DE69028348T2 - Brennkammer und ihre Arbeitsweise - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für den Betrieb einer Verbrennungsvorrichtung sowie eine Verbrennungsvorrichtung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche. Ein solches Verfahren und eine solche Verbrennungsvorrichtung sind aus der EP-A-0 281 961 bekannt. Die Verbrennungsvorrichtung kann zum Beispiel in einer Gasturbine Verwendung finden. Im einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung eine Verbrennungsvorrichtung mit Vormisch- Verbrennung sowie ein Verfahren für den Betrieb einer solchen Verbrennungsvorrichtung.
• Die meisten der üblichen bekannten Verbrennungsvorrichtungen bedienen sich für die Verbrennung eines Zweistufensystems, um die NOx-Erzeugung zu verringern. Im einzelnen erfolgt in einer solchen Verbrennungsvorrichtung zur Stabilisierung einer Flamme eine Diffusionsverbrennung an einem Ende eines Verbrennungszylinders, am Kopf der Verbrennungsvorrichtung, während eine fur die Reduzierung des NOx-Anteils hocheffektive Vormisch-Verbrennung stromabwärts des einen Endes des Verbrennungszylinders erfolgt.
• Eine solche Verbrennungsvorrichtung ist beispielsweise in dem US-Patent Nr. 4 292 801 offenbart. Im besonderen weist diese herkömmliche Verbrennungsvorrichtung einen am Kopf der Verbrennungsvorrichtung angebrachten Diffusionsbrenner der ersten Stufe sowie einen Diffusionsbrenner der zweiten Stufe auf, welcher sich vom Kopf der Verbrennungsvorrichtung in Richtung eines zentralen Abschnitts einer Verbrennungskammer erstreckt. Der Durchmesser der Verbrennungskammer ist in der Nähe des Auslasses des Brenners der zweiten Stufe reduziert. Zu Beginn der Verbrennung wird Brennstoff dem Brenner der ersten Verbrennungsstufe zugeführt und in einer Verbrennungskammer der ersten Stufe für die Diffusionsverbrennung gezündet. Sodann wird mit ansteigender Verbrennungslast Brennstoff zum Brenner der zweiten Stufe zugeführt, um eine Diffusionsverbrennung in einer Verbrennungskammer der zweiten Stufe zu bewirken. Gleichzeitig mit der Uberleitung des Brennstoffs der ersten Stufe an den Brenner der zweiten Stufe wird der Brenner der ersten Stufe abgeschaltet, woraufhin diesem dann erneut Brennstoff zugeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt dient die Verbrennungskammer der ersten Stufe als Vormischkammer, um Brennstoff und Luft miteinander zu vermischen. Deshalb wird zum Zeitpunkt einer Verbrennung bei hoher Last ein Brennstoff/Luft-Vorgemisch aus der Verbrennungskammer der ersten Stufe von der Wärmequelle des Brenners der zweiten Stufe zur Fortsetzung des Verbrennungsvorgangs verbrannt.
• In der so aufgebauten Verbrennungsvorrichtung erfolgt eine Vormischverbrennung hauptsächlich dann, wenn die Verbrennungsvorrichtung bei einer Last betrieben wird, die über einem vorbestimmten Wert liegt, so daß diese Verbrennungsvorrichtung in bezug auf die Verringerung des NOx-Anteils hocheffektiv ist. Diese Form der Verbrennungsvorrichtung ist insofern zufriedenstellend, als beim Betrieb mit hoher Belastung geringe Anteile von NOx sowie unverbrannte Stoffe, wie CO, abgeführt werden, was heißt, daß die Verbrennung in der Verbrennungskammer in ausreichendem Maße erfolgt, so daß das brennbare Brennstoff/Luft-Gemisch kaum in unverbranntem Zustand aus der Verbrennungsvorrichtung abgezogen wird. Während des Betriebs der Verbrennungsvorrichtung bei geringer Last jedoch, d. h. in einem Zustand, in dem das Brennstoff/Luftgemisch mager ist, tritt die Kühlluft über die Wandoberfläche der Verbrennungskammer ein, so daß der Ausstoß an unverbrannten Stoffen, wie CO, dazu tendiert anzusteigen. Die EP-A 0 281 961 offenbart eine Verbrennungsvorrichtung für eine Gasturbine sowie ein Verbrennungsverfahren für diese. Die