DE3432971A1 - Verfahren zum liefern von kraftstoff fuer einen gasturbinen-combustor - Google Patents

Verfahren zum liefern von kraftstoff fuer einen gasturbinen-combustor

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Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Liefern von Kraftstoff in einen mit Zweistufenverbrennung arbeitenden Gasturbinen-Combustor oder Zweistufenvergasungsbrenner der Bauart für geringen Gehalt an Stickoxiden oder NO zur Erzielung eines hervorragenden Verbrennungsverhaltens.
Da in einem Gasturbinen-ißombustor der Verbrennungsdruck und die Einlaßlufttemperatür hoch sind, wird in ihm im allgemeinen mehr NO als in Kesseln und Heizöfen erzeugt. Folglich ist die Verringerung des NO ein wichtiges Problem, das so schnell wie möglich gelöst werden sollte.
Das während des VerbrennungsVorgangs gebildete NO wird durch
Ji
die Verbrennungsgastemperatur, den Sauerstoffpartialdruck und die Verweilzeit des Gases beeinflußt. Hiervon ist jedoch der Einfluß der Verbrennungsgastemperatur am größten. Für die Verringerung des NO ist daher am wirksamsten, die Verbrennung bei niedriger Temperatur auszuführen. Es wurde ein sogenanntes Magerverbrennungsverfahren als Verfahren zur Verringerung des NO im Gasturbinen-Combustor entwickelt. Hierbei wird in den Combustor Luft in einer die stöchiometrische Menge übersteigenden Menge geliefert und bewirkt eine Niedertemperaturverbrennung. Da jedoch der Gasturbinen-Combustor vom Start bis zur Nennlast einen extrem breiten Betriebsbereich hat, wird der Grad der mageren Verbrennung bei Teillast weiter erhöht, wenn die Verringerung des NO bei einer ausreichend mageren Verbrennung zur Zeit der Nennlast erfolgt. Dies ergibt Probleme, wie ungenügende Verbrennung, Zunahme der unverbrannten Bestandteile, ungenügende Zündung im Zündzeitpunkt usw. Aus diesem Grund ist der Grad der mageren Verbrennung stark eingeschränkt. Im Fall einer
Hochtemperatur-Hochdruckverbrennung .. erf olgt wegen sehr hohen Verbrennungsgeschwindigkeit und bei Anwendung der sogenannten Diffusionsverbrennung nach dem Stand der Technik, die zur Verbrennung Kraftstoff und Luft getrennt in den Combustor liefert, der Hauptteil der Verbrennung bei einem stöchiometrischen Gemisch oder einem kraftstoffreichen Gemisch selbst dann, wenn das Gesamtlieferverhältnis von Kraftstoff zu Luft abseits vom stöchiometrischen Wert liegt, so daß sich heiße Stellen entwickeln und NO nicht stark verringert werden
Ji
Zur Lösung dieser technischen Probleme wurden verschiedene Verbrennungssysteme und Combustorkonstruktionen untersucht. Zur Lösung des obigen Problems wurde ein sogenanntes Zweistuf enverbrennungssystem untersucht, das gesondert Kraftstoff zur stromauf gelegenen Seite und zur stromab gelegenen Seite des Combustors liefert. Da die heiße Stelle durch Beseitigen der örtlichen kraftstoffreichen Zone beseitigt werden kann, wurde zur Lösung des letzteren Problems eine Vormischverbrennung untersucht. Dies bedeutet, daß die Vormischverbrennung eine wesentliche Bedingung ist, um das NO im Gasturbinen-Combustor stark zu verringern. In diesem Fall ist eine zwei- oder mehrstufige Verbrennung erforderlich, um auf dem gesamten Betriebsbereich der Gasturbine ein hervorragendes Verbrennungsverhalten zu erzielen.
Ein typisches Beispiel für solche herkömmlichen Gasturbinen-C ombustoren für niedrigen NO -Gehalt hat die folgende Kon-
Ji
struktion. Der Querschnitt des combustors ist so verengt, daß Verbrennungszonen für erste und zweite Stufen gebildet werden, denen der Kraftstoff gesondert zugeführt wird. Ferner wird die Kraftstoffzufuhr zur ersten Stufe einmal zwischendurch unterbrochen, und wird Kraftstoff erneut zugeführt, um die Verbrennungszone der ersten Stufe mit der Funktion einer Vormischverbrennung zu versehen. Diese Technik ist zum Beispiel in der japanischen Offenlegungsschrift No. 112933/ 1980 angegeben.
