen Films niedergeschlagenen flüssigen Brennstoff. Ein bestimmtes Flüssigkeitströpfchen einer ersten Größe wird durch die ankommende Luft eine wenigstens teilweise Verdampfung erfahren, wenn das Tröpfchen nach

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außen zu den Leitschaufeln wandert oder geschleudert wird, und infolge seiner teilweisen Verdampfung in der Größe abnehmen. Der Brennstoffdampf, der eine geringere Dichte als die Flüssigkeit hat, wird mit der Luft insgesamt einwärts gewirbelt. Die Gesamtwirkung besteht für eine große Anzahl von verdampfenden Tröpfchen darin, daß sich deren verdampfter Teil mit der Luft innig vermischt/ so daß es zur Bildung eines im wesentlichen homogenen Gemisches aus Luft und Brennstoffdampf in der Vorkammer kommt. Nachdem ab der Bildung des Dampfes eine kurze Zeit verstrichen ist, verläßt das stark wirbelnde Luft/Brennstoffdampf-Gemisch die Vorkammer über die Verengung und geht in die Brennkammer 18, in der sich die Verbrennung anschließt. Die tangentiale Geschwindigkeitskomponente des wirbelnden Luft/Brennstoffdampf-Gemischs in der Vorkammer wird größer, wenn es sich der Achse nähert (d.h. spiralförmig einwärts zu der Achse geht), wodurch die Geschwindigkeit und die Intensität des Wirbels zunehmen, was sich fortsetzt, wenn dieses Gemisch in die Brennkammer eintritt. Die hohe Intensität des Wirbels führt zu einem axialen Niederdruckgebiet in der Brennkammer und ruft eine Rezirkulationszone 56 längs eines Teils der Achse A-A hervor. Diese Rezirkulationszone hilft, die Verbrennung zu stabilisieren.

Jede Leitschaufel stellt vorzugsweise eine durchgehende oder ununterbrochene Strömungsleitfläche dar, während die Leitschaufelanordnung vorzugsweise frei von Kanäle begrenzenden Teilen in unmittelbarer Nähe der durch die radial äußeren oder Vorderkanten der Leitschaufeln festgelegten Umhüllenden ist. Diese Merkmale der einzelnen Leitschaufeln und der Leitschaufelanordnung schließen die Bildung von örtlich begrenzten Rezirkulationszonen an den Leitschaufeln und damit einhergehende Luftdruckverluste im wesentlichen aus und unterstützen gleichzeitig das Einleiten der ankommenden Luft mit hoher Tangentialgeschwindigkeit.

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Es kann zwar jede geeignete Anzahl von Vorkammerleitschaufeln benutzt werden, ihre Anzahl beträgt jedoch vorzugsweise wenigstens 2D, wobei "D" den Innendurchmesser der Vorkammer darstellt, gemessen über die Umhüllende, die durch die Hinterkanten der Leitschaufeln festgelegt wird (vgl. Fig. 2).

