DE3837635A1 - Verfahren zum verbrennen von brennstoff in einer brennkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ver­ brennen von Brennstoff in einer Brennkammer und betrifft den Prozeß der primären und der sekundären Mischung in der Brennkammer, beispielsweise in der Brennkamer einer Gastur­ binenanlage.

Es ist ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer bekannt (SU, A, 2 28 379), bei dem die in die Brennkammer geförderte Luft in verwirbelte Primärluft- Ringstrahlen, die einen verhältnismäßig kleinen Durchmes­ ser aufweisen und im achsennahen Bereich der Brennkammer konzentriert sind, und in einen verwirbelten Sekundärluft- Ringstrahl, der einen verhältnismäßig großen Durchmesser aufweist und auf dem Kreisumfang der Brennkammer zugeführt wird, aufgeteilt wird. In das Innere eines jeden Primärluft­ strahls wird Brennstoff zur Bildung des Brennstoff-Luft- Gemisches und zur Aufrechterhaltung des Brennvorgangs zu­ geführt. Der Sekundärluftstrahl vermischt sich mit den Ver­ brennungsgasen und senkt deren Temperatur.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht in der geringen Wirksamkeit der sekundären Mischung, die dadurch bedingt ist, daß der Sekundärluftstrahl am Umfang der Brenn­ kammer zugeführt wird. Hierbei liegt die Temperatur dieses Sekundärluftstrahls bedeutend unter dem Temperatur der Ver­ brennungsgase im achsennahen Bereich der Brennkammer, und die Dichte dieses Strahls ist entsprechend höher als die Dichte der Verbrennungsgase, wodurch sich der Sekundärluft­ strahl unter Einwirkung der Zentrifugalkräfte längs der Brennkammerwände ausbreitet. Dies führt zu einer Vergröße­ rung der Länge des Hochtemperaturbereichs der Brennkammer, wodurch wiederum der Gehalt an Giftstoffen in den Verbren­ nungsgasen steigt, da der Gehalt an Giftstoffen der Verweil­ zeit der Verbrennungsgase im Hochtemperaturbereich propor­ tional ist.

Um die vorgegebene Gleichmäßigkeit des Temperaturfelds der Verbrennungsgase am Austritt der Brennkammer zu gewähr­ leisten, wird weiter in Strömungsrichtung der Verbrennungs­ gase über Mischeinrichtungen in die Brennzone der Brennkam­ mer zusätzlich Luft zur Mischung mit den Verbrennungsgasen eingeblasen. Die Einführung solcher Mischeinrichtungen führt zu einer Vergrößerung der Länge der Brennkammer und zur Herabsetzung ihrer Zuverlässigkeit infolge der Anordnung von Metallbauelementen der Mischeinrichtungen im Strom der heißen Verbrennungsgase.

Zum Stand der Technik gehört ein Verfahren zum Verbren­ nen von Brennstoff in einer Brennkammer ("Turbo- i kompresso­ rostroenie", 1970, Mashinostroenie, (Leningrad), A. V. Sudarev u. a. "Gazoturbinnye kamery sgoranÿa konstruktsÿe,  , S. 164 bis 197) das sich vom vorstehend beschriebenen dadurch unterscheidet, daß die Sekundärluft als zwei Ringstrahlen mit verhältnismäßig großem Durchmesser erzeugt wird, die zur Brennkrammer koaxial und gegensinnig verwirbelt sind. Hierbei werden beide angeführten Luftstrahlen am Umfang der Brennkam­ mer erzeugt, in deren achsennahen Bereich, wie auch bei dem vorstehend angeführten Verfahren, verwirbelte Primärluft- Ringstrahlen ausgebildet werden, in deren Inneres der Brenn­ stoff gefördert wird.

Diesem Verfahren sind dieselben Nachteile eigen, die auch das Verfahren gemäß SU, A, 2 28 379 aufweist, obwohl die Wirksamkeit der sekundären Mischung bei dem zuletzt beschrie­ benen Verfahren dank dem gegensinnigen Drall der Sekundärluft­ strahlen, der eine Erhöhung der Turbulenz dieser Strahlen ge­ währleistet, etwas höher ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer zu schaf­ fen, bei dem die für das Mischen mit den Brennstoff bestimm­ ten Primärluftstrahlen und die für das Mischen mit den Ver­ brennungsgasen bestimmten Sekundärluftstrahlen derart aus­ gebildet werden, daß die Wirksamkeit der sekundären Mischung größer wird, wodurch sich die Länge des Hochtemperaturbe­ reiches in der Brennkammer und der Gehalt an Giftstoffen in den Verbrennungsgasen verringert, und auch die Außenmaße der Brennkammer kleiner werden und ihre Zuverlässigkeit sich vergrößert.

