DE4426351A1

DE4426351A1 - Brennkammer

Info

Publication number: DE4426351A1
Application number: DE4426351A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Sattelmayer
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1994-07-25
Filing date: 1994-07-25
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2014-07-26
Also published as: US5626017A; DE4426351B4; CN1121570A; JPH08189641A; EP0694740A2

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Bei Brennkammern mit einem breiten Lastbereich stellt sich immer wieder das Problem, wie die Verbrennung bei einem hohen Wirkungsgrad schadstoffarm betrieben werden kann. Dabei ste hen zwar mehrheitlich die NOx-Emissionen im Vordergrund, in dessen hat es sich gezeigt, daß auch die UHC- (= ungesät tigte Kohlen-Wasser-Stoffe) und die CO-Emissionen in Zukunft kräftig minimiert werden müssen. Insbesondere wenn es darum geht, flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe zum Einsatz zu bringen, zeigt es sich sehr rasch, daß die Auslegung für die eine Brennstoffart, beispielsweise für Öl, und gerichtet auf Minimierung einer Schadstoff-Emission, beispielsweise der NOx-Emissionen, auf andere Betreibungsarten und andere Schadstoff-Emissionen nicht befriedigend übertragen werden kann. Bei mehrstufigen Brennkammern strebt man an, die zweite Stufe mager zu fahren. Dies ist indessen nur möglich, wenn am Eintritt dieser zweiten Stufe stets eine konstante Temperatur aufweist, damit ein ausreichender Ausbrand in der zweiten Stufe auch bei geringer Brennstoffmenge erreichbar ist, d. h., die Mischung in der ersten Stufe müßte weitgehend konstant gehalten werden, was beispielsweise mit den bekannten Diffu sionsbrennern nicht möglich ist. Soweit ersichtlich zählt eine solche Brennkammer nicht zum Stand der Technik.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art, sämtliche bei einer Verbrennung auftretende Schadstoff-Emis sionen zu minimieren, unabhängig davon, mit welcher Brenn stoffart gefahren wird.

Grundsätzlich geht es hier darum, die Mischung in der ersten Stufe konstant zu halten, damit können die UHC- und CO-Emis sionen verhindert werden. Der zum Einsatz kommende Mischer der ersten Stufe vermischt sonach Brennstoff und Luft gleichmäßig, wobei im Falle von Öl eine Tropfenverdampfung stattfindet. Kommt für die genannte Vermischung ein Vormisch brenner gemäß EP 0 321 809 A1 zu Einsatz, so erfährt dieser betreffend die Aerodynamik eine Modifikation, die sich darin manifestiert, daß der Drall wesentlich reduziert wird. Dies geschieht durch 20-100% breitere Lufteintrittsschlitze, oder durch eine Erhöhung der Anzahl dieser Schlitze. Sonach zeich net sich der neue Vormischbrenner dadurch, daß er allein als Mischer eingesetzt und keine Rückströmzone mehr zu erzeugen vermag. Diesem Mischer nachgeschaltet wirkt ein Katalysator, in welchem das Brennstoff/Luft-Gemisch vollständig verbrannt wird. Die Mischung ist so gewählt, daß typische adiabate Flammentemperaturen zwischen 800° und 1100°C erreicht werden, und damit die thermische Zerstörung des Katalysators ausge schlossen ist. Im Vergleich zu anderen katalytischen Verfah ren für hohe Temperaturen ist dies ein großer Vorteil. Auf grund der niedrigen Temperaturen findet keine homogene Gas phasenreaktion, sondern nur eine Reaktion an den aktiven Oberflächen statt. Die NOx-Produktion einer solchen chemi schen Umsetzung ist sehr niedrig, sehr viel kleiner als 1 ppmv. Am Ende des Katalysators steht ein weitgehend NOx freies Heißgas zur Verfügung.

Nach dem Austritt aus dem Katalysator wird die Strömung be schleunigt auf ca. 80-120 m/s. Wirbelgeneratoren sorgen für eine wirbelintensive Strömung, um den stromab eingedüsten Brennstoff möglichst schnell einzumischen. Dabei sorgt die konstante Temperatur am Eintritt der zweiten Stufe für eine sichere Selbstzündung des Gemisches, unabhängig der in die zweite Stufe eingedüsten Brennstoffmenge. Auch hier zeigt es sich, daß die Eindüsung des Brennstoffes in ein Heißgas nur sehr wenig NOx produziert.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Leistungsregelung über der Gasturbinenlast im wesentlichen durch die Anpassung der Brennstoffmenge in der zweiten Stufe erfolgen kann.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen An sprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Ver ständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungs richtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine Brennkammer, als Ringbrennkammer konzipiert, zwischen zwei Strömungsmaschinen angeordnet,