Zur Erzielung der maximalen Tangentialgeschwindigkeit der ankommenden Luft und zur Minimierung des sich ergebenden oder zugeordneten Druckabfalls der Luftströmung durch die Leitschaufelkanäle ist das Verhältnis der gesamten Kanaldurchflußfläche zu der zylindrischen Fläche der Vorkammer ein wichtiges Merkmal der Erfindung. Der Wert dieses Verhältnisses kann, beispielsweise, von etwa 0,05:1 bis etwa 0,5:1 und vorzugsweise von etwa 0,1:1 bis etwa 0,4:1 reichen und speziell etwa 0,25:1 betragen. Die vorgenannten Werte gelten für Messungen der beiden Flächen in gleichen Einheiten, z.B. in Quadratmillimetern. Die "Kanaldurchflußfläche" für einen bestimmten Kanal ist in Fig. 4 durch eine Linie L₁ dargestellt. Diese Durchflußfläche ist die kleinste Durchflußfläche für einen bestimmten Kanal. Die Linie L₁ ist die kürzeste Linie, die sich sowohl (a) von der Hinterkante einer Leitschaufel (in Fig. 4 der Leitschaufel 34a) zu der radial äußeren benachbarten Leitschaufel (der Leitschaufel 34b) erstreckt als auch (b) zu der Oberfläche der letztgenannten Leitschaufel, in der diese Linie endigt, rechtwinkelig ist. Unter Verwendung der T>erminologie, die für Leitschaufeln auf dem Gasturbinengebiet benutzt wird, wird die Seite oder Oberfläche der Leitschaufel 34b, die in der unmittelbar vorher erwähnten Definition der kürzesten Linie enthalten ist, hier als Niederdruckseite oder -fläche 58 bezeichnet. Der Zahlenwert der insgesamt rechteckigen Durchflußfläche, die der Linie L₁ entspricht, wird erhalten, indem die Länge der Linie L₁ mit der axialen Länge H (Fig. 1) der Leitschaufeln multipliziert wird. Die gesamte Kanaldurchflußfläche ist die Summe der Durchflußflächen für jeden Kanal. Der Wert der zylindrischen Fläche der Vorkammer ist durch die Formel

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IT x D χ H gegeben, wobei D und H ihre oben angegebenen Definitionen haben und in gleichen Einheiten gemessen werden.

Der Leitschaufelwinkel kann etwas kritisch sein, da er die Verweilzeit des flüssigen Brennstoffes in der Vorkammer beeinflußt. Der Hier verwendete Begriff "Leitschaufelwinkel" beinhaltet den Winkel ß, der durch (a) eine Linie R¹, welche sich radial von der Mitte oder Achse der Vorkammer zu dem Mittelpunkt der Linie L₁ erstreckt, und (b) eine Linie L„ gebildet wird, die sich rechtwinkelig zu der Linie L₁ von deren Mittelpunkt aus in die Vorkammer erstreckt. Der Leitschaufelwinkel kann, beispielsweise, von etwa 60 bis 90° und vorzugsweise von etwa. 70 bis 90° reichen und z.B. etwa 80° betragen. Leitschaufelwinkel von weniger als 60° sollten vermieden werden, da sie im allgemeinen zu nachteiligen Verbrennungsbedingungen führen, beispielsweise zu einer starken Stickoxidbildung, von der angenommen wird, daß sie aus der Abgabe von unzulässig hohen Mengen an Brennstofftröpfchen mit einer Größe von 10 pm oder größer in die Brennkammer resultiert.

Die Luftströmungskanäle 35 konvergieren nach innen vorzugsweise allmählich, was die nacheinander kürzer werdenden Längen der Linien L-., L., L_n. und L₁ in der angegebenen Reihenfolge zeigen.

Es können zwar Vorkammerleitschaufeln mit jeder geeigneten Querschnittsform benutzt werden, die in Fig. 4 für die Leitschaufeln 34 gezeigte gekrümmte Flügelprofilform wird jedoch bevorzugt. Andere geeignete Leitschaufeln sind insgesamt gerade Leitschaufeln 34', die vorzugsweise spitz zulaufende oder abgefaste hintere Ränder 35' haben (Fig. 5). Die Leitschaufeln, ob gerade, gekrümmt oder anderweitig gestaltet, endigen vorzugsweise in scharfen Hinterkanten. Es hat sich gezeigt, daß solche Kanten die Wiederzerstäubung von auf die Leitschaufeln aufgepralltem und darauf angesammeltem flüssi-

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gem Brennstoff unterstützen.

Die Länge der verwendeten Leitschaufeln ist vorzugsweise ausreichend groß, damit, wie durch die Leitschaufelanordnung in den Fig. 4 und 5 gezeigt, jede Leitschaufel durch eine nachfolgende Leitschaufel überlappt ist, und zwar in dem Sinn, daß sich kein Radius der Vorkammer zu einem Punkt außerhalb der Leitschaufeln erstrecken könnte, ohne wenigstens eine Leitschaufel geschnitten zu haben. Dieses Merkmal hilft zu verhindern, daß Brennstofftröpfchen aus der Vorkammer über die Leitschaufelkanäle abgegeben werden.