Diese Aufgabe wird beim eingangs erwähnten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Primärluftstrahlen zwischen den Sekundärluftstrahlen ausgebildet werden.

Das Ergebnis ist ein intensiver tubulenter Austausch zwischen den Flammen mit einem kleinen Durchmesser, die beim Brennen des Primärluft-Brennstoff-Gemisches entstehen, und den Sekundärluftstrahlen, was zur Erhöhung der Wirksam­ keit des Prozesses der sekundären Mischung beiträgt. Dement­ sprechend nimmt die Länge des Hochtemperaturbereichs in der Brennkammer ab, da die Verbrennungsgase schneller mit der Sekundärluft verdünnt werden.

Dank dem intensiven turbulenten Austausch zwischen den Verbrennungsgasen und der Sekundärluft wird nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren die Verteilung der Temperaturen am Austritt der Brennkammer gleichmäßiger. Aus diesem Grunde wird es möglich, auf die Zusetzung von Mischluft weiter in Strömungsrichtung in bezug auf die verwirbelten Ringluft­ strahlen zu verzichten, d. h. die entsprechenden Mischein­ richtungen aus der Brennkammer zu beseitigen. Dies ermög­ licht eine Reduzierung der Länge der Brennkammer und eine Erhöhung ihrer Zuverlässigkeit.

Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung werden die Primär­ luftstrahlen derart verwirbelt, daß jeder Primärluftstrahl und jeder angrenzende Sekundärluftstrahl in den Punkten, die einander am nächsten liegen, entgegengesetzt gerichte­ te Tangentialgeschwindigkeiten aufweisen.

In diesem Falle wird eine Intensivierung der turbulen­ ten Austauschprozesse in den Bereichen der Wechselwirkung zwischen den Primärluftstrahlen und den Sekundärluftstrah­ len sowie zwischen den Primärluftstrahlen untereinander erzielt, und somit sowohl die primäre als auch die sekundä­ re Mischung verbessert.

Gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung werden die Primärluftstrahlen derart verwirbelt, daß jeder Primärluftstrahl und jeder angrenzende Sekundärluftstrahl in den Punkten, die einander am nächsten liegen, gleich­ sinnig gerichtete Tangentialgeschwindigkeiten aufweisen.

Eine solche Verwirbelung der Primärluftstrahlen ermög­ licht eine Steigerung der Vollkommenheit der Verbrennung des Brennstoffs und eine Erweiterung des Bereichs der sta­ bilen Betriebszustände der Verbrennungskammer.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung werden die Primärluftstrahlen derart verwirbelt, daß der Drall eines jeden Primärluftstrahls dem Drall der angren­ zenden Primärluftstrahlen entgegengerichtet ist.

Hierbei wird die Intensität der sekundären Mischung durch das Herausstoßen der Verbrennungsgase in die Sekun­ därluftstrahlen in radialer Richtung erhöht.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielswei­ se näher erläutet. Es zeigt

Fig. 1 eine Verteilung der Primär- und der Sekundär­ luftstrahlen, die gemäß einer Ausführungsvariante der Erfin­ dung ausgebildet sind, über den Querschnitt der Brennkam­ mer,

Fig. 2 ein Schema, das die Wechselwirkung zwischen den gemäß Fig. 1 ausgebildeten Luftstrahlen erläutert,

Fig. 3 eine Verteilung der Primär- und der Sekundärluft­ strahlen, die gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung ausgebildet sind, über den Brennkammerquerschnitt,

Fig. 4 ein Schema, das die Wechselwirkung zwischen den gemäß Fig. 3 ausgebildeten Luftstrahlen erläutert,

Fig. 5 eine Verteilung der Primär- und der Sekundärluft­ strahlen, die gemäß der dritten Ausführungsvariante der Er­ findung ausgebildet sind, über den Brennkammerquerschnitt und

Fig. 6 ein Schema, das die Wechselwirkung zwischen den gemäß Fig. 5 ausgebildeten Luftstrahlen erläutert.