Fig. 2 einen Mischer in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,

Fig. 3-5 entsprechende Schnitte durch verschiedene Ebenen des Mischers,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung des Wirbel-Genera tors,

Fig. 7 eine Ausführungsvariante des Wirbel-Genenerators,

Fig. 8 eine Anordnungsvariante des Wirbel-Generators nach Fig. 7,

Fig. 9 einen Wirbel-Generators im Vormischkanal,

Fig. 10-16 Varianten der Brennstoffzuführung im Zusammen hang mit Wirbel-Generatoren.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit

Fig. 1 zeigt, wie aus der Wellenachse 16 hervorgeht, eine Ringbrennkammer, welche im wesentlichen die Form eines zusam menhängenden annularen oder quasi-annularen Zylinders auf weist. Darüber hinaus kann eine solche Brennkammer auch aus einer Anzahl axial, quasi-axial oder schraubenförmig angeord neter und einzeln in sich abgeschlossener Brennräume beste hen. An sich kann die Brennkammer auch aus einem einzigen Rohr bestehen. Die Ringbrennkammer gemäß Fig. 1 besteht aus einer ersten 1 und einer zweiten Stufe 2, welche nacheinander geschaltet sind, und wobei die zweite Stufe 2 aus der eigent lichen Verbrennungszone 11 besteht. Die erste Stufe 1 besteht in Strömungsrichtung zunächst aus einer Anzahl von in Um fangsrichtung angeordneten Mischern 100, wobei der Mischer selbst im wesentlichen aus dem Brenner gemäß EP 0 321 809 abgeleitet ist. Was die folgende Beschreibung der Brennkammer betrifft, wird allein auf die eine Schnittebene gemäß Fig. 1 abgestellt. Selbstverständlich sind alle Komponenten der Brennkammer in entsprechender Anzahl in Umfangsrichtung ange ordnet. Stromauf dieses Mischers 100 wirkt ein Kompressor 18, in welchem die angesaugte Luft 17 komprimiert wird. Die dann vom Kompressor gelieferte Luft 115 weist einen Druck von 10- 40 bar bei einer Temperatur von 300-600°C auf. Diese Luft 115 strömt in den Mischer 100, dessen Betreibungsweise unter den Fig. 2-5 näher beschrieben wird. Nach einem kurzen Übergangsstück 122 stromab des Mischers 100 erreicht das im Mi scher 100 bereitgestellte Brennstoff/Luft-Gemisch 19 einen Katalysator 3, in welchem dieses Gemisch 19 vollständig ver brannt wird. Dabei ist das Gemisch 19 so gewählt, daß typi sche adiabate Flammentemperaturen zwischen 80° und 1050°C er reicht werden, womit die thermische Zerstörung des Katalysa tors 3 ausgeschlossen ist. Aufgrund der relativ niedrigen Temperatur findet keine homogene Gasphasenreaktion, sondern nur eine Reaktion an den aktiven Oberflächen des Katalysators 3 statt. Die NOx-Produktion einer solchen chemischen Umse tzung ist sehr niedrig, sehr viel kleiner als 1 ppmv. Am Ende des Katalysators 3 steht somit ein weitgehend NOx-freies Heißgas 4 zur Verfügung. Der Katalysator 3 selbst besteht aus einer ersten sehr aktiven Stufe, welche die Brennstoffum setzung einleitet. Als Material wird hier vorzugsweise ein Palladiumoxid eingesetzt. Die nächsten Stufen des Katalysa tors 3 können aus anderen Materialien bestehen, beispiels weise aus Platin. Sonach wird im Katalysator 3 der Brennstoff weitgehend umgesetzt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit im Katalysator 3 kleiner als ca. 30 m/s ist. Nach dem Austritt aus dem Katalysator 3 strömen die Heißgase 4 in eine Zu strömzone 5 und werden auf ca. 80-120 m/s beschleunigt. Die Zuströmzone 5 ist innenseitig und in Umfangsrichtung der Ka nalwand 6 mit einer Reihe von wirbelerzeugenden Elementen 200, im folgenden nur noch Wirbel-Generatoren genannt, be stückt, auf welche weiter unten noch näher eingegangen wird. Die Heißgase 4 werden durch die Wirbel-Generatoren 200 der art verdrallt, daß in der anschließenden Vormischstrecke 7 keine Rezirkulationsgebiete mehr im Nachlauf der genannten Wirbel-Generatoren 200 auftreten. In Umfangsrichtung dieser als Venturikanal ausgebildete Vormischstrecke 7 sind mehrere Brennstofflanzen 8 disponiert, welche die Zuführung eines Brennstoffes 9 und einer Stützluft 