Ein weiteres Verfahren nach dem Stand der Technik bewirkt eine stabile Diffusionsverbren rung an der ersten Stufe und bildet an der zweiten Stufe ein mageres Kraftstoff-Luft-Vorgemisch des Rohrtyps.
Diese bisherigen Verfahren können das NO bei hoher Belastung
Jr)*
stark verringern und das Zünd- und Niedriglastverhalten in gewissem Ausmaß verbessern. Das Hauptproblem dieser bisherigen Verfahren besteht jedoch darin/ daß die Brennbarkeit verschlechtert wird, wenn der Kraftstoff an der zweiten Stufe zugeführt wird. Genauer ausgedrückt, zu Beginn der Kraftstofflieferperiode für die zweite Stufe nimmt das Ausströmen unverbrannter Komponenten stark zu, ist die Verbrennungsflamme der zweiten Stufe so instabil r daß eine Schwingungsverbrennung und ein gelegentliches Ausblasen der Flamme erzeugt werden, und ?:stört die Flamme der zweiten Stufe diejenige der ersten Stufe, wodurch der Combustor insgesamt zum Schwingen gebracht wird. Diese Probleme treten auf, weil das Kraftstoff-Luft-Gemischverhältnis der Verbrennung der zweiten Stufe zu Beginn der Kraftstofflieferung für die zweite Stufe so niedrig ist, daß eine ausreichend stabile Verbrennung nicht aufrechterhalten werden kann. Die Verbrennung der zweiten Stufe schreitet nicht kontinuierlich fort, und es entwickeln sich das Ausströmen der unverbrannten Bestandteile und auch eins Schwingungsverbrennung.
Diese Probleme können im Prinzip durch irgendeines der folgenden Verfahren gelöst werden.
(1) Der Auslegungswert des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses der zweiten Stufe wird groß gemacht.
(2) Es wird für die Verbrennung in der zweiten Stufe eine unterschiedliche Kraftstoffkonzentration erzeugt.
(3) Die Strömungsrichtung des brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs wird so eingestellt, daß eine Berührung und eine
Mischung mit dem Hochtemperaturgas der Verbrennungsflamme der ersten Stufe stattfindet.
Diese Verfahren erhöhen jedoch merklich den NO -Gehalt der Verbrennungsflamme der zweiten Stufe und verringern den Vorteil der Zweistufenverbrennung. Mit anderen Worten, ein Hauptproblem derartiger zweistufiger Combustoren für niedrigen NO -Gehalt besteht in der Lösung des Problems der Verschlechterung des Verbrennungsverhaltens, wenn der Kraftstoff an der zweiten Stufe geliefert wird.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Lieferung von Kraftstoff za einem Gasturbinen-Combustor, das den NO -Gehalt verringern kann, ohne andere Verbrennungsverhaltensweisen zu beeinträchtigen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Verfahren nach der Erfindung zur Lieferung von Kraftstoff zu einem Gasturbinen-Combustor zeichnet sich somit dadurch aus, daß der Gasturbinen-Combustor betrieben wird durch Verbrennen des Kraftstoffs der ersten Stufe und der Luft in einem Bereich vom Start der Gasturbine bis zu ihrem Niedrigleistungsbereich, und betrieben wird durch Verbrennen der Kraftstoffe der ersten und der zweiten Stufe im Hochleistungsbereich der Gasturbine einschließlich deren Höchstleistung, wobei eine gegebene Kraftstoffmenge der zweiten Stufe stufenweise zugeführt wird, während gleichzeitig dieselbe Kraftstoffmenge, die der ersten Stufe zugeführt werden soll, stufenweise verringert wird.
Die der zweiten Stufe zugeführte Kraftstoffliefermenge ist größer als die Menge, die für die sofortige Zündung des
Kraftstoffs der zweiten Stufe erforderlich ist, wobei ihr Gewichtsverhältnis zur Luftmenge der zweiten Stufe vorzugsweise größer als 0,01 ist. Diese Anordnung kann eine vollständige Verbrennung bewirken, wenn der Kraftstoff an der zweiten Stufe zugeführt wird und kann auch die Stabilität der zweiten Stufe und auch die Stabilität der Verbrennung der zweiten Stufe verbessern.
