DE3043698A1

DE3043698A1 - Doppelbrennstoffsystem fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE3043698A1
Application number: DE19803043698
Authority: DE
Inventors: Denis Richard Derby Ohio Carlisle; Alan Cininnati Ohio Walker
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1979-11-24
Filing date: 1980-11-19
Publication date: 1981-06-11
Also published as: GB2064006A; FR2470249A1; GB2064006B; JPS5696121A

Description

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Patentanwälte Dip: -Ing. C u rt Wal lach

. Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 3-9. November I98O

Unser Zeichen: IJ O4j5 - K/A ρ

Anmelder: Rolls-Royce Limited

Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Titel: Doppelbrennstoffsystem für

Gas tür binentr iebwerke

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Die Erfindung bezieht sich auf BrennstoffZuführungssysteme für Gasturbinentriebwerke und insbesondere für solche Gasturbinentriebwerke, die sowohl mit flüssigem als auch mit gasförmigen Brennstoffen betrieben werden können. Um den Forderungen bezüglich Emission gerecht werden zu können, die die "United States Environmental Protection Agency (EPA)" festgesetzt hat, sind in der Gasturbinenindustrie beträchtliche Anstrengungen unternommen worden, um u.a. die Emissionen von Stickoxiden zu vermindern, die gewöhnlich mit NO gekenn-

zeichnet werden. Die Erfindung befaßt sich in erster Linie mit der Verminderung der NO Emissionen bei Triebwerken, die mit flüssigen Brennstoffen, beispielsweise Kerosin und Dieselöl betrieben werden, und die außerdem mit gasförmigen Brennstoffen, z.B. gasförmigem Propan und Methan gespeist werden können. Ein bekanntes Verfahren zur Verminderung des NO -Gehaltes besteht darin, in der Primärzone der Triebwerksbrennkammer ein reiches Brennstoff-Luftgemisch zu verbrennen, d.h. ein Gemisch mit einem Äquivalenzverhältnis von nicht weniger als 1,3) wobei noch die gesamte Verbrennungsluft unmittelbar stromab der Primärzone eingeleitet und so schnell als möglich mit den Verbrennungsgasen vermischt wird. Dieses Verfahren ist unter der Bezeichnung "Verfahren mit einem reichen Brennstoff gemisch und rapider Abschreckung" bekannt. Versuche haben gezeigt, daß der NO -Gehalt bei gasförmigen Brennstoffen wie

Propan und Methan wenigstens so weit vermindert werden kann, daß die EPA-Erfordernisse erfüllt werden.

Bei Verwendung flüssiger Brennstoffe hat sich das Verfahren mit reichem Brennstoffgemisch und schneller Abschreckung der Verbrennungsgase nicht als vorteilhaft erwiesen, auch nicht im Hinblick auf die Verbrennung und Erzeugung von NO -Produkten,

wobei nur geringe Unterschiede zwischen flüssigem Dieselbrennstoffen und gasförmigem Propanbrennstoff bestehen.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um den flüssigen Brennstoff bei einem Gasturbinentriebwerk mit einem Doppel-Brennstoffzuführungssystem so aufzubereiten, daß die durch Verbrennung flüssiger Brennstoffe erzeugte NO Emission vergleichbar wird mit den NO Emissionen, die bei der Verbrennung

gasförmiger Brennstoffe entstehen.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in einem Gasturbinentriebwerk, bei der die Brennstoffzuführungsvorrichtung Mittel aufweist, um gasförmigen Brennstoff oder eine Mischung von flüssigem und gasförmigem Brennstoff zuzuführen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß der Brennstoff der Triebwerksverbrennungseinrichtung zugeführt wird, die nur Brenner für gasförmigen Brennstoff aufweist, wobei der flüssige Brennstoff vorher außerhalb der Verbrennungseinrichtung des Triebwerks verdampft wird und die Wärme für die Verdampfung durch Verbrennung eines Anteils des flüssigen Brennstoffs geliefert wird, und wobei der verdampfte flüssige Brennstoff dann der Triebwerksverbrennungseinrichtung zugeführt wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Doppel-Brennstoffzuführungssystem für ein Gasturbinentriebwerk vorgesehen, welches Fördermittel für flüssigen Brennstoff und gasförmigen Brennstoff enthält. Gemäß der Erfindung weist die Zuführungsvorrichtung für gasförmigen Brennstoff Brenner für den gasförmigen Brennstoff in der Triebwerksverbrennungseinrichtung auf, während die Zuführungsvorrichtung für den flüssigen Brennstoff eine Verdampfungs-Verbrennungskammer besitzt, die außerhalb der Triebwerks-Verbrennungseinrichtung angeordnet und mit der Zuführungsvorrichtung für den gasförmigen Brennstoff verbunden ist. Die Verdampfungs-Verbrennungseinrichtung ist so