Verbrennungsvorrichtung umfaßt eine vordere Verbrennungskammer und eine hintere Verbrennungskammer, die mit der stromabwärtigen Seite der vorderen Verbrennungskammer verbunden ist, ferner einen Brenner für eine erste Stufe, um Brennstoff und Luft der ersten Stufe vorzuvermischen, und einen Brenner für eine zweite Stufe, um Brennstoff der zweiten Stufe vorzuvermischen. Die Verbrennungsvorrichtung ist weiter mit einem Zündbrenner in der Mitte der Verbrennungsvorrichtung versehen. Der Zündbrenner erzeugt eine Zündflamme; zu Beginn wird dem Zündbrenner zunächst Brennstoff für die Diffusionsverbrennung zugeführt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehenden Probleme des Standes der Technik zu lösen sowie eine Verbrennungsvorrichtung und ein Betriebsverfahren zu schaffen, bei denen kein CO und keine anderen Stoffe selbst bei einem Betrieb unter geringer Belastung der Verbrennungsvorrichtung abgegeben werden, d.h., wenn das brennbare Brennstoff/Luft- Gemisch mager ist.
• Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
• Die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung umfaßt Zuführeinrichtungen für ein Vorgemisch, bestehend aus einer ersten Vorgemisch-Zuführeinrichtung, die in einen mittigen Bereich einer Verbrennungskammer sowie im allgemeinen koaxial zu einem Verbrennungszylinder angeordnet ist und dann arbeitet, wenn die Verbrennungsvorrichtung unter hoher Last steht, und einer zweiten Vorgemisch-Zuführeinrichtung, welche neben einem äußeren Umfang der ersten Vorgemisch-Zuführeinrichtung angeordnet ist und dann arbeitet, wenn die Verbrennungsvorrichtung unter geringer Last steht.
• Ferner ist ein Verfahren für den Betrieb einer Verbrennungs vorrichtung vorgesehen, die einen Verbrennungszylinder mit einer darin angeordneten Verbrennungskammer sowie Vorgemisch-Zuführeinrichtungen an einem Ende des Verbrennungszylinders für die Zuführung eines brennbaren Gemisches an die Verbrennungskammer enthält, wobei die Vorgemisch-Zuführeinrichtung mindestens zwei innere und äußere Vorgemisch-Zuführeinrichtungen umfaßt und die äußeren Vorgemisch-Zuführeinrichtungen in einem Niedriglastbereich der Verbrennungsvorrichtung arbeiten können, während oberhalb eines vorbestimmten Lastwerts die inneren und äußeren Vorgemisch-Zuführeinrichtungen in einem Hochlastbereich der Verbrennungsvorrichtung arbeiten, wobei die ersten und zweiten Vorgemisch-Zuführeinrichtungen jeweils erste und zweite Brenner aufweisen. Das Verfahren umfaßt folgende Schritte:
• Einsatz der ersten und zweiten Brenner dergestalt, daß das Verhältnis der von dem ersten Brenner aufzunehmenden Last zu der von dem zweiten Brenner aufzunehmenden Last im Hochlastbereich 1 : 1 ist.
• Bei einer solchen Anordnung wird der Brenner der zweiten Vorgemisch-Zuführeinrichtung, d.h. der nahe dem Außenumfang der Verbrennungskammer angeordnete Brenner, so betrieben, daß die Temperatur des Verbrennungsgases am Außenumfang der Verbrennungskammer selbst bei niedriger Belastung der Verbrennungsvorrichtung hoch gehalten werden kann, damit im Niedriglastzustand der Verbrennungsvorrichtung die Bildung unverbrannter Stoffe wie CO, die vorzugsweise am Außenumfang der Verbrennungskammer entstehen, verhindert werden kann.
• Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch die Verbrennungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen Hauptteil der Verbrennungsvorrichtung nach Fig. 1, aus dem das Brennstoffzuführsystem hervorgeht.
• Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Brennstoffströmungsraten und in Betrieb befindlichen Brennern in bezug auf eine Turbinenlast zeigt.
• Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Verbrennungsvorrichtung mit von den Brennern gebildeten Flammenmustern.
• Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Gastemperatur, NOx-Konzentration und CO-Konzentration in einer Verbrennungs vorrichtung des Standes der Technik zeigt.
• Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Gastemperatur, NOx-Konzentration und CO-Konzentration in der Verbrennungsvor richtung der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Brennstoffverhältnis und NOx-Konzentration im Abgas nach der vorliegenden Erfindung sowie gemäß dem Stand der Technik zeigt.
• Fig. 8 ist ein Diagramm der Stabilität gegenüber dem Brenn stoff/Luft-Verhältnis, und die
• Fig. 9 bis 14 sind Teilansichten modifizierter Zusatzbrenner der Erfindung im Längsschnitt.
• Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung. Die Verbrennungsvorrichtung umfaßt einen Außenzyl inder 1, einen im Inneren des Außenzylinders 1 angeordneten Innenzylinder (oder Verbrennungszylinder) 2, einen Endzylinder 3, der in dem Außenzylinder 1 angeordnet und an einem Ende mit dem Innenzylinder 2 verbunden sowie mit dem äußeren Ende auf eine Turbine gerichtet ist, ferner eine am Kopf des Innenzyl inders 2 angeordnete Vormischkammer 4, eine Verbrennungskammer 5 für die Aufnahme eines brennbaren Brennstoff/Luft- Gemisches, eine Vorgemisch-Zuführeinrichtung an einer Seite der Verbrennungskammer 5, einen Zusatzbrenner 13, der in der Nähe der Vorgemisch-Zuführeinrichtung vorgesehen ist und dem Zusatzbrennstoff 12 und Luft zuzuführen sind, sowie eine stromabwärts des Zusatzbrenners 13 angeordnete Zündkerze 14, um den Zusatzbrenner 13 zu zünden. Die Vorgemisch-Zuführeinrichtung weist eine erste (innere) Vorgemi sch-Zuführeinrichtung, die während eines Hochlastbetriebs der Verbrennungsvorrichtung arbeiten kann, sowie eine zweite (äußere) Vorgemisch-Zuführeinrichtung auf, die während eines Niedriglastbetriebs der Verbrennungsvorrichtung arbeiten kann. Die erste Vorgemisch- Zuführeinrichtung weist eine Düse 16 auf, die fest an einer Endplatte 15 angeordnet ist, die wiederum fest an einem Ende des Außenzylinders 1 gegenüber der Turbine vorgesehen ist, um der Vormischkammer 4 Brennstoff für ein erstes Vorgemisch zuzuführen. Brennstoff 18 wird der Vormischkammer 4 über die Brennstoffdüse 16 zugeführt, und Luft wird der Vormischkammer 4 über einen Raum zwischen der Brennstoffdüse 16 und der inneren Umfangsoberfläche des Innenzylinders 2 zugeführt. Das erste Vorgemisch wird also aus dem Brennstoff 18 und der Luft 19 in der Vormischkammer 4 gebildet, und dieses brennbare Brennstoff/Luft-Gemisch wird der Verbrennungskammer 5 zugeführt. Die zweite Vorgemisch-Zuführeinrichtung umfaßt einen Vormischbrenner 8 neben dem Außenumfang der Vormischkammer 4, d.h. neben der inneren Umfangsfläche des Innenzylinders 2. Dem Vormischbrenner 8 wird zur Erzeugung eines zweiten Brennstoff/Luft-Gemisches in der Kammer 5 Brennstoff 6 und Luft 7 zugeführt. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, umfaßt der Vormischbrenner 8 eine Brennstoffkammer 32 in einem Flansch 31, der fest an dem Außenzyl inder 1 angebracht ist, einen ringförmigen Strömungskanal 33 sowie Brennstoffdüsen 34, die sich in den ringförmigen Strömungskanal 33 hineinerstrecken. Der Zusatzbrenner 13 ist um den Außenumfang des Vormischbrenners 8 herum, in der Nähe der Einspritzöffnung des Vormischbrenners 8, sowie neben einem sich abrupt erweiternden Abschnitt 9 der Verbrennungskammer 5 angeordnet. Der Pfeil 20 bezeichnet die von einem Verdichter (nicht gezeigt) an die Verbrennungsvorrichtung zugeführte Strömungsluft.