Das Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer besteht im folgenden.

Die in die Brennkammer eintretende Luft wird von der Fronteinrichtung Flammhaltungsvorrichtung der Brennkammer in Primärluft-Ringstrah­ len I (Fig. 1) und in Sekundärluft-Ringstrahlen 2 zerteilt. Die Sekundärluftstrahlen 2 sind zur Brennkammer koaxial. Die Primärluftstrahlen I weisen in bezug auf die Sekundär­ luftstrahlen 2 einen verhältnismäßig kleineren Durchmesser auf und sind in koaxialen Reihen angeordnet (in Fig. 1 sind drei Reihen solcher Luftstrahlen I dargestellt), von denen jede, die zentrale ausgenommen, zwischen zwei Sekundärluft­ strahlen eingeschlossen ist. Die Sekundärluftstrahlen 2 werden beispielsweise mit Hilfe von Schaufelwirblern Leitschaufelkränzen einer Fronteinrichtung verwirbelt, wobei die angrenzenden Sekun­ därluftstrahlen 2 einen gegensinnigen Drall aufweisen. Die Primärluftstrahlen I werden mit Hilfe von Schaufelwirblern mit einem kleineren Durchmesser verwirbelt. Über die Naben dieser Wirbler wird in das Innere der Strahlen I der Brenn­ stoff gefördert. Die Drallrichtung der Luftstrahlen I und 2 ist in Fig. 1 und in den nachfolgenden Figuren durch Pfei­ le gekennzeichnet. Die Primärluftstrahlen I, der Brennstoff und die Sekundärluftstrahlen 2 werden der Brennzone der Brennkammer zugeführt, wo die Primärluftstrahlen I Brenn­ zonen in Form einzelner Flammen mit einem kleinen Durchmes­ ser erzeugen, die durch einen intensiven turbulenten Aus­ tausch mit den Sekundärluftstrahlen 2 in Wechselwirkung stehen.

Das Einblasen der Primärluftstrahlen I zwischen die Sekundärluftstrahlen 2 intensiviert wesentlich den Prozeß der sekundären Mischung. Dies hat mehrere Ursachen. Erstens verteilt sich die Sekundärluft gleichmäßiger über den Brenn­ kammerquerschnitt. Gemäß dem bekannten Verfahren werden die Sekundärluftstrahlen auf dem Umfang der Brennkammer und ge­ mäß dem erfindungsgemäßen Verfahren koaxial zur Brennkammer mit bestimmter Teilung auf dem Brennkammerradius zugeführt.

Zweitens vergrößert sich mehrfach die Oberfläche, auf der die Wechselwirkung der Primär- und der Sekunärluft­ strahlen stattfindet. Gemäß dem bekannten Verfahren wird diese Wechselwirkung nur auf der Innenfläche des Sekundär­ luftstrahls mit kleinerem Durchmesser und gemäß dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren auf den Innen- und Außenflächen eines jeden Sekundärluftstrahls mit Ausnahme der Außenflä­ che des Sekundärluftstrahls mit dem größten Durchmesser durchgeführt. Drittens vergrößert sich wesentlich das Niveau der Turbulenz der in Wechselwirkung stehenden Luftstrahlen, da viele Zonen mit hohen Geschwindigkeitsgradienten entstehen (Zonen, wo die Wechselwirkung zwischen gegensinnig verwirbelten Strahlen verläuft). Diese Zo­ nen kennzeichnen sich durch eine hohe Intensität der Quer­ pulsationen der Geschwindigkeiten in den Luftstrahlen. Der letzte Umstand wirkt sich günstig auf den Prozeß der Primärmischung aus.