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ausgebildet, daß ein Anteil von Luft zugeführt wird, die vom Triebwerkskompressor geliefert wird und es ist ein Brennstoffbrenner vorgesehen, der einen Teil des flüssigen Brennstoffs empfängt, während der Rest des flüssigen Brennstoffs in die Verdampfungs-Verbrennungsvorrichtung eingespritzt wird und dann im verdampften Zustand der Zuführungsvorrichtung für den gasförmigen Brennstoff zugeführt wird.

Die Zuführungsvorrichtung für den gasförmigen Brennstoff kann einen Kanal für den gasförmigen Brennstoff und eine Ringleitung umfassen, wobei die Gasbrennstoffbrenner in der Brennkammer oder den Brennkammern des Triebwerks angeordnet sind.

Die Flüssigbrennstoff-Verdampfungsvorrichtung kann eine Brennkammer mit einem Brenner für flüssigen Brennstoff umfassen, die eine Hilfsdüse und Hauptbrennstoffdüsen aufweist, die einen Anteil der flüssigen Brennstoffströmung verarbeiten, während der Rest des flüssigen Brennstoffs in die Verdampfungs-Brennkammer stromab des Flüssigbrennstoffbrenners eingespritzt wird.

Die Verdampfungsbrennkammer kann komprimierte Luft vom Triebwerk über eine Abzapfung des Triebwerkskompressors empfangen, die noch durch einen Hilfskompressor verdichtet ist, um den Druck auf der Förderseite des Triebwerkskompressors zu erhöhen. Sowohl der flüssige als auch der gasförmige Brennstoff kann anfänglich ein gemeinsames Brennstoff-Proportionierungsventil durchlaufen, das die Strömung eines jeden Brennstoffs in Abhängigkeit davon steuert, ob es sich um flüssigen Brennstoff, gasförmigen Brennstoff oder eine Mischung von gasförmigem und flüssigem Brennstoff handelt. Aus dem Brennstoff-Proportionierungsventil strömt der gasförmige Brennstoff direkt nach den Gasbrennstoffbrennern, während der flüssige Brennstoff nach den Gasbrennstoffbrennern über die Flüssigbrennstoff-Verdampfungs-

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Verbrennungseinrichtung strömt.

Stromauf der Verdampfungsbrennkammer kann zweckmäßigerweise eine Luft-Steuervorrichtung vorgesehen sein, um die Luftströmung nach der Verdampfungsbrennkammer gemäß der Temperatur des verdampften flüssigen Brennstoffs, der die Verdampfungsbrennkanimer verläßt, zu steuern.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß stromab der Verdampfungsbrennkammer das Brennstoffzuführungssystem für beide Brennstoffe, d.h. für den flüssigen Brennstoff und den gasförmigen Brennstoff gleich ist, so daß keine Notwendigkeit besteht, getrennte Brennstoffleitungen, Ringleitungen und speziell gestaltete Doppel-Brennstoffbrenner vorzusehen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Pig. 1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einem Doppel-Brennstoffzuführungssystem gemäß der Erfindung;

Pig. 2 eine Schnittansicht der Verdampfungsbrennkammer für den flüssigen Brennstoff;

Fig. 3 eine Schnittansicht des Brenners für den flüssigen Brennstoff, der in der Brennkammer gemäß Fig. 2 Anwendung findet;

Fig. 4 einen Schnitt einer der Brennkammern des Gasturbinentriebwerks nach Fig. 1.

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Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß Fig. 1 weist einen Kompressor 12 auf, der von einer Turbine 14 über eine Welle 16 angetrieben wird. Die Verbrennungseinrichtung 18 weist mehrere Brennkammern 20 innerhalb eines ringförmigen Gehäuses 22 auf, und jede Brennkammer besitzt einen Brennstoffbrenner 24, der komprimierte Luft vom Kompressor 12 und Brennstoff von einem BrennstoffZuführungssystem 26 empfängt. Die Verbrennung sprodukte strömen aus den Brennkammern aus und treiben die Turbine 14 an.