10 übernehmen. Die Zufüh rung dieser Medien zu den einzelnen Brennstofflanzen 8 kann bespielsweise über eine nicht gezeigte Ringleitung vorgenom men werden. Die von den Wirbel-Generatoren 200 ausgelöste Drallströmung sorgt für eine großräumige Verteilung des ein gebrachten Brennstoffes 9, allenfalls auch der zugemischten Stützluft 10. Des weiteren sorgt die Drallströmung für eine Homogenisierung des Gemisches aus Verbrennungsluft und Brenn stoff. Der durch die Brennstofflanze 8 in die Heißgase 4 eingedüste Brennstoff 9 löst eine Selbstzündung aus, soweit diese Heißgase 4 jene spezifische Temperatur aufweisen, wel che die brennstoffabhängige Selbstzündung auszulösen vermag. Wird die Ringbrennkammer mit einem gasförmigen Brennstoff be trieben, muß für die Initiierung einer Selbstzündung eine Temperatur der Heißgase 4 größer 800°C vorliegen, die hier auch vorhanden ist. Bei einer solchen Verbrennung besteht, wie bereits oben gewürdigt, an sich die Gefahr eines Flammen rückschlages. Dieses Problem wird behoben, indem einerseits die Vormischzone 7 als Venturikanal ausgebildet wird, ande rerseits indem die Eindüsung des Brennstoffes 9 im Bereich der größten Einschnürung in der Vormischzone 7 disponiert wird. Durch die Verengung in der Vormischzone 7 wird die Tur bulenz durch die Anhebung der Axialgeschwindigkeit vermin dert, was die Rückschlaggefahr durch die Verminderung der turbulenten Flammengeschwindigkeit minimiert wird. Anderer seits wird die großräumige Verteilung des Brennstoffes 9 weiterhin gewährleistet, da die Umfangskomponente der von den Wirbel-Generatoren 200 stammenden Drallströmung nicht beein trächtigt wird. Hinter der relativ kurz gehaltenen Vormisch zone 7 schließt sich die Verbrennungszone 11 an. Der Übergang zwischen der beiden Zonen wird durch einen radialen Querschnittssprung 12 gebildet, der zunächst den Durchflußquerschnitt der Verbrennungszone 11 indiziert. In der Ebene des Querschnittssprunges 12 stellt sich auch eine Flammen front 21 ein. Um eine Rückzündung der Flamme ins Innere der Vormischzone 7 zu vermeiden muß die Flammenfront 21 stabil gehalten werden. Zu diesem Zweck werden die Wirbel-Generato ren 200 so ausgelegt, daß in der Vormischzone 7 noch keine Rezirkulation stattfindet; erst nach der plötzlichen Quer schnittserweiterung findet das Aufplatzen der Drallströmung statt. Die Drallströmung unterstützt das schnelle Wiederanle gen der Strömung hinter dem Querschnittssprung 12, so daß durch die möglichst vollständige Ausnutzung des Volumens der Verbrennungszone 11 ein hoher Ausbrand bei kurzer Baulänge erzielt werden kann. Innerhalb dieses Querschnittssprunges 12 bildet sich während des Betriebes eine strömungsmäßige Rand zone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, welche dann zu einer Stabilisie rung der Flammenfront führen. Diese Eckwirbel 20 bilden auch die Zündzonen innerhalb der zweiten Stufe 2. Die in der Ver brennungszone 11 bereitgestellten heißen Arbeitsgase 13 be aufschlagen anschließend eine stromab wirkende Turbine 14. Die Abgase 15 können anschließend zum Betrieb eines Dampf kreislaufes herangezogen werden, wobei im letztgenannten Fall die Schaltung dann eine Kombianlage ist.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit ein Einsetzen der Nachverbrennung im Strömungskanal ausgeschlossen ist. Bei Verbrennung von Öl kann durch Wasserzugabe eine unmittelbare Zündung verhindert werden. Zur Stabilisierung der Nachverbrennung dient, wie be reits erläutert, der Querschnittssprung 12. In den Eckwirbeln 20 erfolgt aufgrund der langen Aufenthaltszeit die Selbstzün dung des Gemisches. Die Flammenfront 21 schreitet zur Mitte der Verbrennungszone 11 hin fort. Kurz stromab des Vereini gungspunktes beider Flammenfrontpartien ist auch der CO-Aus brand abgeschlossen. Typische Verbrennungstemperaturen sind 1300-1600°C. Das Verfahren, Brennstoff in ein Heißgas einzu düsen, ist prädestiniert, nur wenig NOx zu produzieren.