Der Verlauf des Arbeitsprozesses in der Brennkammer, die Intensität der Prozesse der Primär- und der Sekundär­ mischung werden wesentlich von der Drallrichtung der neben­ einanderliegenden Primär- und der Sekundärluftstrahlen so­ wie von der Drallrichtung der angrenzenden Primärluftstrah­ len bedingt. In Abhängigkeit von den jeweiligen konkreten Bedingungen (Brennkammergeometrie, Brennstoffart, vorgege­ bene Begrenzungen für die Vollkommenheit der Verbrennung, stabiler Verbrennungsbereich, Ungleichmäßigkeit des Tempera­ turfelds der Verbrennungsgase, Giftigkeit der Verbrennungs­ gase u. dgl. m.) können folgende Varianten für die Verwirbe­ lung der Primärluftstrahlen zum Einsatz kommen.

Gemäß der Ausführungsvariante der Erfindung, die in Fig. 1 dargestellt ist, werden die Primärluftstrahlen I der­ art verwirbelt, daß die Drallrichtungen der Luftstrahlen I auf den Abschnitten, die den sie umfassenden Sekundärluft­ strahlen 2 zugekehrt sind, den Drallrichtungen dieser Sekun­ därluftstrahlen 2 entgegengesetzt sind. In diesem Falle kommt in der Brennzone der Brennkammer die größtmögliche Zahl an Zonen zustande, in welchen die tangentialen Ge­ schwindigkeiten der Primärluftstrahlen I und der angrenzen­ den Sekundärluftstrahlen 2, sowie die tangentialen Ge­ schwindigkeiten der angrenzenden Primärluftstrahlen I ge­ gensinnige Richtungen aufweisen, was durch Fig. 2 erläutert wird, in der die Vektoren der tangentialen Geschwindigkei­ ten V _{ϕ 1} dreier Primärluftstrahlen I und die Vektoren der tangentialen Geschwindigkeiten V _{d 2} zweier Sekundärluft­ strahlen 2, die die Primärluftstrahlen I umfassen, darge­ stellt sind. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Tangential­ geschwindigkeit V _{ϕ 1} des Primärluftstrahls I in den Punkten 3 und 4 den Tangentialgeschwindigkeiten V _{d 1} der Sekun­ därluftstrahlen 2 in den Punkten 5 bzw. 6 ent­ gegengerichtet, und in den Punkten 7 und 8 ist die Tangen­ tialgeschwindigkeit V _{ϕ 1} des Primärluftstrahls I den Tangen­ tialgeschwindigkeiten V _{ϕ 1} der angrenzenden Primärluftstrah­ len I in den Punkten 9 bzw. 10 entgegengerichtet.

In den angeführten Zonen der Wechselwirkung zwischen den Luftstrahlen werden sehr hohe Geschwindigkeitsgradien­ ten der Luftströme und eine hohe Intensität der turbulenten Schwankungen beobachtet, wodurch das Gesamtniveau der Tur­ bulenz in der Brennzone der Brennkammer erhöht und die In­ tensivierung der Prozesse sowohl der primären als auch der sekundären Mischung gefördert wird. Diese Variante für die Verwirbelung der Primärluftstrahlen wird zweckmäßig benutzt, wenn kleinstmögliche Außenmaße der Brennkammer gefordert werden und/oder gasförmige Brennstoffe zum Einsatz kommen, wenn die Brenngeschwindigkeit hauptsächlich durch die Ge­ schwindigkeit der Prozesse der Brennstoff-Luft-Gemisch-Bil­ dung begrenzt wird.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsvariante der Er­ findung dargestellt, entsprechend der die Verwirbelung der Primärluftstrahlen I derart durchgeführt wird, daß die tan­ gentiale Geschwindigkeit eines jeden Primärluftstrahls I in den Punkten 3 und 4, die den Sekundärluftstrahlen 2 am nächsten liegen, die gleiche Richtung mit den tangentialen Geschwindigkeiten der Sekundärluftstrahlen 2 in den Punk­ ten 5 bzw. 6 hat. Die Wechselwirkung der Luftstrahlen bei dieser Drallrichtung wird durch Fig. 4 erläutert. In diesem Falle nimmt die Zahl der Zonen mit hohen Geschwindigkeits­ gradienten im Vergleich zu der in Fig. 1 dargestellten Va­ riante ab, was sich in erster Linie auf die Intensität der sekundären Mischung auswirkt, die herabgesetzt wird. Ent­ sprechend wächst die Länge des Hochtemperaturbereichs in der Brennkammer etwas an. Trotzdem weist diese Variante der Luftstromverwirbelung bestimmte Vorteile auf - sie wird zweckmäßig benützt, wenn flüssige Brennstoffe schlechterer Qualität eingesetzt werden, deren Brenngeschwindigkeit nicht hoch ist und hauptsächlich von der Feinheit der Brenn­ stoffzerstäubung und der Verdampfungsgeschwindigkeit dieses Brennstoffs bedingt wird. Die Verwendung der in Fig. 1 dar­ gestellten Variante der Verwirbelung kann, insbesondere bei schlechter Brennstoffzerstäubung, die Vollkommenheit der Verbrennung des Brennstoffs beeinträchtigen und den Bereich der stabilen Betriebszustände der Brennkammer einen­ gen.