Das Brennstoffzufuhrungssystem 2β umfaßt ein Ventil 28, welches den gasförmigen und den flüssigen Brennstoff proportioniert und mit dem gasförmigen und dem flüssigen Brennstoff aus den jeweiligen nicht dargestellten Speichern versorgt wird. Der gasförmige Brennstoff strömt dann über einen Gaskanal 30 und eine Gasringleitung 32 durch das ringförmige Gehäuse 22 und dann nach den Brennern 24, die von herkömmlicher Gasbrenner-Bauart sind, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

Vom Ventil 28 strömt der flüssige Brennstoff nach einem Zumeßventil 34 für den flüssigen Brennstoff, welches den flüssigen Brennstoff in zwei Anteile aufteilt, und zwar einen relativ kleinen Anteil, der nach einem Brenner 36 der Verdampfungsbrennkammer 36 für den flüssigen Brennstoff strömt, während der restliche Brennstoff nach der Brennkammer 38 stromab des Brenners 36 fließt. Die Brennstoffströmung nach dem Brenner 36 wird durch ein Ventil 40 gesteuert, welches ein Brennstoff-Abschaltventil und ein Druckventil enthält, die beide nicht dargestellt sind. Das Ventil 40 besitzt zwei Auslässe 42 und 44. Der Auslaß 42 für den Hilfsbrennstoff nach dem Brenner 40 und der Auslaß 44 für den Hauptbrennstoff sind im einzelnen im Fig. 3 dargestellt. Das Druckventil öffnet wenn der Brennstoff unter einem solchen Druck steht, daß die

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Hauptbrennstoffzuführung erfolgen kann.

Die Luftzufuhr nach der Brennkammer 38 umfaßt eine Anzapfung vom Triebwerkskompressor 12 und von einem Hilfskompressor 36, der von einer äußeren Quelle oder vom Triebwerk 10 angetrieben wird, kann in die Luftzufuhr eingeschaltet werden, um den richtigen Luftdruck am Einlaß der Brennkammer 38 zu gewährleisten.

Die Massenströmung der Luftzufuhr kann durch ein Ventil 48 eingestellt werden, das durch eine Luftventil-Steuervorrichtung 50 gesteuert wird, wobei die Arbeitsweise des Ventils von der Temperatur der Gase stromab der Brennkammer abhängt, die von einem Temperaturfühler 53 festgestellt wird. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, dann bewirkt die Steuervorrichtung 50 ein Öffnen des Ventils 46 und eine Vergrößerung der Luftzufuhr nach der Brennkammer,und umgekehrt erfolgt die Einstellung entsprechend wenn die Temperatur zu hoch ist.

Im folgenden wird auf Figur 2 der Zeichnung Bezug genommen. Die Verdampfungsbrennkammer 38 für den flüssigen Brennstoff besitzt einen Brennstoffbrenner 36, der an seinem stromaufwärtigen Ende in einem Ring von Wirbelschaufeln 54 angeordnet ist, die in einem Kanal 56 mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet sind. Vom Kompressor 12 strömt Luft in die Brennkammer 38 über den Kanal 36 und über Einlasse 58 in der Brennkammerwand und über einen Ringraum 60 und nicht dargestellte öffnungen im äußeren Gehäuse 62.

Wie erwähnt strömt ein kleiner Anteil des flüssigen Brennstoffs durch die Brenner 36 in Form von Hilfsbrennstoff und Hauptbrennstoff, während der Rest des flüssigen Brennstoffs in die Kammer stromab des Brenners eingespritzt wird. Der

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flüssige Brennstoff strömt in eine Ringleitung 64 und tritt in die Kammer über mehrere Einspritzlöcher 66 ein.

Fig. 3 zeigt im einzelnen die Konstruktion des Brenners 36 für den flüssigen Brennstoff. Der Hilfsbrennstoff strömt aus der Leitung 42 nach der Hilfsbrennstofföffnung 68 über eine Leitung 70, einen Filter 72, eine Ringleitung 74 und Auslässe 76, während der Hauptbrennstoff aus dem Kanal 44 einer Hauptringdüse 78 über einen Kanal 80, eine Ringleitung 82, Bohrungen 84 und eine zweite Ringleitung 86 und Auslässe 88 zugeführt wird. Eine Abschirmung 90 umgibt das Ende des Brenners, um eine Luftströmung durch Öffnungen 92 über die Hauptdüse zu führen und um die Absetzung von Kohlenstoff zu verhindern.