Das vorgeschlagene Verfahren besitzt auch ein sehr gutes Ver halten hinsichtlich eines breiten Lastbereiches. Da die Mi schung in der ersten Stufe 1 immer weitgehend konstant gehal ten wird, können auch die UHC- oder CO-Emissionen verhindert werden. Die konstante Temperatur am Eintritt in die zweite Stufe 2 stellt eine sichere Selbstzündung des Gemisches si cher, unabhängig von der Brennstoffmenge in der zweiten Stufe 2. Die Eintrittstemperatur ist weiterhin hoch genug, um einen ausreichenden Ausbrand in der zweiten Stufe 2 auch bei gerin ger Brennstoffmenge zu erreichen. Die Leistungsregelung über die Gasturbinenlast erfolgt im wesentlichen durch die Anpas sung der Brennstoffmenge in der zweiten Stufe 2. Der regel bare Kompressor 18 stellt sicher, daß bei Nullast die oben beschriebene Mindestverbrennungstemperatur am Austritt des Katalysators 3 nicht unterschritten wird.

Um den Aufbau des Mischers 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 2 die einzelnen Schnitte nach den Fig. 3-5 herangezogen werden. Des weite ren, um Fig. 2 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Fig. 3-5 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 2 nach Bedarf auf die restlichen Fig. 3-5 hingewiesen.

Der Mischer 100 nach Fig. 2 besteht aus zwei hohlen kegelför migen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinan dergeschachtelt sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittel achse oder Längssymmetrieachse 201b, 202b der kegeligen Teil körper 101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Luft eintrittsschlitz 119, 120 frei (Fig. 3-5), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Mischers 100, d. h. in den Kegelhohlraum 114 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimm ten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebs einsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähn lich einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfaßt, da sie für den Fach mann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so daß die tangen tialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Mischers 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 untergebracht, deren Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeli gen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraum 114 zusam menfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Mischers 100. Selbstverständlich kann der Mischer 100 rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, aus geführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche ent lang der tangentialen Eintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstofflei tungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tan gentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Im Bereich des Übergangsstückes 122 geht die Aus gangsöffnung des Mischers 100 in eine Frontwand 110 über, in welcher eine Anzahl Bohrungen 110a vorhanden sind. Die letzt genannten treten bei Bedarf in Funktion, und sorgen dafür, daß Verdünnungsluft oder Kühlluft 110b dem vorderen Teil des Übergangsstückes 122 zugeführt wird. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff handelt es sich um einen flüs sigen Brennstoff 112, der allenfalls mit einem rückgeführten Abgas angereichert sein kann. Dieser Brennstoff 112 wird un ter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoff profil 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer optimalen Ge misch abgebaut. Wird der Mischer 100 mit einem gasförmigen Brennstoff 113 betrieben, so geschieht dies vorzugsweise über Öffnungsdüsen 117, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft- Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 119, 120 zustande kommt. Bei der Eindüsung des Brennstoffes 112 über die Brennstoffdüse 103 wird am Ende des Mischers 100 die op timale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so unter stützt dies die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112 nachhaltig. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 statt gasförmige flüssige Brennstoffe zugeführt werden. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich Kegelwinkel und Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Ver brennungsluft 115 am Ausgang des Mischers 100 einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, daß eine Minimierung des Quer schnittes der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 prädestiniert ist, eine Rückströmzone 106 zu bilden. In un serem Fall soll aber gerade keine Rückströmzone gebildet wer den, weshalb die Aerodynamik des Mischers 100 so sein muß, daß der Drall wesentlich zu reduzieren ist. Dies geschieht durch 20-100% breitere Lufteintrittsschlitze 119, 120 gegen über einen gleichem Körper, der als Vormischbrenner dient. Eine andere Möglichkeit, die Bildung einer Rückströmzone zu verhindern, besteht darin, die Anzahl der Lufteintritt schlitze zu vergrößern, wobei zugleich auch die Zahl der Teilkörper entsprechend zunimmt. Die Axialgeschwindigkeit in nerhalb des Mischers 100 läßt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstro mes verändern. Die Konstruktion des Mischers 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Größe der tangentialen Luftein trittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Mischers 100 eine relativ große betriebli che Bandbreite erfaßt werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 101, 102 auch in einer anderen Ebene zueinan der verschiebbar, wodurch sogar eine Überlappung derselben angesteuert werden kann. Es ist sogar möglich, die Teilkörper 101, 102 durch eine gegenläufige drehende Bewegung spiralar tig ineinander zu verschachteln.