• Fig. 2 zeigt ein Brennstoffzuführsystem für die Zufuhr von Brennstoff an die genannte Verbrennungsvorrichtung. Dieses Brennstoffzuführsystem umfaßt ein Brennstoffdruck-Regelventil 24 zur Regelung der Strömungsrate des aus einer Brennstoffquelle (nicht dargestellt) zugeführten Brennstoffs 23, drei Brennstoffzuführleitungen 25, 26 und 27, die stromabwärts des Regelventils 24 verzweigt angeordnet sind, um jeweils den Zusatzbrennstoff 12, den ersten Vormischbrennstoff 18 sowie den zweiten Vormischbrennstoff 6 durchzuleiten, ferner drei Brennstoffdurchfluß-Regelventile 28, 29 und 30, die jeweils an den drei Brennstoffzuführleitungen 25, 26 und 27 angebracht wind, um die Strömungsraten der jeweiligen Brennstoffe durch diese drei Brennstoffzuführleitungen zu regeln, und eine Regeleinrichtung 35 zur Abgabe von Regelsignalen entsprechend dem Lastwert der Turbine zur Regelung der vorstehenden Ventile 24, 28, 29 und 30.
• Die Funktionsweise der vorstehenden Verbrennungsvorrichtung sowie ein Verfahren für den Betrieb derselben sind nachstehend anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben.
• Nachdem der Brennstoff 23 aus der Brennstoffquelle durch das Brennstoffdruck-Regelventil 24 hindurchgeströmt ist, wird er in den Zusatzbrennstoff 12, den ersten Vormischbrennstoff 18 und den zweiten Vormischbrennstoff 6 unterteilt. Die Brennstoffe werden über die jeweiligen Brennstoffdurchfluß-Regelventile und die jeweiligen Brennstoffzuführleitungen 25, 26 und 27 dem Zusatzbrenner 13 sowie den ersten und zweiten Vorgemisch-Zuführeinrichtungen zugeleitet. Der Zusatzbrennstoff 12 und der zweite Vormischbrennstoff 6 strömen durch den Flansch 31 hindurch, und der Zusatzbrennstoff 12 wird dem Zusatzbrenner 13 zugeführt, der neben dem sich abrupt erweiternden Abschnitt 9 der Verbrennungskammer 5 angeordnet ist, während der zweite Vormischbrennstoff 6 an die Brennstoffdüsen 34 über die Brennstoffkammer 32 gelangt und in den Vormischbrenner 8 über Einspritzöffnungen eingespritzt wird, die sich an den jeweils entfernten Enden dieser Düsen befinden. Der erste Vormischbrennstoff 18 wird der Brennstoffdüse 16 über das Durchfluß-Regelventil 30 zugeführt. Dabei werden diese Brennstoffe nicht ständig zugeführt, sondern auf die folgende Art und Weise: Zu Beginn der Verbrennung wird die Zündkerze 14 betätigt. Gleichzeitig wird das Durchfluß-Regelventil 28 in Betrieb gesetzt, damit Zusatzbrennstoff 12 aus dem Zusatzbrenner 13 zur Bildung einer Flamme in einer Aussparung 11 austreten kann. Anschließend wird das Durchfluß-Regelventil 29 für den Durchlaß einer vorbestimmten Menge des zweiten Vormischbrennstoffs 6 zur Bildung des zweiten Vorgemisches aktiviert, d.h. eines brennbaren Brennstoff/Luft-Gemischs, und dieses Gemisch wird vom Vormischbrenner 8 aus eingespritzt. Das brennbare Gemisch wird von einer Wärmequelle der von dem Zusatzbrenner 13 gebildeten Flamme verbrannt. Ferner wird zum Zeitpunkt einer Verbrennung bei hoher Last das Durchfluß-Regelventil 30 so aktiviert, daß der erste Vormischbrennstoff 18 der am Kopf der Verbrennungsvorrichtung angeordneten Vormischkammer 4 über die Brennstoffdüse 16 zugeführt wird, wodurch das erste Vorgemisch entsteht, nämlich ein brennbares Brennstoff/Luft-Gemisch, und dieses brennbare Gemisch wird der Verbrennungskammer 5 zugeführt. Diese Regelungen für den Betrieb erfolgen automatisch durch die von der Regeleinrichtung 35 abgegebenen Signale nach Maßgabe der jeweiligen Turbinenlast.
• Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Verfahrens für die Brennstoffregelung im Betriebsbereich einer Gasturbine. Die Fig. 3 zeigt die Strömungsrate des Brennstoffs 12 für den Zusatzbrenner 13, die Strömungsrate des zweiten Vormischbrennstoffs 6 für den Vormischbrenner 8 und die Strömungsrate des ersten Vormischbrennstoffs 18 für die Vormischkammer 4 gegenüber der Turbinenlast. Die durchgezogene Linie in Fig. 3 stellt die Gesamtströmungsrate des der Verbrennungskammer 5 zugeführten Brennstoffs nach Maßgabe der Turbinenlast dar, die strichlierte Linie steht für den dem Zusatzbrenner 13 zugeführten Zusatzbrennstoff 12, die punktstrichlierte Linie stellt die Strömungsrate des dem Vormischbrenner 8 zugeführten zweiten Vormischbrennstoffs 6 dar, und die von zwei Punkten unterbrochene strichlierte Linie steht für die Strömungsrate des der Vormischkammer 4 zugeführten ersten Vormischbrennstoffs 18. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, steigt die Strömungsrate des Zusatzbrennstoffs 12 zu Beginn der Verbrennung an, nimmt dann schrittweise um einen Punkt a der unbelasteten Turbine ab, ohne dabei den Belastungsgrad zu ändern, und verringert sich dann langsam weiter in Richtung Nullast der Turbine. Der zweite Vormischbrennstoff 6 wird dem Vormischbrenner 8 am Punkt a der Turbinennullast zugeführt. Seine Strömungsrate steigt zunächst an und nimmt dann bei 25 % der vollen Turbinenlast allmählich wieder ab. Anschließend nimmt sie nach Maßgabe der Turbinenlast in einer Rate zu, die der Hälfte der Strömungsrate der gesamten Brennstoffmenge entspricht. Der erste Vormischbrennstoff 18 wird der am Kopf des Innenzylinders 2 angeordneten Vormischkammer 4 schrittweise bei 25 % der vollen Turbinenlast zugeführt, und seine Strömungsrate nimmt nach Maßgabe der Turbinenlast in einer Rate zu, die der Hälfte der Strömungsrate der gesamten Brennstoffmenge entspricht. Dadurch beträgt die Strömungsrate des ersten Vormischbrennstoffs sowie die Strömungsrate des zweiten Vormischbrennstoffs im Bereich der 25bis 50%igen Vollast der Turbine 25 bis 50 % der Gesamtbrennstoffmenge. In der Verbrennungskammer 5 durch die vorstehend beschriebene Brennstoffregelung gebildete Flammenmuster sind aus Fig. 4 ersichtlich. Zu Beginn der Verbrennung wird der Zusatzbrenner 13 zur Bildung einer Flamme 101 in der Verbrennungskammer 5 in der Zeitspanne zwischen der Zündung des Zusatzbrennstoffs 12 und Turbinennullast aktiviert. Der Vormischbrenner 8 erzeugt in der Verbrennungskammer 5 eine Vormischflamme 102 im Bereich etwa zwischen Punkt a der nicht belasteten Turbine und 100%iger Turbinenvollast und führt die Verbrennung lediglich im Bereich zwischen Turbinennulllast und 25 % der Turbinenvollast durch. Der der Vormischkammer 4 am Kopf des Innenzylinders 2 zugefihrte Vormischbrennstoff 18 bildet eine Verbrennungsfiamme 103 im Bereich von 25 bis 100 % der Turbinenvollast. Mit anderen Worten, jeder der ersten und zweiten Vormischbrennstoffe wird nach Maßgabe der Turbinenlast in einer Rate von 50 % des gesamten Brennstoffs im Sollbereich zugeführt.
• Das Verfahren zur Brennstoffregelung kann auffolgende Art und Weise durchgeführt werden: Um eine starke Reduzierung des NOx-Anteils während der Vormischverbrennung zu bewirken, wird dem Zusatzbrenner während der gesamten Zeit, in der die Turbine belastet ist, Brennstoff zugeführt, um eine Flammenstabilisierung an der äußeren Umfangsseite der Verbrennungskammer sicherzustellen. Gleichzeitig werden die brennbaren Gemische aus dem Vormischbrenner und der Vormischkammer in einem etwas magereren Zustand verbrannt, wodurch sich der NOx-Gehalt verringert.
• Ferner können in dem Fall , in dem der Vormi schbrenner ei ne Kontrollfunktion in bezug auf das Brennstoff/Luftverhältnis hat, die brennbaren Gemische aus dem Vormischbrenner und der Vormischkammer in einem etwas magereren Zustand unter Verwendung der Flamme des Zusatzbrenners als Grundlage verbrannt werden. Insbesondere dann, wenn der Vormischbrenner einer Brennstoff/Luftverhältnis-Steuerung unterworfen wird, können die Flammenübertragung von dem Zusatzbrenner als auch ein Verbrennungsmuster des von der Vormischkammer zugeführten brennbaren Gemischs frei bestimmt werden, so daß sich eine stabile Vormischverbrennung und eine sehr vorteilhafte Steuerung im Betrieb ergibt.