Fig. 4 zeigt eine der Brennkammern 20 im einzelnen. Die Brennkammer 20 ist von der Bauart "mit reicher Verbrennung und schneller Löschung", weil diese Bauart sich im Hinblick auf eine Verminderung von Emissionen von NO bei der Verbrennung gasförmiger Brennstoffe als wirksam erwiesen hat. Der Brenner 24 am stromaufwärtigen Ende der Kammer ist von der herkömmlichen Bauart. Derartige Brenner sind bekannt als "Pfeffertopf" -Brenner, d.h. es sind Düsen 24a in dem sonst geschlossenen Ende des Brenners angeordnet. Die Primärluft, tritt durch einen Ring von Wirbelschaufeln 94 ein und die Sekundärluft tritt über mehrere Sekundäröffnungen 96 ein, um die Verbrennung zu vollenden. Die Verbrennungsgase werden fast augenblicklich durch die Luft gelöscht bzw. abgeschreckt, die durch die Schnallabschrecköffnungen 98 hindurchtritt, welche relativ dicht an den Öffnungen 96 angeordnet sind. Das Brennstoff-Luftgemisch in der Primärzone ist ein an Brennstoff reiches Gemisch und besitzt ein A'quivalenzverhältnis von nicht weniger als 1,3 und es hat sich gezeigt, daß durch schnelle Abschreckung der Brenngase fast unmittelbar stromab der Primärzone die

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Emission von NO bis zu 5Q£ für den jeweiligen Typ von Gasturbinentriebwerken vermindert, wenn gasförmige Brennstoffe wie Propan und Methan verbrannt werden.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Pig. I die Arbeitsweise des BrennstoffZuführungssystems 26 beschrieben:

Wenn das Triebwerk IC nur mit gasförmigem Brennstoff betrieben wird, dann läßt das Zumeßventil 28 den gasförmigen Brennstoff nur über den Kanal 30 nach den Brennern 24 in den Brennkammern 20 abfließen.

Wenn das Triebwerk mit flüssigem Brennstoff betrieben wird, dann sperrt das Zumeßventil 28 die Strömung des gasförmigen Brennstoffs nach dem Kanal 30 ab und läßt den flüssigen Brennstoff nach dem Ventil 34 fließen. Etwa ~% des gesamten flüssigen Brennstoffs strömt nach dem Brenner 3>6, während der Rest in die Verdampfungsbrennkammer 38 über die Löcher 66 eingespritzt wird. Etwa 1% der Kompressordruckluft wird vom Kompressorauslaß abgezapft und dem Zusatzkompressor 46 zugeführt, der in diesem Fall ein Verdichtungsverhältnis von 1,1 besitzt und von dort gelangt die Druckluft nach der Kammer 38. Die Wärme, die durch die Verbrennung von drei Prozent flüssigem Brennstoff freigesetzt wird, reicht aus um den restlichen flüssigen Brennstoff zu verdampfen und der verdampfte Brennstoff gelangt nach dem Kanal 30 und dann nach den Brennern 24. Auf diese Weise tritt der flüssige Brennstoff in die Brennkammern 20 der Bauart mit "reicher Verbrennung und schneller Ablöschung" hinsichtlich der Wirksamkeit wie ein gasförmiger Brennstoff ein, woraus sich die gleichen Vorteile ergeben wie bei Brennstoff der von Anfang an gasförmig ist, d.h. es werden die Emissionen von NO vermindert. Das Verbrennungssystem gemäß der Erfindung hat außerdem den Vorteil, daß

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flüssiger und gasförmiger Brennstoff verarbeitet werden kann, und es sind einfache Brennstoffbrenner vorhanden im Gegensatz zu den bekannten Doppelbrennstoffbrennern, die äußerst kompliziert aufgebaut waren.

Da sich das Brennstoff-Luftverhältnis des Triebwerks 10 über den Arbeitsbereich und in den Übergangsbedingungen ändert ist es notwendig, die Luftströmung nach der Verdampferbrennkammer so zu steuern, daß die Temperatur der Strömung aus der Kammer 38 in bestimmter Weise eingestellt wird. Der Temperaturfühler 52 liegt an einer Stelle, die weit stromab der Kammer 38 liegt, d.h. an einer Stelle, wo die Reaktion und die Mischung im wesentlichen vollendet ist.