Aus Fig. 3-5 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungs funktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jewei lige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungs richtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Öffnen bzw. Schließen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgröße der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 aus oben genannten Motiven zu verändern ist. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmäßige Leitbleche einen festen Bestand teil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Mischer 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vorgesehen werden.

In den Fig. 6, 7 und 8 ist die eigentliche Zuströmzone 5 nicht dargestellt. Dargestellt ist hingegen durch einen Pfeil die Strömung der Heißgase 4, womit auch die Strömungsrich tung vorgegeben ist. Gemäß diesen Figuren besteht ein Wir bel-Generator 200, 201, 202 im wesentlichen aus drei frei um strömten dreieckigen Flächen. Es sind dies eine Dachfläche 210 und zwei Seitenflächen 211 und 213. In ihrer Längser streckung verlaufen diese Flächen unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung. Die Seitenwände der Wirbel-Generatoren 200, 201, 202, welche vorzugsweise aus rechtwinkligen Dreiec ken bestehen, sind mit ihren Längsseiten auf der bereits an gesprochenen Kanalwand 6 fixiert, vorzugsweise gasdicht. Sie sind so orientiert, daß sie an ihren Schmalseiten einen Stoß bilden unter Einschluß eines Pfeilwinkels α. Der Stoß ist als scharfe Verbindungskante 216 ausgeführt und steht senkrecht zu jeder Kanalwand 6, mit welcher die Seitenflächen bündig sind. Die beiden den Pfeilwinkel α einschließenden Seitenflächen 211, 213 sind in Fig. 4 symmetrisch in Form, Größe und Orientierung, sie sind beidseitig einer Symmetrie achse 217 angeordnet, welche gleichgerichtet wie die Ka nalachse ist.

Die Dachfläche 210 liegt mit einer quer zum durchströmten Ka nal verlaufenden und sehr schmal ausgebildeten Kante 215 an der gleichen Kanalwand 6 an wie die Seitenflächen 211, 213. Ihre längsgerichteten Kanten 212, 214 sind bündig mit den in den Strömungskanal hineinragenden, längsgerichteten Kanten der Seitenflächen 211, 213. Die Dachfläche 210 verläuft unter einem Anstellwinkel Θ zur Kanalwand 6, deren Längskanten 212, 214 bilden zusammen mit der Verbindungskante 216 eine Spitze 218. Selbstverständlich kann der Wirbel-Generator 200, 201, 202 auch mit einer Bodenfläche versehen sein, mit welcher er auf geeignete Weise an der Kanalwand 6 befestigt ist. Eine derartige Bodenfläche steht indessen in keinem Zusammenhang mit der Wirkungsweise des Elementes.

Die Wirkungsweise des Wirbel-Generators 200, 201, 202 ist die folgende: Beim Umströmen der Kanten 212 und 214 wird die Hauptströmung in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt, wie dies in den Figuren schematisch skizziert ist. Die Wirbelachsen liegen in der Achse der Hauptströmung. Die Drallzahl und der Ort des Wirbelaufplatzens (Vortex Break down), sofern letzteres angestrebt wird, werden durch ent sprechende Wahl des Anstellwinkels Θ und des Pfeilwinkels α bestimmt. Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht, und der Ort des Wirbelaufplatzens ver schiebt sich stromaufwärts bis hin in den Bereich des Wirbel- Generators 200, 201, 202 selbst. Je nach Anwendung sind diese beiden Winkel Θ und α durch konstruktive Gegebenheiten und durch den Prozeß selbst vorgegeben. Angepaßt werden müssen diese Wirbel-Generatoren nur noch bezüglich Länge und Höhe, wie dies weiter unten unter Fig. 9 noch detailliert zur Aus führung gelangen wird.

In Fig. 6 bildet die Verbindungskante 216 der beiden Seiten flächen 211, 213 die stromabwärtsseitige Kante des Wirbel-Ge nerators 200. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende Kante 215 der Dachfläche 210 ist somit die von der Kanalströ mung zuerst beaufschlagte Kante.