Die Innenoberflächen der Vorkammer 30 und der Hauptkammer 18 in dem axial durch die Strecke R (Fig. 1) dargestellten Verengungsgebiet weisen vorzugsweise eine scharfe Richtungsänderung bezüglich der Achse A-A auf. Diese scharfe Richtungsänderung ist durch einen spitzen Winkel oC dargestellt, der 75 oder weniger und vorzugsweise 4 5 oder weniger und beispielsweise etwa 30 betragen kann. Es hat sich gezeigt, daß eine solche scharfe Richtungsänderung das Ausbilden einer toroidalen Rezirkulationszone 60 von brennendem Brennstoff/ Luft-Gemisch unterstützt, das sowohl um ihre Kreisachse (wie durch Pfeile 62 dargestellt) als auch um die Achse A-A der Brennkammer rotiert und radial außerhalb des Wirbelströmungsgebietes liegt, das durch Pfeile 64 angegeben ist. Die Rezirkulationszonen 56 und 60 sind während normaler und fortgesetzter Verbrennung gemeinsam vorhanden und helfen, den Verbrennungswirkungsgrad zu verbessern.

Die Zündung erfolgt am Anfang mittels einer Zündkerze 66, die irgendeinen geeigneten Aufbau haben kann. Bei Bedarf kann die Zündkerze aus der Kammer 18 zurückgezogen werden, nachdem die Zündung erfolgt ist, indem bekannte Zurückziehvorrichtungen und -verfahren angewandt werden.

Das starke Wirbeln der Verbrennungsluft, die über die LeiL-

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schaufelkanäle eingeleitet wird, wird während der fortgesetzten Verbrennung fortgesetzt.

Der Winkel 06 , der zwischen der Kegelstumpffläche 32 und der durch die Verengung 22 gehenden Ebene gebildet ist, kann, beispielsweise, von im wesentlichen O bis etwa 45 und vorzugsweise von im wesentlichen 0° bis etwa 30 reichen und zum Beispiel etwa 20 betragen, so daß der Wirbel aus Luft und Brennstoffdampf, die in der Vorkammer vorvermischt worden sind, nicht in irgendeinem nennenswerten Ausmaß darin umläuft, wodurch das Minimieren der Gefahr einer Selbstzündung darin unterstützt wird.

Die Vorkammer der Verbrennungsvorrichtung nach der Erfindung erhöht automatisch die Verweilzeit des flüssigen Brennstoffes, bis dieser in einem wesentlichen Ausmaß verdampft worden ist, bevor er in die Brennkammer austritt. Im allgemeinen können bis zu etwa 20 Gew.% des in die Brennkammer über die Verengung 22 eingelassenen Brennstoffes in Form von sehr kleinen Flüssigkeitströpfchen vorliegen, d.h. mit einem Durchmesser von 10 μΐη oder weniger, ohne daß die wirksame Ausnutzung der Erfindung beeinträchtigt wird. Im allgemeinen haben solche sehr kleinen Tröpfchen unter dem Gesichtspunkt einer geringen Bildung von Stickoxiden und einer niedrigen Flammtemperatur die Verbrennungseigenschaften von vorverdampften Brennstoff. Es hat sich bei einer Anzahl von tatsächlichen Läufen der dargestellten Vorrichtung gezeigt, daß eine kleine axiale Flammzone, deren Temperatur über der mittleren Temperatur der gesamten Flamme liegt, längs der Achse der Vorkammer auftritt. In einer bevorzugten Betriebsart steuert diese höhere Flammtemperatur die umgebende Verbrennung von hauptsächlich verdampften Brennstoff in einem mageren Brennstoff/Luft-Gemisch und führt vorteilhafterweise zu erhöhter Flammstabilität und Betriebsflexibilität des Brenners unter dem Gesichtspunkt des Bereiches des gesamten Brennstoff:Luft-Verhältnisses von Gemischen, die effektiv darin verbrannt werden können. Obwohl