• Die Figuren 5 bzw. 6 zeigen Verbrennungsbedingungen (d.h. Gastemperatur, NOx-Konzentration sowie NO-Konzentration) im Inneren von Verbrennungskammern beim Stand der Technik und bei der vorliegenden Erfindung. Fig. 5 zeigt den Zustand der stromaufwärtigen Seite der Verbrennungskammer während der Diffusions/Vormischverbrennung. Die Gastemperatur ist im radial mittigen Bereich der Verbrennungskammer hoch, während am Außenumfang der Verbrennungskammer ein Niedrigtemperaturbereich entsteht. Dadurch verbrennt das am Außenumfang der Verbrennungskammer entlang strömende Gas nicht ausreichend gut, so daß unverbrannte Stoffe wie CO entstehen. Da insbesondere an der Wandoberfläche der Verbrennungskammer eine Kühlluftschicht anliegt, ist es äußerst schwierig, solche unverbrannten Stoffe, wenn sie einmal entstanden sind, zu entfernen. Weiter stellt der Hochtemperaturbereich im radial mittigen Teil der Verbrennungskammer eine Stickstoffquelle dar, so daß eine nennenswerte Stickstoffverringerung nicht möglich ist. Demgegenüber sind nach der vorliegenden Erfindung die ersten und zweiten Vorgemisch-Zuführeinrichtungen jeweils innerhalb und außerhalb der Verbrennungskammer vorgesehen. Die äußere zweite Vorgemisch-Zuführeinrichtung wird während des Niedriglastbetriebs der Turbine eingesetzt, wodurch eine vollständige Vormischkonstruktion gegeben ist, und die Gastemperatur wird, wie aus Fig. 6 hervorgeht, relativ gemittelt, um die NOx- und CO-Anteile gleichzeitig zu reduzieren. Mit anderen Worten kann bei der vorliegenden Erfindung, nachdem der Strom bzw. die Bewegung von Luft usw. am Außenumfang der Verbrennungskammer an deren stromaufwärtigem Ende verhältnismäßig gering ist, die Flamme aus dem Zusatzbrenner relativ leicht gebildet werden. Auch eine übermäßige Abkühlung an der Außenseite der Verbrennungskammer wird während des Niedriglastbetriebs der Turbine verhindert, wodurch der Entstehung unverbrannter Stoffe in adaquater Weise entgegengewirt wird. Zur Steigerung der Verbrennung nach Maßgabe der Turbinenlast ist ferner die thermische Diffusionsbewegung (Flammenverbreitung und Brennbarkeit) an der stromabwärtigen Seite der Verbrennungskammer schnell, da die umgebenden Wärmequellen (Berührungsverhältnis, usw.) groß sind. Dadurch kann die Erzeugung unverbrannter Stoffe in den Abschnitten der Verbrennungskammer, in denen das Gemisch magerer ist, als auch am Ausgang der Verbrennungskammer, verhindert werden. Dadurch schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Verbrennungsvorrichtung, mit der die Bildung von NOx und CO im Bereich zwischen Nulllast und Sollast der Turbine weitgehend verhindert wird.
• Fig. 7 zeigt einen Vergleich der NOx-Verbrennungscharakteristika des Standes der Technik mit der vorliegenden Erfindung. Selbst beim Stand der Technik liegt eine Zone geringer NOx-Bildung in einem bestimmten Bereich vor, in dem das Verhältnis der verbrannten Vorgemischmenge zu der verbrannten Diffusionsmenge einen bestimmten Wert annimmt. Bei der vollständigen Vormischverbrennung nach der vorliegenden Erfindung kann ein NOx-Betrag auf weniger als die Hälfte dessen reduziert werden, was beim Stand der Technik möglich ist. Ferner kann, wie aus Fig. 8 hervorgeht, bei der Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, selbst wenn das Brennstoff/Luft-Gemisch gegenüber dem Stand der Technik um 30 % in Richtung mager verschoben wird, eine stabile Verbrennung erreicht werden, bei der sich kein CO oder andere Stoffe bilden.