Das Triebwerk 10 kann mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff allein oder mit einer Mischung dieser Brennstoffe betrieben werden. Aus praktischen Gründen werden, wenn der Anteil des flüssigen Brennstoffs unter 25$ abfällt, der Hilfskompressor 46 und das Ventil 48 geschlossen, und das Ventil 28 läßt nur gasförmigen Brennstoff fließen.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einer ringförmigen Brennkammeranordnung mit kreisförmigen Flammrohren beschrieben. Sie kann jedoch auch bei anderen Gasturbinentriebwerken Anwendung finden, z.B. bei einfachen ringförmigen Brennkammern.

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Claims

Patentansprüche

Doppelbrennstoffsystem für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Zuführungsvorrichtung für flüssigen Brennstoff und einer Zuführungsvorrichtung für gasförmigen Brennstoff,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsvorrichtung für gasförmigen Brennstoff Brenner für gasförmigen Brennstoff innerhalb der Triebwerksbrennkammer aufweist, daß die Zuführungsvorrichtung für flüssigen Brennstoff eine Verdampferbrennkammer außerhalb der Brennkammer des Triebwerks aufweist, die mit der Zuführungsvorrichtung mit gasförmigem Brennstoff in Verbindung steht, daß die Verdampferbrennkammer einen Anteil der komprimierten Luft empfängt, die vom Kompressor des Gasturbinentriebwerks geliefert wird, und daß die Brennstoffbrenner einen Anteil des flüssigen Brennstoffs empfangen, während der Rest des flüssigen Brennstoffs in die Verdampferbrennkammer eingespritzt wird.
2. Brennstoffsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfervorrichtung für den flüssigen Brennstoff eine Brennkammer aufweist, die einen Brenner für Flüssigbrennstoff besitzt, dem ein Anteil des flüssigen Brennstoffs zugeführt wird, während der Rest des flüssigen Brennstoffs in die Verdampferbrennkammer stromab des Brenners eingespritzt wird.

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3. Brennstoffsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampferbrennkammer einen Anteil komprimierter Luft aus dem Kompressor des Gasturbinentriebwerks empfängt.
4. Brennstoffsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil komprimierter Luft durch einen Hilfskompressor stromauf der Verdampferbrennkammer hindurchtritt.
5. Brennstoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennstoffzumeßvorrichtung die Zufuhr von flüssigem und gasförmigem Brennstoff nach der Verdampfungsbrennkammer bzw. den Brennern für den gasförmigen Brennstoff steuert.
6. Brennstoffsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennze ichnet, daß ein Zumeßventil für flüssigen Brennstoff stromab des Brennstoff-Zumeßventils und stromauf der Verdampferbrennkammer angeordnet ist.
7. Brennstoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Luftsteuervorrichtung vorgesehen ist, die ein Ventil aufweist um den Anteil der vom Triebwerk gelieferten Kompressorluft zu steuern, der nach der Verdampferbrennkammer gefördert wird, daß Steuermittel

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das Ventil einstellen und daß ein Temperaturfühler stromab der Verdampferbrennkammer angeordnet ist, wobei die Punktion der Steuervorrichtung von der Temperatur abhängig ist, die vom Temperaturfühler festgestellt wird.
8. Brennstoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsvorrichtung des Triebwerks so ausgebildet ist, daß der Brennstoff in der Primärzone mit einem äquivalenten Verhältnis von nicht weniger als 1,3 verbrannt wird, und daß die Verdünnungsluft in die Verbrennungseinrichtung unmittelbar stromab der Primärzone eintritt.
9. Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in

einem Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem eine Brennstoffzufuhr für flüssigen und gasförmigen Brennstoff sowie eine Mischung hiervon vorgesehen ist, dadurch gekennze lehnet, daß der Brennstoff der Verbrennungseinrichtung des Triebwerks zugeführt wird, das nur Brenner für gasförmigen Brennstoff aufweist, und daß der flüssige Brennstoff außerhalb der Triebwerksverbrennungseinrichtung verdampft wird, wobei die Wärme, die für die Verdampfung erforderlich ist, durch Verbrennung eines Anteils des flüssigen Brennstoffs gewonnen wird, und daß der verdampfte Brennstoff dann der Verbrennungseinrichtung des Triebwerks zugeführt wird.

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