Die Einstellung der Leistung im Hochleistungsbetriebsbereich der Gasturbine erfolgt vorzugsweise durch Erhöhen oder Verringern der Menge des Kraftstoffs für die erste Stufe. Diese Anordnung kann das Auftreten von unverbrannten Bestandteilen im Hochleistungsbetriebsbereich einschränken.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt eines typischen Combustors mit zweistufiger Verbrennung· für niedrigen NO -Gehalt;
Fig. 2 einen Schnitt eines weiteren .ombustors mit zweistufiger Verbrennung für niedrigen NO -Gehalt;
Fig. 3 ein Diagramm, das ein herkömmliches Verfahren zur Lieferung des Kraftstoffs schematisch zeigt;
Fig. 4 ein Diagramm, das die NO -Konzentrationscharakteri-
stiken des Standes der Technik zeigt;
Fig. 5 ein Diagramm, das die CO-Konzentrationscharakteristiken des Standes der Technik zeigt;
Fig. 6 ein Diagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zur Lieferung von Kraftstoff gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 7 ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel des Verfahrens zur Lieferung von Kraftstoff gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 8 ein Diagramm, das die NO -Konzentrationscharakteristiken der Erfindung zeigt;
Fig. 9 ein Diagramm, das die CO-Konzentrationscharakteristi-λ ken der Erfindung zeigt;
Fig.10 ein Diagramm, das das Verfahren zur Lieferung von Kraftstoff im Hochleistungsbetriebsbereich der Gasturbine zeigt.
Fig. 1 zeigt den Aufbau eines zweistufigen Combustors für niedrigen NO -Gehalt, der die Vorteile des Kraftstoffliefer-Verfahrens nach der Erfindung wirksam zeigt. Bei diesem Combustor ist eine Unterkammer 2, deren Querschnittsfläche kleiner als diejenige einer Combustorbuch.se 1 ist, stromauf der Combustorbuchse 1 angeordnet. Ein zylindrischer Kegel 3, dessen Querschnittsfläche in Richtung stromab allmählich abnimmt, befindet sich innerhalb der Unterkammer 2 konzentrisch zu dieser. Eine Kraftstofflieferleitung 4 für die erste Stufe und eine Kraftstoffdüse 5 befinden sich innerhalb des Kegels 3 und bilden hierdurch eine Verbrennungskammer für die erste Stufe. Eine Wirbeleinrichtung 6 zur Lieferung der Verbrennungsluft für die zweite Stufe als Wirbelströmung ist um den Außenumfang des kegelförmigen Teils am hinteren Ende der Unterkammer 2 angeordnet. Kraftstoffdüsen 7 für die zweite Stufe sind zwischen den Wir beischaufeln der Wirbeleinrichtung und Kraftstoffverteilern 8 angeordnet, wodurch die Verbrennungskammer für die zweite Stufe gebildet wird. Für jede Kraftstoffdüse 7 ist eine Kraftstofflieferleitung 9 vorgesehen .
Eine Hauptkraftstofflieferleitung 53 verzweigt sich in Kraftstofflieferleitungen 56 und 58 für die erste bzw. die zweite Stufe. Der Kraftstoff für die erste und für die zweite Stufe wird zu den Kraftstoffdüsen 5 bzw. 7 von diesen Kraftstofflieferleitungen 56 bzw. 58 über erste und zweite Kraftstofflief er-Unterleitungen 200 bzw. 201 geliefert. Ein Druckregel-
ventil 54 und ein Strömungsdurchsatzregelventil 55 sind in der Hauptkraftstofflieferleitung 53 angeordnet. Alle Kraftstoffdurchsätze werden durch Steuersignale von der Gasturbine gesteuert. Ein Druckregelventil 59 und ein Strömungsdurchsatzregelventil 6 0 sind in der Kraftstofflieferleitung 58 für die zweite Stufe angeordnet und werden in gekoppelter Anordnung mit dem Druckregelventil 54 und dem Strömungsdurchsatzregelventil 55 der Hauptkraftstofflieferleitung 53 so gesteuert, daß die Kraftstoffe für die erste und die zweite Stufe geliefert werden, während das Verhältnis ihrer Strömungsdurchsätze gesteuert und der Gesamtströmungsdurchsatz auf einem konstanten Niveau gehalten werden.