• Die Figuren 9 bis 14 zeigen verschiedene modifizierte Zusatzbrenner. Bei einem Zusatzbrenner 13a gemäß Fig. 9 sind in einer Innenwandung eines Brennstoffbehälters 40 nahe einem körperfernen Ende von diesem mehrere Durchlässe bzw. Schlitze 41 ausgebildet, wobei der Brennstoffbehälter 40 den Zusatzbrennstoff 12 aufnimmt. Unmittelbar neben dem körperfernen Ende des Brennstoffbehälters 40 sind eine Aussparung 11, die durch einen sich abrupt erweiternden Abschnitt 9 definiert ist, und ein ringförmiger Bereich 10 vorgesehen. Soll der Zusatzbrenner 13a gezündet werden, so wird durch die Durchlässe 41 Zusatzbrennstoff 12 in entgegengesetzter Richtung zu der Luft eingespritzt, die von dem Vormischbrenner 8 zugeführt wird, und dieses Brennstoff/ Luft-Gemi sch wird von ei ner Zündkerze zur Bildung einer Flamme 101 gezündet. Diese Flamme 101 wird durch Wirbel 42, die durch den Luftstrahl 7 induziert werden, stabil gehalten. Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Durchlässe 45 in einer Wandung des Vormischbrenners 8 neben einem körpernahen Ende des Brennstoffbehälters 40 ausgebildet sind, so daß der Zusatzbrennstoff 12 in den Vormischbrenner 8 eingespritzt werden kann. Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der Durchlässe 46 in dem sich abrupt erweiternden Abschnitt 9 der Aussparung 11 ausgebildet sind. Wie aus den Figuren 11 und 12 hervorgeht, befindet sich am Ausgang der Vormischkammer 4, stromaufwärts der Verbrennungskammer 5 an deren radial mittigen Teil, ein verengter Abschnitt 47 bzw. 48. Durch diese Konstruktion läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit des brennbaren Brennstoff/Luft- Gemisches erhöhen, wodurch die Flamme in wirksamer Weise daran gehindert wird, zurückzuschlagen. Die Fig. 10 zeigt einen Vormisch- und Zusatzbrenner 43, der Luft 44 und den Brennstoff 12 zur Bildung einer Flamme 101 in der Verbrennungskammer miteinander vermischt. Um die Flamme des Vormischbrenners 8 in wirksamer Weise an das brennbare Brennstoff/Luft-Gemisch heranzuführen, das von der Vormischkammer 4 zugeführt wird, kann der Vormischbrenner 8a unter einem Winkel 49 gegenüber der Vormischkammer 4 wie in Fig. 13 gezeigt geneigt sein, oder aber der Vormischbrenner 8b kann gemäß Bezugszeichen 50 in Fig. 14 senkrecht zu der Vormischkammer 4 angeordnet sein. Bei dieser Anordnung kann das aus der Vormischkammer 4 zugeführte brennbare Brennstoff/Luft-Gemisch auf wirksame Weise verbrannt werden.
• Wie vorstehend beschrieben, ist bei der vorliegenden Erfindung der an einem Ende (Kopfseite) des Verbrennungszylinders vorgesehene Vormischbrenner im allgemeinen konzentrisch zu dem Verbrennungszylinder angeordnet. Der erste Vormischbrenner ist in einem Hochlastbereich der Verbrennungsvorrichtung einsetzbar. Der zweite Vormischbrenner ist neben dem Außenumfang des ersten Vormischbrenners angeordnet und zumindest in einem Niedriglastbereich der Verbrennungsvorrichtung einsetzbar. Bei dieser Konstruktion kann, selbst wenn die Verbrennungsvorrichtung nur wenig belastet ist, die Bildung eines unverbrannten Stoffs (d.h. CO), der dazu neigt, sich in der Nähe der inneren Umfangsfläche des Verbrennungszylinders zu entwickeln, in ausreichendem Maße verhindert werden. Darüber hinaus wird mit zunehmender Belastung das brennbare Brennstoff/Luft-Gemisch der Brennstoffkammer von der stromaufwärtigen Seite der Verbrennungskammer an deren radial mittigen Teil zugeführt, so daß die umgebende Wärmequelle während der Verbrennung des brennbaren Gemisches groß ist, so daß die Wärmediffusionsbewegung an der stromabwärtigen Seite schnell ist, wodurch die Bildung von unverbrannten Stoffen am Ausgang der Verbrennungskammer in wirksamer Weise unterbunden wird.
• Wenngleich die vorliegende Erfindung speziell unter Bezug auf die vorstehenden Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist die Erfindung selbst nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und es sind verschiedene Versionen möglich, ohne dabei den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche zu verlassen.