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die Stickoxidbildung etwas größer ist, wenn eine solche axiale Zone mit höherer Temperatur vorhanden ist, gegenüber dem Ausmaß an Stickoxidbildung wenn diese Zone nicht vorhanden ist, wird die etwas stärkere Stickoxidbildung durch die Vorteile mehr als kompensiert. Zur besseren Berücksichtigung dieser axialen Zone mit höherer Temperatur hat die Vorkammer vorzugsweise eine offene Zylinder- oder Kegelstumpf/Zylinder-Form, d.h. sie ist frei von einem axial angeordneten Zentralkörper, wie er aus den ASME-Blättern 76-GT-12 (Roberts) und 76-GT-128 (Roberts et al), die von der American Society of Mechanical Engineers 1976 veröffentlicht worden sind, bekannt ist,und dgl.

Gemäß Fig. 6 ist die Verbrennungsvorrichtung 10 für einen Betrieb ausgelegt, bei welchem Luft- und Brennstoffmassendurchflußleistungen benutzt werden, die so eingestellt sind, daß die Geschwindigkeitskomponente des Brennstoff/Luft-Gemisches in der Vorkammer, das sich von dem Gebiet 62, welches unverdampf ten Brennstoff enthält, zu der Flanunenumhül !enden 64 erstreckt, die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit übersteigt, wodurch ein Flammenrückschlag in dieses Gebiet im wesentlichen vermieden wird.

Pfeile, die nicht besonders bezeichnet sind, veranschaulichen schematisch die verschiedenen Ströme von Luft, Brennstoff oder Brennstoff/Luft-Gemischen im bevorzugten Betrieb der Verbrennungsvorrichtung. Pfeile 65 (Fig. 2) veranschaulichen insgesamt die Strömung von Luft an sich oder von Brennstoff/ Luft-Gemischen, die darin gebildet werden, aus der Heißluftzufuhrleitung 36, über die Kanäle 35 in die Vorkammer und aus dieser hinaus über die Verengung 22. Die unterbrochenen oder gestrichelten Teile der Pfeile geben die Wirbelströmung des insgesamt homogenen Gemisches aus Luft und hauptsächlich verdampftem Brennstoff für eine kurze Zeitspanne nach dem Eintritt in die» Brennkammer an.

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Die Vorkammer kann ein Verhältnis von axialer Länge (von der Deckplatte 26 bis zur Verengung 22) zu Innendurchmesser haben, das beispielsweise von etwa 0,2:1 bis etwa 1,2:1 und vorzugsweise von etwa 0,3:1 bis etwa 1:1 reicht und beispielsweise etwa O,6:1 beträgt.

Insgesamt bevorzugt wird ein Verengungsdurchmesser "d" von 254 mm (10 Zoll) oder weniger.

Der Brennereinsatz 14 kann Durchgangslöcher (nicht gezeigt) haben, die in gegenseitigem ümfangsabstand und in gegenseitigem axialem Abstand so angeordnet sind, daß ein Teil der Verbrennungsluft, die durch die Ringkammer 36 strömt, eine Strömungsschicht von Luft an der Innenfläche des Brennereinsatzes zum Kühlen desselben bildet.

Die Konstruktionsmaterialien, die für die Herstellung der verschiedenen Teile der Vorrichtung benutzt werden können, können jede geeignete Zusammensetzung haben. Die bevorzugten Konstruktionsmaterialien für die folgenden Teile sind im Anschluß an die Bezeichnung des Teils in Klammern angegeben: Leitschaufeln 34 oder 34' (gehärteter rostfreier Stahl des Typs 416), Brennereinsatz 14, Wand 20 und kegelstumpfförmige Wand 3 2 (die Nickel enthaltende Legierung Hastelloy X), Vorkammerdeckplatte 26 (Kohlenstoffstahl), Gehäuse 12 und Stirnwand 38 (Kesselblechstahl von Druckgefäßqualität).