Im oben beschriebenen Gasturbinen-Combustor strömt durch einen Verdichter 50 die verdichtete Luft 100 zwischen dem äußeren Zylinder 100 des Combustors und der Combustorbuchse 1, durch ein Verdünnungsluftloch 11 und ein Buchsenwand-Kühlungsloch 12, die in die Combustorbuchse 1 gebohrt sind, durch eine Wirbeleinrichtung 6, die als Lufteinlaßöffnung für die zweite Stufe dient, durch ein Luftloch 13 für die erste Stufe, das in die äußere Wand der Unterkammer 2 gebohrt ist, und in die Combustorbuchse 1. Der Kraftstoff 200 für die erste Stufe wird geliefert von einer Kraftstoffeinspritzöffnung 14 an der Innenwand des Kegels 3 über die Kraftstoffdüse 5 der ersten Stufe im Zündzeitpunkt der Gasturbine, wobei der Kraftstoff durch einen elektrischen Funken einer Zündkerze 16 gezündet und verbrannt wird. Der Combustor wird nur durch diese Verbrennung der ersten Stufe bis zur Teillast einer mit einem Verbraucher 52 verbundenen Gasturbine 51. Der Hochleistungsbetrieb der Gasturbine 51 erfolgt durch Liefern des Kraftstoffs 201 für die zweite Stufe aus der Kraftstoffdüse 7 in die Wirbeleinrichtung 6 und durch automatisches Zünden und Verbrennen des in der Wirbeleinrichtung 6 gebildeten brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs durch Berührung mit der Verbrennungsflamme der ersten Stufe.
Als nächstes wird das Prinzip der Verbrennung mit niedrigem NO -Gehalt durch den Combustor nach der Erfindung beschrieben. Zu allererst wird bei der Verbrennung in der ersten Stufe der Kraftstoff 200 für die erste Stufe von der Umfangswand des zylindrischen Kegels 3 geliefert, um seine Mischung mit der von der Umfangswand der Unterkammer 2 gelieferten Verbrennungsluft schnell auszuführen. Da die Verbrennung im Bereich der hohen Kraftstoffkonzentration erfolgt, die durch einen Teil des Kraftstoffs in unmittelbarer Nähe der umfangswand des Kegels 3 gebildet ist, erfolgt die Niedertemperaturverbrennung bei Luftmangel insgesamt und wird der NO -Gehalt bei der ersten Stufe verringert.
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Die Verbrennung an der zweiten Stufe erfolgt so, daß der Kraftstoff 201 der zweiten Stufe in die Wirbeleinrichtung 6 geliefert wird, um den Kraftstoff und die Luft innerhalb der Wirbeleinrichtung 6 vorzumischen, wobei das resultierende Vorgemisch so geliefert wird, daß es eine von irgendwelchen heißen Stellen freie gleichmäßige Niedertemperaturverbrennung verwirklicht und den NO -Gehalt verringert.
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Das Verhältnis der Strömungsdurchsätze des ersten und des zweiten Kraftstoffs und die Kraftstoff-Luft-Verhältnisse für die Verbrennung der ersten und der zweiten Stufe während des Nennturbinenbetriebs als grundlegende Verbrennungsauslegung des mit zwei Stufenverbrennung bei niedrigem NO -Gehalt arbei-
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tenden Combustors variieren selbstverständlich nicht nur mit dem Aufbau des Combustors, sondern auch mit den Betriebsbedingungen der Gasturbine, mit der der Combustor verbunden ist, mit dem NOx-Sollwert und mit der Art der Kraftstoffe. Jedoch wäre ein sehr grundlegendes Auslegungskonzept ein solches, bei dem die Verbrennung der ersten Stufe bis zu etwa 50 % der Belastung der Gasturbine deckt, während die Verbrennung der zweiten Stufe den Bereich von 50 % Belastung bis zur Nennlast deckt, weil jede Stufe die Hälfte des Verbrennungsbereichs deckt und der Bereich jedes betrieblichen Kraftstoff-Luft-
Verhältnisses im wesentlichen halbiert ist, ohne irgendeine verstärkte Verbrennung zu verursachen.