In Fig. 7 ist ein sogenannter halber "Wirbel-Generator" auf der Basis eines Wirbel-Generators nach Fig. 6 gezeigt. Beim hier gezeigten Wirbel-Generator 201 ist nur die eine der bei den Seitenflächen mit dem Pfeilwinkel α/2 versehen. Die an dere Seitenfläche ist gerade und in Strömungsrichtung ausge richtet. Im Gegensatz zum symmetrischen Wirbel-Generator wird hier nur ein Wirbel an der gepfeilten Seite erzeugt, wie dies in der Figur versinnbildlicht wird. Demnach liegt stromab dieses Wirbel-Generators kein wirbelneutrales Feld vor, son dern der Strömung wird ein Drall aufgezwungen.

Fig. 8 unterscheidet sich gegenüber Fig. 6 insoweit, als hier die scharfe Verbindungskante 216 des Wirbel-Generators 202 jene Stelle ist, welche von der Kanalströmung zuerst beauf schlagt wird. Das Element ist demnach um 180° gedreht. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, haben die beiden gegen läufigen Wirbel ihren Drehsinn geändert.

Fig. 9 zeigt die grundsätzliche Geometrie eines in einem Ka nal 5 eingebauten Wirbel-Generators 200. In der Regel wird man die Höhe h der Verbindungskante 216 mit der Kanalhöhe H, oder der Höhe des Kanalteils, welchem dem Wirbel-Generator zugeordnet ist, so abstimmen, daß der erzeugte Wirbel unmit telbar stromab des Wirbel-Generators 200 bereits eine solche Größe erreicht, dergestalt, daß damit die volle Kanalhöhe H ausgefüllt wird. Dies führt zu einer gleichmäßigen Geschwin digkeitsverteilung in dem beaufschlagten Querschnitt. Ein weiteres Kriterium, das Einfluß auf das zu wählende Verhält nis der beiden Höhen h/H nehmen kann, ist der Druckabfall, der beim Umströmen des Wirbel-Generators 200 auftritt. Es versteht sich, daß mit größerem Verhältnis h/H auch der Druckverlustbeiwert ansteigt.

Die Wirbel-Generatoren 200, 201, 202 werden hauptsächlich dort eingesetzt, wo es darum geht, zwei Strömungen miteinan der zu mischen. Die Hauptströmung 4 als Heißgase attackiert in Pfeilrichtung die quergerichtete Kante 215, respektiv die Verbindungskante 216. Die Sekundärströmung in Form eines gas förmigen und/oder flüssigen Brennstoffes, der allenfalls mit einem Anteil Stützluft angereichert ist (vgl. Fig. 1), weist einen wesentlichen kleineren Massenstrom als die Hauptströ mung auf. Diese Sekundärströmung wird im vorliegenden Fall stromab des Wirbel-Generators in die Hauptströmung eingelei tet, wie dies aus Fig. 1 besonders gut hervorgeht.

Im dargestellten Beispiel gemäß Fig. 1 sind vier Wirbel-Ge neratoren 200 mit Abstand über den Umfang des Kanals 5 ver teilt. Selbstverständlich können die Wirbel-Generatoren in Umfangsrichtung auch so aneinander gereiht werden, daß keine Zwischenräume an der Kanalwand 6 freigelassen werden. Für die Wahl der Anzahl und der Anordnung der Wirbel-Generatoren ist letzlich der zu erzeugenden Wirbel entscheidend.

Die Fig. 10-16 zeigen weitere mögliche Formen der Einfüh rung des Brennstoffes in die Heißgase 4. Diese Varianten können auf vielfältige Weise miteinander und mit einer zen tralen Brennstoffeindüsung, wie sie beispielsweise aus Fig. 1 hervorgeht, kombiniert werden.

In Fig. 10 wird der Brennstoff, zusätzlich zu Kanalwandboh rungen 220, die sich stromabwärts der Wirbel-Generatoren be finden, auch über Wandbohrungen 221 eingedüst, die sich un mittelbar neben der Seitenflächen 211, 213 und in deren Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 6 befinden, an der die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Einleitung des Brennstoffes durch die Wandbohrungen 221 verleiht den erzeug ten Wirbeln einen zusätzlichen Impuls, was die Lebensdauer des Wirbel-Generators verlängert.