In einem besonderen Brenner nach der Erfindung, im wesentlichen wie in den Fig. 1-4 dargestellt, wurden sechsunddreißig Leitschaufeln 34 benutzt. Jede Leitschaufel hatte eine maximale Breite von der Vorderkante zur Hinterkante von 44,5 mm (1.75 inches) und eine Höhe von 152,4 mm (6 inches] Jede Strecke L₁ betrug 8,6 mm (0.34 inch), was eine Gesamt-

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kanaldurchflußflache von 47 354,4 mm (73.4 square inches) ergab. Der Durchmesser der Verengung 22 betrug 190,5 mm

(7.5 inches) was eine Gesamtverengungsflache von 28 516,6 mm (44.2 square inches) ergab. Der Vorkammerdurchmesser D betrug

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247,6 mm (9.75 inches) und ihre axiale Länge betrug im wesentlichen 152,4 mm (6 inches) bei einem Winkel σί von im wesentlichen 0°. Der Leitschaufelwinkel ß betrug etwa 6O⁽ . Die Brennkammer hatte einen Durchmesser von 355,6 mm (14 inches) ,war 965,2 mm (38 inches) lang und hatte einen zylindrischen Aufbau. Ihr Einsatz 14 wurde auf der Außenfläche durch Konvektion und auf der Innenfläche durch Einleiten von Luft aus der Ringkammer 36 über mehrere insgesamt rechteckige Schlitze von jeweils 15,9 mm (5/8 inch) x 0,38 mm (0,015 inch) zur Filmkühlung gekühlt. Die anzahlmäßige Dichte der

2 Schlitze betrug im mittel 60 pro 64 516 mm (100 square inches) Wandfläche, war aber stromaufwärts größer und stromabwärts kleiner. Der axiale Spalt zwischen der Lippe 50 und dem Düsenzapfen 54 betrug 3,8 mm (0.15 inch) und die kreisförmige Lippenöffnung hatte einen Umfang von 66 mm (2.60 inches). Die Basis 52 des Düsenzapfens hatte einen Abstand von etwa 6,4 mm (1/4 inch) von der Deckplatte und die Düse war zu der Brennerachse koaxial. Der Einsatzteil 20 war zu der Achse im wesentlichen rechtwinkelig. Die Zündkerze 66 befand sich 304,8 mm (12 inches) unter der Verengung.

Der Brenner wurde bei einem Druck von einer Atmosphäre (etwa 1,01 bar absoluter Druck oder etwa 14.7 psia) mit Luft mit einer Durchflußleistung von 2,10 kg/s (4.63 lb/sec) durch einen Verdichter unter einen absoluten Druck von etwa 7,6 bar (110 psia) gesetzt und durch einen indirekten Vorwärmer auf eine Temperatur von 333 ⁰C (631°F) erhitzt und dann durch eine Düsenplatte auf einen absoluten Druck von etwa 1,07 bar (15.5 psia) reduziert. Ungefähr 1,22 kg/s (2.7 lb/sec) dieser Luftströmung wurden über die Kanäle 35 in die Vorkammer eingeleitet. Flüssiger Brennstoff (Destillatöl Nr. 2) wurde über die Düse mit einer Durchflußleistung von 0,05 kg/s (0.109 lb/sec) zusammen mit einer kleinen Strömung von Zerstäubungsluft, die über sie unter einem Überdruck von etwa 0,10 bar (1.5 psig) zugeführt wurde, zugeführt. Der Sprühkegelwinkel betrug etwa 140° bis 18O°. Der Brennerdruckab-

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fall betrug etwa 0,05 bar (0.78 psi), d.h. etwa 5,3% des Produktgasdruckes (etwa 1,01 bar absolut oder 14.7 psia), wie aus dem absoluten Druck (etwa 1,07 bar oder 15.5 psia) der den Kanälen zugeführten Luft berechnet.