Um das Gleichgewicht des hervorragenden Verbrennungsverhaltens bei niedrigem NO zu erzielen, muß das Kraftstoff-Luft-Gemischverhältnis jedes der ersten und zweiten Kraftstoffe im Bereich von 0,02 bis 0,05 liegen. Insbesondere weil der Kraftstoff der zweiten Stufe mit der Luft vorgemischt und verbrannt wird, ist jedoch der stabile Verbrennungsbereich kleiner als derjenige des Verbrennungsbereichs der ersten Stufe. Ein besseres Verbrennungsverhalten könnte erzielt werden, wenn das Kraftstoff-Luft-Verhältnis wenigstens etwa 0,03 bei Beginn der Verbrennung der zweiten Stufe beträgt.
Fig. 2 zeigt den Aufbau eines weiteren Combustors mit Zweistufenverbrennung und niedrigem NO -Gehalt nach der Erfindung. Zur Bezeichnung gleicher Bauteile wie in Fig. 1 werden gleiche Bezugszeichen verwendet. Eine Erläuterung dieser Bauteile ist weggelassen.
In Fig. 2 ist eine Endabdeckung 21 mit mehreren öffnungen 2 0 stromauf der Unterkammer 2 so angeordnet, daß sie den ringförmigen Teil des inneren zylindrischen Kegels 3 bedeckt. Die Kraftstoffdüsen 22 der ersten Stufe sind so angeordnet, daß sie die öffnungen 2 0 der Endabdeckung 21 durchqueren, in die Brennkammer ragen und auf diese Weise die Brennkammer der ersten Stufe bilden. Ein Verbrennungsluftkanal 23 der zweiten Stufe für die Lieferung der Verbrennungsluft für die zweite Stufe, der von weiteren Luftöffnungen getrennt ist, mündet am Ausßenumfang des hinteren Endes der Unterkammer 2. Eine Vielzahl von Wirbelschaufeln 6 ist an den öffnungen angebracht. Die Kraftstoffdüse 7 der zweiten Stufe ist im wesentlichen im Mittelteil jeder Wirbelschaufel 6 in Nähe des stromauf gelegenen Endes der Wirbeleinrichtung angebracht. Das stromauf gelegene Ende der Kraftstoffdüse ist über den Kraftstoffverteiler 8 der zweiten Stufe mit der Kraftstofflieferleitung 9 der zweiten Stufe verbunden. Die Verbrennung der
zweiten Stufe erfolgt durch Liefern des Kraftstoff-Luft-Gemischs am stromab gelegenen Teil der Verbrennungskammer 2 der ersten Stufe.
Wenn auch nicht in der Zeichnung dargestellt, so sind an den Wänden der Combustorbuch.se 1 und der Unterkammer 2 Wandkühlungslöcher ausgebildet zum Einführen der Kühlluft derart, daß die Wandtemperatur unter der zulässigen Temperatur des verwendeten Materials eingestellt wird. Kraftstoffverteiler und 61 sind so angeordnet, daß sie den Kraftstoff zu den nebeneinanderliegenden Combustoren gleichmäßig liefern. Der Kraftstoff 200 der ersten Stufe wird verteilt durch eine Vielzahl von Kraftstoffdüsen 22 als Kraftstoffstrahl in die Brennkammer der ersten Stufe geliefert, die durch die Unterkammer 2 und den zylindrischen Kegel 3 ringförmig gebildet wird. Jede Flamme der Verbrennung der ersten Stufe wird durch die rezirkulierende Strömung stabilisiert, die in Nähe der Endabdeckung 21 um den überstehenden Teil jeder Kraftstoffdüse 22 gebildet ist. Da, wie bereits beschrieben, der Kraftstoff in die Verbrennungsluft verteilt und geliefert wird, wird ein schnelles Mischen des Kraftstoffs mit Luft wirksam möglich und der Kraftstoff bei niedrigem NO -Gehalt verbrannt.
Fig. 3 zeigt als Muster einen Kraftstofflieferplan für die erste und die zweite Stufe gemäß einem System nach dem Stand der Technik für eine Gasturbine (mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von etwa 0,02 bei der Nennleistung), wenn die Turbineneinlaßtemperatur etwa 1100 0C beträgt. Der Betrieb erfolgt dadurch, daß nur der Kraftstoff I der ersten Stufe geliefert wird zur Ausführung der Verbrennung der ersten Stufe im Bereich von der Zündung bis zum gesamten Kraftstoff-Luft-Verhältnis von 0,01. Danach wird die Liefermenge des Kraftstoffs II der zweiten Stufe allmählich erhöht. Die Summe der Kraftstoffe I und II der ersten und der zweiten Stufe ist der Gesamtkraftstoff III.