In Fig. 11 und 12 wird der Brennstoff über einen Schlitz 222 oder über Wandbohrungen 223 eingedüst, wobei sich beide Vor kehrungen unmittelbar vor der quer zum durchströmten Kanal verlaufenden Kante 215 der Dachfläche 210 und in deren Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 6 befinden, an der die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Geometrie der Wandbohrungen 223 oder des Schlitzes 222 ist so gewählt, daß der Brennstoff unter einem bestimmten Eindüsungswinkel in die Hauptströmüng 4 eingegeben wird und den nachplazierten Wir bel-Generator als Schutzfilm gegen die heiße Hauptströmung 4 durch Umströmung weitgehend abschirmt.

In den nachstehend beschriebenen Beispielen wird die Sekun därströmung (vgl. oben) zunächst über nicht gezeigte Führun gen durch die Kanalwand 6 ins hohle Innere der Wirbel-Genera toren eingeleitet. Damit wird, ohne weitere Dispositiven vor zusehen, eine interne Kühlmöglichkeit für die Wirbel-Genera toren geschaffen.

In Fig. 13 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 224 einge düst, welche sich innerhalb der Dachfläche 210 unmittelbar hinter und entlang der quer zum durchströmten Kanal verlau fenden Kante 215. Die Kühlung des Wirbel-Generators erfolgt hier mehr extern als intern. Die austretende Sekundärströmung bildet beim Umströmen der Dachfläche 210 eine diese gegen die heiße Hauptströmung 4 abschirmende Schutzschicht.

In Fig. 14 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 225 einge düst, welche innerhalb der Dachfläche 210 entlang der Symme trielinie 217 gestaffelt angeordnet sind. Mit dieser Variante werden die Kanalwände 6 besonders gut vor der heißen Haupt strömung 4 geschützt, da der Brennstoff zunächst am Außenumfang der Wirbel eingeführt wird.

In Fig. 15 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 226 einge düst, die sich in den längsgerichteten Kanten 212, 214 der Dachfläche 210 befinden. Diese Lösung gewährleistet eine gute Kühlung der Wirbel-Generatoren, da der Brennstoff an dessen Extremitäten austritt und somit die Innenwandungen des Ele mentes voll umspült. Die Sekundärströmung wird hier direkt in den entstehenden Wirbel hineingegeben, was zu definierten Strömungsverhältnissen führt.

In Fig. 16 geschieht die Eindüsung über Wandbohrungen 227, die sich in den Seitenflächen 211 und 213 befinden, einer seits im Bereich der Längskanten 212 und 214, andererseits im Bereich der Verbindungskante 216. Diese Variante ist wir kungsähnlich wie jene aus Fig. 10 (Bohrungen 221) und aus Fig. 15 (Bohrungen 226).

Bezugszeichenliste

1 Erste Stufe
2 Zweite Stufe
3 Katalysator
4 Heißgase, Hauptströmung
5 Zuströmzone, Kanal der Zuströmzone
6 Kanalwand der Zuströmzone
7 Vormischzone
8 Brennstofflanze
9 Brennstoff
10 Stützluft
11 Verbrennungszone
12 Querschnittssprung
13 Heiße Arbeitsgase
14 Turbine
15 Abgase
16 Wellenachse
17 Ansaugluft
18 Kompressor
19 Brennstoff/Luft-Gemisch
20 Eckenwirbel, Zündzonen
21 Flammenfront
100 Mischer
101, 102 Teilkörper
101a, 102a Zylindrische Anfangsteile
101b, 102b Längssymmetrieachsen
103 Brennstoffdüse
104 Brennstoffeindüsung
105 Brennstoffeindüsungsprofil
108, 109 Brennstoffleitungen
110 Frontwand
110a Luftbohrungen
110b Kühlluft
112 Flüssiger Brennstoff
113 Gasförmiger Brennstoff
114 Kegelhohlraum
115 Verbrennungsluft
116 Brennstoff-Eindüsung
117 Brennstoffdüsen
119, 120 Tangentiale Lufteintrittsschlitze
121a, 121b Leitbleche
122 Übergangsstück
123 Drehpunkt der Leitbleche
200, 201, 202 Wirbel-Generatoren
210 Dachfläche
211, 213 Seitenflächen
212, 214 Längsgerichtete Kanten
215 Querverlaufende Kante
216 Verbindungskante
217 Symmetrieachse
218 Spitze
220-227 Bohrungen zur Eindüsung eines Brennstoffes
L, h, Abmessungen des Wirbel-Generators
H Höhe des Kanals
α Pfeilwinkel
Θ Anstellwinkel.