Die Stickoxidkonzentration in dem den Brenner verlassenden Produktgas erwies sich als im wesentlichen konstant und betrug im Mittel etwa 13 ppm, gemessen für trockene Proben. Die Kohlenmonoxxdkonzentration erwies sich als im wesentlichen konstant und betrug im mittel etwa 1000 ppm bei trockenen Proben, Das Temperaturprofil, gemessen über der planaren Ausstoßöffnung, zeig'te Temperaturen von 1232 ⁰C (2220⁰F) an der Achse und von 999 ⁰C (183O°F) an einer Stelle in 25,4 mm (one inch) Entfernung von der Brennerwand. (Diese Werte wurden mit einem abgeschirmten 1,6 mm (1/16 inch) Thermoelement gemessen und wurden für Strahlungswärmeverluste nicht korrigiert. )

Die Beobachtung zeigte, daß eine Selbstzündung und ein Flammenrückschlag zumindest im wesentlichen vermieden wurden.

In der besten Ausführungsform der Erfindung wird der Brenner zum Erzeugen von Verbrennungsproduktgas als Antriebsfluid für eine Gasturbine bei der Erzeugung von elektrischem Strom benutzt. Es wird angenommen, daß die beste Gesamtluftdurchflußleistung etwa 22,7 kg/s (50 lb/sec), die beste Flüssigbrennstoffdurchflußleistung etwa 0,5 kg/s (1.1 lb/sec) und der beste absolute Brennerdruck etwa 10,34 bar (150 psia) betragen würde.

Claims

Patentansprüche :

a) einen Brennereinsatz (14), der eine Brennkammer (18) begrenzt, die an ihrem stromaufwärtigen Ende in einer Einlaßverengung (22) und stromabwärts der Verengung in einem Auslaß zum Ausstoßen von Verbrennungsgasen endigt,

b) eine Wirbelvorkammeranordnung (24) mit

i) einer Wirbelvorkammer (30), die so ausgebildet ist, daß in ihr flüssiger Brennstoff verdampft werden kann, und die auf wenigstens einem Teil ihrer axialen Länge zylindrisch ist, an ihrem stroitiabwärtigen Ende in der Verengung endigt und über die Verengung in die Brennkammer mündet;

ii)mehreren konvergierenden, gegenseitigen Abstand aufweisenden, stark abgewinkelten Leitschaufeln (34), die am Umfang des zylindrischen Teils der Vorkammer angeordnet sind, wobei einander gegenüberliegende Flächen von jeweils zwei benachbarten Leitschaufeln nach innen konver-

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gierende Luftströmungskanäle (35) begrenzen, über die Luft mit einer hohen tangentialen Geschwindigkeitskomponente in die Vorkammer eingeleitet werden kann;

c) eine Vorrichtung (28) in Strömungsverbindung mit dem stromaufwärtigen Ende der Vorkammer zum Einleiten von flüssigem Brennstoff mit einem Sprühprofil in Form eines im wesentlichen hohlen, zu der Vorkammer koaxialen Kegels, dessen Spitzenwinkel ausreichend groß ist, so daß der eingeleitete Brennstoff zu einem stromaufwärtigen Teil jeder Leitschaufel und nicht zu der Verengungsöffnung geleitet wird, und

d) eine Zündvorrichtung (66) in der Brennkammer zum Zünden des in vorgemischter Form aus der Vorkammer empfangenen Brennstoffdampfes.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelvorkammer (30) einen stromabwärtigen, kegelstumpfförmigen Teil (32) angrenzend an die Verengung (22) und einen insgesamt zylindrischen Teil, der stromaufwärts des kegelstumpf förmigen Teils angeordnet ist, hat.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenoberflächen der Vorkammer (30) und der Brennkammer (18) in dem Gebiet der Verengung (22) eine scharfe Richtungsänderung aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (34) an der äußeren Umhüllenden, die die Vorderkanten der Leitschaufeln enthält, frei von Luftströmungskanäle begrenzenden Teilen sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paar benachbarter Leitschaufeln (34) einen "Leitschaufelwinkel" von etwa 60° bis 90° bildet.