Fig. 4 und 5 zeigen die Beziehung zwischen dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis und der NO -Konzentration und zwischen dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis und der CO-Konzentration, wenn das oben beschriebene Kraftstofflieferverfahren entsprechend angewendet wird. Wie aus diesen Diagrammen ersichtlich ist, nimmt das CO merklich vom Lieferbeginn des Kraftstoffs II für die zweite Stufe (F/A = 0,01) bis zu dem Teil zu, bei dem F/A nahe 0,014 ist, wobei in der Zwischenzeit der Kraftstoff der zweiten Stufe vollständig verbrannt wird. Der Grund dafür besteht darin, daß der Kraftstoff, wie bereits im einzelnen beschrieben, übermäßig wenig wird, was das Hauptproblem beim (Hoirbustor mit Zwei stuf enverbrennung und niedrigem NO -Gehalt ist.
Fig. 6 zeigt ein Kraftstofflieferverfahren für die Zeit des Anstiegs der Gasturbinenbelastung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Kraftstofflieferverfahren dieser Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Lieferung des Kraftstoffs II der zweiten Stufe in einer gewissen gegebenen Menge stufenweise erfolgt, wobei gleichzeitig der Kraftstoff I der ersten Stufe in derselben gegebenen Menge stufenweise verringert wird. Mit anderen Worten, die Zone der unvollständigen Verbrennung auf Grund der übermäßig verarmten Verbrennung der zweiten Stufe wird augenblicklich durchlaufen durch stufenweises Liefern des Kraftstoffs II der zweiten Stufe, um sie zur stabilen Verbrennungszone zu verschieben, um eine extreme Zunahme der unverbrannten Bestandteile einzuschränken und somit eine instabile Verbrennung zu vermeiden. Nachdem der Kraftstoff der zweiten Stufe geliefert ist, wird die Lieferung des Kraftstoffs I der ersten Stufe konstant gemacht, während die Lieferung des Kraftstoffs II der zweiten Stufe erhöht wird, um den Vorgang bis zur Nennlast auszuführen.
Fig. 7 zeigt das vollständige Lieferverfahren gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wenn die Gasturbinenbelastung ansteigt. Bei dieses Ausführungsform wird die Kraft-
stoffmenge, die im Augenblick der Lieferung des Kraftstoffs II für die zweite Stufe stufenweise zugeführt werden soll, auf einen Wert eingestellt, der dem Nennwert der Verbrennung der zweiten Stufe nahekommt. Die Liefermenge für den Betrieb der ersten Stufe ist daher gering. In diesem Fall fällt das Verbrennungsverhalten ab, wenn das Kraftstoff-Luft-Verhältnis der ersten Stufe ausgeprägt unter 0,02 liegt. Danach wird der Kraftstoff II für die zweite Stufe allmählich erhöht, während der Kraftstoff I für die erste Stufe ziemlich stark vermindert wird.
Fig. 8 und 9 zeigen die Beziehung zwischen dem Kraftstoff-Luft- Verhältnis und der NO -Konzentration und zwischen dem
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Kraftstoff-Luft-Behältnis und der CO-Konzentration beim Kraftstofflieferverfahren nach der Erfindung. In den Diagrammen stellt das Symbol A die Charakteristiken dar, wenn der Kraftstoff in den Combustor von Fig. 1 durch das Verfahren von Fig. 6 geliefert wird, während das Symbot B die Charakteristiken darstellt, wenn der Kraftstoff in den Combustor von Fig. 2 durch das Verfahren von Fig. 7 geliefert wird.