Claims

1. Brennkammer, welche im wesentlichen aus einer ersten Stufe (1) und einer in Strömungsrichtung nachgeschalteten zweiten Stufe (2) besteht, wobei die erste Stufe (1) stromab und die zweite Stufe (2) stromauf von Strömungsmaschinen (18, 14) an geordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe (1) kopfseitig einen Mischer (100) zur Bildung eines Brenn stoff/Luft-Gemisches (19) aufweist, daß abströmungsseitig des Mischers (100) ein Katalysator (3) angeordnet ist, daß abströmungsseitig des Katalysators (3) Wirbel-Generatoren (200, 201, 202) vorhanden sind, daß abströmungsseitig der Wirbel-Generatoren (200, 201, 202) ein gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff (9) in eine gasförmige Hauptströmung (4) eindüsbar ist, daß die in Strömungsrichtung anschließende zweite Stufe (2) einen Querschnittssprung (12) aufweist, der den anfänglichen Strömungsquerschnitt der zweiten Stufe (2) indiziert.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe (1) stromab der Wirbel-Generatoren (200, 201, 202) und vor Eintritt in die zweite Stufe (2) ein venturiför miger Kanal bildet, daß der Brennstoff (9) und eine Stütz luft (10) über eine Brennstoffdüse (8) längs und/oder quer zur Hauptströmung (4) im Bereich der größten Einschnürung des venturiförmigen Kanals eindüsbar ist.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wirbel-Generator (200) drei frei umströmte Flächen aufweist, die sich in Strömungsrichtung erstrecken, von denen eine die Dachfläche (210) und die beiden anderen die Seitenflächen (211, 213) bilden, daß die Seitenflächen (211, 213) mit ei nem gleichen Wandsegment des Kanals (5) bündig sind und mit einander den Pfeilwinkel (α) einschließen, daß die Dachflä che (210) mit einer quer zum durchströmten Kanal (5) verlau fende Kante (215) am gleichen Wandsegment des Kanals (6) an liegt wie die Seitenflächen (211, 213), und daß längsgerich tete Kanten (212, 214) der Dachfläche (210) bündig mit den in den Kanal (5) hineinragenden längsgerichteten Kanten der Sei tenflächen (211, 213) sind und unter einem Anstellwinkel (Θ) zum Wandsegment des Kanals (5) verlaufen.

4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden den Pfeilwinkel (α) einschließenden Seitenflächen (211, 213) des Wirbel-Generators (200) symmetrisch um eine Symmetrieachse (217) angeordnet sind.

5. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden den Pfeilwinkel (α, α/2) einschließenden Seitenflä chen (211, 213) eine Verbindungskante (116) miteinander um fassen, welche zusammen mit den längsgerichteten Kanten (212, 214) der Dachfläche (210) eine Spitze (218) bilden, und daß die Verbindungskante (216) in der Radiale des kreisförmigen Kanals (5) liegt.

6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskante (216) und/oder die längsgerichteten Kanten (212, 214) der Dachfläche (210) zumindest annähernd scharf ausgebildet ist.

7. Brennkammer nach den Ansprüchen 1, 3, 4, 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Symmetrieachse (217) des Wirbel-Generators (200) parallel zur Kanalachse verläuft, daß die Verbindungs kante (216) der beiden Seitenflächen (211, 213) die stromab wärtige Kante des Wirbel-Generators (200) bildet, und daß die quer zum durchströmten Kanal (5) verlaufende Kante (215) der Dachfläche (210) die von der Hauptströmung (4) zuerst be aufschlagte Kante ist.

8. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Höhe (h) des Wirbel-Generators zur Höhe (H) des Kanals (5) so gewählt ist, daß der erzeugte Wirbel unmittel bar stromab des Wirbel-Generators (200) die volle Hohe (H) des Kanals (5) und die volle Höhe (h) des dem Wirbel-Genera tor (200) zugeordneten Kanalteils ausfüllt.

9. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelformigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102) besteht, deren jeweilige Längssymmetrieachsen (101b, 102b) gegeneinander versetzt verlaufen, daß die benachbarten Wandungen der Teilkörper (101, 102) in deren Längs erstreckung tangentiale Kanale (119, 120) für einen Ver brennungsluftstrom (115) bilden, daß im von den Teilkör pern (101, 102) gebildeten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) vorhanden ist.

10. Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längser streckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.

11. Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung unter einen festen Winkel erweitern, oder eine zunehmende oder ab nehmende Kegelneigung aufweisen.

12. Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (101, 102) spiralartig ineinander geschachtelt sind.

13. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer eine Ringbrennkammer ist.