Claims (8)

1. Verfahren für den Betrieb einer Verbrennungsvorrichtung, umfassend den Schritt des

- Zuführens von Brennstoff (12) an einen Zusatzbrenner (13) beim Anfahren einer Gasturbine und Zünden des Zusatzbrenners (13)

gekennzeichnet durch die weiteren Schritte des

- Zuführens von Brennstoff (6) an einen im Inneren des Zusatzbrenners (13) angeordneten äußeren Vormischbrenner (8) und Zünden desselben beim Betrieb der Turbine mit geringer Last sowie des

- Zuführens von Brennstoff (18) an einen im Innern des äußeren Vormischbrenners (8) angeordneten inneren Vormischbrenner (4) und Zünden desselben beim Betrieb der Turbine über einer vorbestimmten Last.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß - mit dem Zuführen von Brennstoff an den äußeren Vormischbrenner (8) im unbelasteten Zustand der Turbine begonnen wird und die dem Zusatzbrenner (13) zugeführte Brennstoffmenge gleichzeitig reduziert wird, und daß - mit dem Zuführen von Brennstoff an den inneren Vormischbrenner (4) bei einem Wert über der vorbestimmten Turbinenlast begonnen wird und die dem äußeren Vormischbrenner (8) zugeführte Brennstoffmenge gleichzeitig verringert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Brennstoff/Luft-Verhältnis für den Zusatzbrenner (13) beim Anfahren der Gasturbine erhöht und der Zusatzbrenner (13) gezündet wird,

- das Brennstoff/Luft-Verhältnis für den äußeren Vormischbrenner (8) auf einen Wert über dem unbelasteten Zustand der Turbine erhöht und der äußere Vormischbrenner (8) gezündet wird, während das Brennstoff/Luft-Verhältnis für den Zusatzbrenner (13) gleichzeitig reduziert wird, und daß

- das Brennstoff/Luft-Verhältnis für den inneren Vormischbrenner (4) auf einen Wert von über einer vorbestimmten Turbinenlast zu einer Turbinen-Sollast erhöht und der innere Vormischbrenner (4) gezündet wird, während das Brennstoff/Luft-Verhältnis für den äußeren Vormischbrenner (8) gleichzeitig reduziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Vormischbrenner (4) nach dem Zünden des äußeren Vormischbrenners (8) gezündet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem äußeren Vormischbrenner (8) zugeführte Brennstoffmenge erhöht wird, bevor die Turbine den unbelasteten Zustand erreicht.

6. Verbrennungsvorrichtung, umfassend

- einen Verbrennungszylinder (2) mit einer darin angeordneten Verbrennungskammer (5),

- einen ersten, entlang der Achse des Verbrennungszylinders (2) angeordneten Brenner (4, 16),

- einen zweiten, neben einem Außenumfang des ersten Brenners (4, 16) angeordneten Brenner (8, 32) und

- einen dritten Brenner (13), welcher radial außerhalb des zweiten Brenners (8, 32) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

der dritte Brenner (13) um den Außenumfang des zweiten Brenners (8, 32) in der Nähe von dessen Einspritzöffnung angeordnet und so ausgebildet ist, daß er bei Inbetriebsetzen der Verbrennungsvorrichtung gezündet wird, wobei der erste und der zweite Brenner Vormischbrenner sind.

7. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Brenner (13) mehrere Durchlässe (41, 45) an einer Innenwandung eines Brennstoffbehälters (40) aufweist.

8. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (4syin einer Wandung des zweiten Brenners (8) neben einem zunächst gelegenen Ende des Brennstoffbehälters (40) ausgebildet sind.