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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Leitschaufeln (34) pro 25 ram ( 1 Zoll.) Durchmesser der Vorkammer (30) wenigstens gleich 2 ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der "gesamten Kanaldurchflußfläche" zu der zylindrischen Fläche der Vorkammer von etwa 0,05:1 bis etwa 0,5:1 reicht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennze

beträgt.

gekennzeichnet, daß der Kegelspitzenwinkel wenigstens 120°
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelspitzenwinkel in dem Bereich von 140° bis 180° liegt.
10. Verfahren zum Erzeugen von Verbrennungsprodukten aus flüssigem Brennstoff zum Betreiben einer Gasturbine, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Erhitzen und unter Druck setzen von Luft;

b) Strömenlassen der sich aus dem Schritt a) ergebenden Luft über Wirbel hervorrufende Teile in eine Vorkammer, so daß der Luft ein wesentlicher Wirbel sowohl während des Beginns der Verbrennung als auch während des kontinuierlichen Betriebes gegeben wird,

c) Zuführen von flüssigem Brennstoff in einem Sprühmuster in Form eines im wesentlichen hohlen, zu der Vorkammer koaxialen Kegels, der einen Spitzenwinkel hat, welcher ausreichend groß ist, so daß der eingeleitete Brennstoff zu den Wirbel hervorrufenden Teilen geleitet wird,

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d) Vermischen des flüssigen Brennstoffes und der Luft und Verdampfen eines Teils des flüssigen Brennstoffes in der Vorkammer, wobei Tröpfchen flüssigen Brennstoffes/ deren Größe eine vorbestimmte Größe übersteigt, auf die Wirbel hervorrufende! Teile auftreffen, Zurückleiten des niedergeschlagenen flüssigen Brennstoffes in das wirbelnde Gemisch, um eine zusätzliche Verdampfung des zurückgeleiteten flüssigen Brennstoffes zu bewirken,

e) inniges Vermischen des verdampften Brennstoffes mit der wirbelnden Luft,

f) Abgeben des innig vermischten Brennstoffgemisches, das weniger als eine vorbestimmte Menge an flüssigem Brennstoff enthält, über eine Verengung an eine Brennkammer,

g) Verbrennen des Brennstoffes in der Brennkammer und Steuern der relativen Anteile von zugeführtem Brennstoff und eingeströmter Luft derart, daß ein konstant mageres Gesamtverhältnis von Brennstoff zu Luft während des gesamten Betriebes aufrechterhalten wird, und

h) gleichzeitiges Steuern des Wirbels der Luft, die in die Vorkammer eintritt, derart, daß die Verdampfung und im wesentlichen homogene Vermischung des Brennstoffdampfes mit der Luft sowie eine ausreichend kurze Zeit ab der Bildung des Brennstoffdampfes bis zum Abgeben des Gemisches mit Luft an die Brennkammer sichergestellt sind, damit eine Selbstzündung des Brennstoffes in der Vorkammer im wesentlichen verhindert und die Bildung von Stickoxiden während der Verbrennung wesentlich verringert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Brennstoff der Vorkammer in zerstäubtem Zustand zugeführt wird.

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12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzpichnet, daß der Brennstoff an einer Stelle in die Vorkammer eingeleitet wird, die im wesentlichen koaxial zu dieser und koplanar zu einem stromaufwärtigen Endgebiet der Wirbel erzeugenden Teile ist, wobei sich stromaufwärts auf eine Stelle auf der Achse bezieht, die sich axial stromabwä3~ts von der Stelle der Brennstoffeinleitung erstreckt, und wobei der Kegel
rüber hat.

der Kegel einen Scheitelwinkel von wenigstens 120" oder da-

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