Gemäß der dritten Ausführungsvariante der Erfindung werden die angrenzenden Primärluftstrahlen I gegensinnig verwirbelt, wie in Fig. 5 dargestellt. In diesem Falle wei­ sen die tangentialen Geschwindigkeiten V _{ϕ 1} der angrenzen­ den Primärluftstrahlen 1 in den Punkten 7 und 8 sowie in den Punkten 9 und 10 die gleichen Richtungen auf. Hierbei werden die Impulse der angrenzenden Primärluftstrahlen ad­ diert und verursachen intensive radiale Strömungen in Rich­ tung der Sekundärluftstrahlen 2. Die Primärluftstrahlen I stoßen quasi die Verbrennungsgase in die Sekundärluftstrah­ len 2 hinein. Diese Variante der Verwirbelung der Primär­ luftstrahlen I wird zweckmäßig in Fällen benutzt, wenn die radiale Ungleichmäßigkeit des Temperaturfelds am Austritt der Verbrennungskammer zu reduzieren ist.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Verbrennung von Brennstoff in einer Brennkammer schrän­ ken den Umfang der Erfindung nicht ein. Unter anderem sind Ausführungsvarianten der Erfindung möglich, wo zwischen je­ weils zwei Sekundärluftstrahlen Primärluftstrahlen ausgebil­ det werden, deren Mittelpunkte verschiedene Entfernung von der Brennkammerachse haben; beispielsweise können die Primär­ luftstrahlen schachbrettförmig angeordnet sein. Außerdem ist, obwohl in Fig. 1, 3 und 5 der Schnitt einer extern lie­ genden Einzel-Brennkamer gezeigt wird, die Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch für eingebaute Ring- Brennkammern möglich.

Claims (4)

1. Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer, bei dem die in die Brenn­ kammer geförderte Luft in Primärluftstrahlen (1) für das Zusammenmischen mit dem Brennstoff und das Aufrechterhalten des Brennvorgangs und in Sekundärluftstrahlen (2) für das Zusammenmischen mit den Verbrennungsgasen aufgeteilt wird und die angeführten Luftstrahlen (I, 2) in die Brennzone der Brennkammer gefördert werden, wobei man die Primärluft­ strahlen (1) als verwirbelte Ringstrahlen mit verhältnis­ mäßig kleinem Durchmesser, in deren Inneres der Brennstoff gefördert wird, und die Sekundärluftstrahlen (2) als gegen­ sinnig verwirbelte Ringstrahlen mit verhältnismäßig großem Durchmesser, die zur Brennkammer koaxial sind, ausgebildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär­ luftstrahlen (1) zwischen den Sekundärluftstrahlen (2) aus­ gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Primärluftstrahlen (1) derart verwirbelt werden, daß jeder einzele Primärluft­ strahl (1) und der angrenzende Sekundärluftstrahl (2) in den Punkten (3 bzw. 5 und 4 bzw. 6), die einander am nächsten liegen, entgegengesetzt gerichtete Tangentialgeschwindigkei­ ten aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Primärluftstrahlen (1) derart verwirbelt werden, daß jeder einzelne Primärluft­ strahl (1) und der angrenzende Sekundärluftstrahl (2) in den Punkten (3 bzw. 5 und 4 bzw. 6), die einander am näch­ sten liegen, gegensinnig gerichtete Tangentialgeschwindig­ keit aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Primärluftstrahlen (1) derart verwirbelt werden, daß der Drall eines jeden einzel­ nen Primärluftstrahls (1) dem Drall der angrenzenden Primär­ luftstrahlen (1) entgegengerichtet ist.