Die Verbrennung in der zweiten Stufe wird durch Zuführen des Kraftstoffs für die zweite Stufe eingeleitet, wobei das Kraftstoff-Luft-Verhältnis der Verbrennung in der ersten Stufe abfällt. Folglich fällt das NO stufenweise ab. Anderer-
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seits nimmt das CO stufenweise zu, weil CO durch die Verbrennung in der zweiten Stufe erzeugt wird. Jedoch steigt der Maximalwert dieses CO nicht auf eine Konzentration in der Höhe von einigen tausend ppm wie beim Stand der Technik an. Es wird darüber hinaus möglich, die Zone der hohen CO-Konzentration auf einen extrem schmalen Bereich zu begrenzen. Der erforderliche Strömungsdurchsatz des Kraftstoffs der zweiten Stufe, der beim Start stufenweise zugeführt werden soll, um den Kraftstoff der zweiten Stufe zuzuführen, variiert mit der Auslegung des Combustors, dem zulässigen Wert des N0v, den unverbrannten Bestandteilen und dgl. Das Ergebnis des Studium der Verbrennungsdaten, wie den Kraftstoff-Luft-
Verhältnisbereichen von Kohlenwasserstoffkraftstoffen, die als Kraftstoff für die Gasturbine verwendbar sind, der Flammenfortschreitgeschwindigkeit und der CO-Verbrennungsgeschwindigkeit in Verbindung mit verschiedenen Strukturen der eombustoren, zeigt, daß hervorragende Zündung und Brennfähigkeit der Verbrennung der zweiten Stufe vorliegen können, wenn das Verhältnis des stufenweise zuzuführenden Kraftstoffdurchsatzes der zweiten Stufe zur Luftmenge für die Verbrennung der zweiten Stufe wenigstens 0,01 beträgt. Wenn dieses Kraftstoff-Luft-Verhältnis unter 0,01 liegt, tritt eine sofortige Zündung des Kraftstoffs der zweiten Stufe nur schwer?ein, und nehmen die unverbrannten Bestandteile so stark zu, daß gelegentlich eine Schwingungsverbrennung auftritt. In diesem Fall von Fig. 6, in dem der Vorgang ausgeführt wird, während nach der Zufuhr des Kraftstoffs für die zweite Stufe der Kraftstoff für die erste Stufe konstant gehalten wird, ist der Betriebsbereich der Verbrennung der zweiten Stufe begrenzt, wenn das Kraftstoff-Luft-Verhältnis erhöht wird. Dies ergibt Nachteile bei der Verringerung des NO und beim Aufrechterhalten der Flexibi-
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litäü.des Betriebs. Daher beträgt die obere Grenze des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses etwa 0,04.
Es wurde gefunden, daß die Zündung der Verbrennung der zweiten Stufe verbessert werden kann durch sofortiges Zuführen einer übermäßigen Menge des stufenweise zuzuführenden Kraftstoffs II der zweiten Stufe anstelle des Auslegungswerts, und dagegen durch Verringern des Kraftstoffs I der ersten Stufe in Übereinstimmung mit der Zunahme des Kraftstoffs II der zweiten Stufe, was durch die schräge Linie in Fig. 7 dargestellt ist.
Da das Kraftstofflieferverfahren von der Zündung bis zum. Niedriglastbetrieb der Gasturbine oben beschrieben wurde, wird nun das Verfahren zum Einstellen der Leistung der Gasturbine in ihrem Hochlastbetriebsbereich beschrieben. Fig. zeigt das Kraftstofflieferverfahren im Hochlastbetriebsbe-
reich. Während der Kraftstoff II der zweiten Stufe im wesentlichen konstant gehalten wird, wird die Gasturbinenleistung durch Vergrößern oder Verkleinern der Menge des Kraftstoffs I der ersten Stufe verändert. Dieses Verfahren benutzt die Tatsache, daß die CO-Charakteristiken der Verbrennung der ersten Stufe einen Verbrennungsverlauf zeigen, der demjenigen der Diffusionsverbrennung nahekommt, wobei die Verweildauer des Gases zum Verbrennen der unverbrannten Bestandteile groß ist.
Die während des Lastbetriebs der Gasturbine auftretenden unverbrannten Bestandteile können durch Einstellen der Last der Gasturbine dadurch vermindert werden, daß der Kraftstoff in der oben beschriebenen Weise gesteuert wird. Die CO-Konzentrationscharakteristiken in diesem Fall sind in Fig. 9 durch das Symbol C dargestellt.
Die oben beschriebene Anordnung kann das Auftreten von unverbrannten Bestandteilen einschränken, wenn der Kraftstoff der zweiten Stufe zugeführt wird, und kann auch die Stabilität der Verbrennung der zweiten Stufe verbessern. Darüber hinaus können die magere Verbrennung in der zweiten Stufe und der NO -Gehalt in vorteilhafter Weise stark verbessert werden. Das Auftreten der unverbrannten Bestandteile im Hochleistungsbetriebsbereich kann auch begrenzt werden.

Claims (6)

  1. Stsinsdorfstr. 10, 8000 München 22 3432971
    HITACHI, LTD., Tokyo, Japan
    Verfahren zum Liefern von Kraftstoff für einen Gasturbinen-
    Combustor
    Patentansprüche
    Verfahren zum Liefern von Kraftstoff für einen Gasturbinen-Combustor,
    - der Hochdruckluft und Kraftstoff einführt und zur Erzeugung eines Hochtemperatur-Turbinenarbeitsgases verbrennt, und folgendes aufweist: eine Brennkammer für eine erste Stufe mit einer Kraftstoffliefereinrichtung für die erste Stufe und mit einer Luftliefereinrichtung für die erste Stufe,die.jeweils stromauf des Combustors angeordnet sind, und eine Brennkammer für eine zweite Stufe mit einer Kraftstoffliefereinrichtung für die zweite Stufe und mit einer Luftliefereinrichtung für die zweite Stufe, die jeweils stromab der Kraftstoffliefereinrichtung für die erste Stufe angeordnet sind,
    gekennzeichnet
    - durch Liefern des Kraftstoffs von nur der Kraftstoffliefereinrichtung für die erste Stufe für den Betrieb von nur der Brennkammer für die erste Stufe ausgehend vom Betriebsbeginn der Gasturbine bis zu deren Niedrigleistungsbereich,
    680-118304379 DE
    - durch Liefern des Kraftstoffs von den Kraftstoffliefereinrichtungen für die erste und für die zweite Stufe für den Betrieb der Brennkammern für die erste und für die zweite Stufe im Hochleistungsbereich der Gasturbine einschließlich deren Höchstleistung, und
    - durch stufenweises Liefern eines gegebenen Kraftstoffdurchsatzes von der Kraftstoffliefereinrichtung für die zweite Stufe und gleichzeitiges stufenweises Verringern derselben Kraftstoffmenge, die von der Kraftstoffliefereinrichtung für die erste Stufe geliefert wird, wenn der Kraftstoff für die zweite Stufe geliefert werden soll.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß der Strömungsdurchsatz des von der Kraftstoffliefereinrichtung für die zweite Stufe stufenweise gelieferten Kraftstoffs, wenn der Kraftstoff für die zweite Stufe geliefert werden soll, so groß ist, daß das Gewichtsverhältnis des von der Kraftstoffliefereinrichtung für die zweite Stufe gelieferten Kraftstoffdurchsatzes zu der von der Luftliefereinrichtung für die zweite Stufe gelieferten Verbrennungsluftmenge (Kraftstoffdurchsatz für die zweite Stufe/Menge der Verbrennungsluft für die zweite Stufe) wenigstens 0,01 beträgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß das Gewichtsverhältnis des von der Kraftstoffliefereinrichtung für die zweite Stufe zu liefernden Kraftstoffdurchsatzes zu der von der Luftliefereinrichtung für die zweite Stufe zu liefernden Verbrennungsluftmenge bis zu 0,04 beträgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß der von der Kraftstoffliefereinrichtung für die zweite Stufe stufenweise zu liefernde Kraftstoffdurchsatz, wenn der Kraftstoff für die zweite Stufe geliefert werden soll, wenigstens 50 % des Kraftstoffdurchsatzes beträgt, der von der Kraftstoffliefereinrichtung für die erste Stufe geliefert wird, bevor der Kraftstoff für die zweite Stufe geliefert wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß der von der Kraftstoffliefereinrichtung für die zweite Stufe stufenweise zu liefernde Kraftstoffdurchsatz, wenn der Kraftstoff für die zweite Stufe geliefert werden soll, während einer begrenzten Zeitdauer um einen gegebenen Strömungsdurchsatz erhöht wird, und
    - daß gleichzeitig der von der Kraftstoffliefereinrichtung für die erste Stufe gelieferte Kraftstoff um einen gegebenen Strömungsdurchsatz verringert wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Leistung der Gasturbine in ihrem Hochleistungsbetrieb hauptsächlich erzeugt wird durch Einstellen des von der Kraftstoffliefereinrichtung für die erste Stufe gelieferten Kraftstoffdurchsatzes.
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