DE69308383T2

DE69308383T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verhindern der Konzentrierungschwingungen von Luft-Kraftstoff in einer Brennkammer

Info

Publication number: DE69308383T2
Application number: DE69308383T
Authority: DE
Inventors: Stephen H Black
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1992-05-27
Filing date: 1993-05-25
Publication date: 1997-10-23
Anticipated expiration: 2013-05-26
Also published as: NO931911L; EP0572202A1; NO931911D0; NO300472B1; US5211004A; JPH0634136A; CA2093712C; CN1050893C; CN1083899A; JP3345461B2; DE69308383D1; CA2093712A1; KR930021926A; EP0572202B1; KR100246266B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zum Reduzieren von Brennstoff/Luft-Konzentrationsoszillationen in Gasturbinen-Brennkammern unter Anwendung des Verfahrens einer Mager-Vorgemisch-Verbrennung.

Hintergrund

Die zulässigen Emissionswerte für Stickstoffoxide (NOx) und Kohlenstoffmonoxid (CO) aus Gasturbinenauslässen wurden und werden stetig im Hinblick auf Umweltgesichtspunkte verringert. Ein Verfahren zum Erzielen sehr niedriger Abgasemissionswerte besteht darin, bei gleichzeitiger Beibehaltung eines hohen Wirkungsgrades Brennkammersysteme anzuwenden, die auf dem Konzept einer mageren Vormischung beruhen. In Systemen dieses Typs werden Brennstoff und Luft vor der Verbrennung innig gemischt. Dabei kann der Mischvorgang auf verschiedene Arten ausgeführt werden, sofern die resultierende Konzentration des Brennstoff/Luft-Gemisches ausreichend mager ist, so daß bei der Verbrennung die Flammentemperatur niedrig genug ist, um die Erzeu gung von NOx zu minimieren. Diese Brennstoff/Luft-Konzentration ist ungefähr die Hälfte der stöchiometrischen Konzentration und liegt nur leicht über der Konzentration, bei welcher die Reaktionen nicht mehr selbstunterstützend sind (Schwachgrenze) und die Flamme erlöscht.
Da diese Brennkammersysteme sehr nahe an der Reaktions- Schwachgrenze betrieben werden, können erhebliche Probleme mit der Verbrennungsstabilität auftreten, welche bei herkömmlichen Gasturbinen-Brennkammersystemen, welche bei der stöchiometrischen Brennstoff/Luft-Konzentration betriebene Diffusionsflammen verwenden, normalerweise nicht anzutreffen sind. Diese Instabilitäten können durch ein oszillierendes Druckfeld in der Brennkammer erzeugt werden, welches oft durch verschiedene physikalische Mechanismen in Verbindung mit der Konstruktion des gesamten Brennkammersystems verstärkt werden. Wenn die dynamischen Drücke annehmbare Pegel überschreiten, kann der Betrieb der Gasturbine und/oder die mechanische Lebensdauer des Brennkammersystems schwer beeinträchtigt werden.
Obwohl es bestimmte physikalische Mechanismen in Verbindung mit hochen dynamischen Druckpegeln bei einer Vorgemisch- Verbrennung gibt, welche dieselben wie die bei Diffusionsflammen-Verbrennungssytemen sind, sind aus Brennstoff/Luft-Konzentrationsozillationen des Vormischers sich ergebende hohe dynamische Drücke auf Magervorgemisch-Brennkammersysteme besonders kritisch. In einem typischen Magervorgemisch-Brennkammersystem sind eine Vormischzone, eine Flammenerhalter- und Reaktionszone, Gasturbinendüsen einer ersten Stufe und Brennstoff- und Luftzufuhrsysteme vorgesehen. In dem Magervorgemisch-Verbrennungsverfahren werden der Brennstoff und die Luft getrennt aus Vorsorgungssquellen mit unterschiedlichen dynamischen Charakteristiken relativ zur Vormischzone zugeführt. Bei dem Eintritt in die Reaktionszone wird das vorgemischte Brennstoff/Luft-Gemisch von den in der abgeschirmten Zone des Flammenhalters gehaltenen heißen Gasen entzündet. Nach der Verbrennung strömen die sich ergebenden heißen Gase durch die Turbinendüsen der ersten Stufe, welche die Strömung durch die Turbinenschaufeln der ersten Stufe hindurch beschleunigen. Der zum Verschieben der heißen Verbrennungsgase durch die Turbinendüsen der ersten Stufe erforderliche Druck ist eine Funktion der Massenströmungsgeschwindigkeit und der Temperatur der Strömung. Die Temperatur der Gasströmung hängt wiederum von dem in die Reaktionszone eintretenden Brennstoff /Luft-Konzentrationsverhältnis ab. Wenn die Konzentration über derjenigen ist, die für die Aufrechterhaltung der Reaktionen erforderlich ist, ist die Veränderung der Verbrennungstemperatur über der Konzentration etwa linear. Wenn sich jedoch die Konzentration der Schwachgrenze nähert und diese überschreitet, wird die Veränderung der Gastemperatur mit der Konzentration viel größer, bis letztlich die Flamme erlischt.
Eine Schwachgrenzen-Oszillation kann in jedem Magervorgemisch-System auftreten. Der Zyklus der Oszillation ist wie folgt: (1) ein Druckimpuls, welcher sich entweder aus dem Verbrennungsgrundgeräusch oder einer Systemstörung irgendeiner Art ergibt, breitet sich durch das System und in den Vormischer hinein aus. Da die Menge des dem Vormischer zugeführten Brennstoffs und der Luft von dem Druck in dem Vormischer abhängt, erzeugt diese Druckänderung, d.h. der Druckimpuls, Änderungen sowohl in der Brennstoff- als auch in der Luftmassenströmungsrate. Da das dynamischen Ansprechverhalten der Brennstoff- und Luft-Zufuhrsysteme unterschiedlich ist, ergibt sich eine Veränderung in der Brennstoff/Luft-Konzentration des Vormischers. (2) Der Brennstoff und die Luft bei dieser neuen Brennstoff/Luft-Konzentration treten in die Reaktionszone ein, wo der Brennstoff verbrannt wird, um dadurch eine neue und unterschiedlich heiße Gastemperatur zu erzeugen. (3) Die Verbrennungsproduktgase bei der neuen Temperatur treten in die Turbinendüse der ersten Stufe ein. Da der Düsenrückdruck von der Gastemperatur abhängt, tritt eine Veränderung im Rückdruck auf. (4) Dieser neue Druck breitet sich in den Vormischer aus, und der Zyklus wiederholt sich von selbst. Wenn also die mittlere Brennstoff/Luft-Konzentration in dem Vormischer nahe an der Schwachgrenze liegt, können kleinere Veränderungen in der Brennstoff/Luft-Konzentration zu großen Schwankungen in der Gastemperatur und im Druck führen. Demzufolge ist ein Betrieb bei diesen Bedingungen, wie er für gute Emissionen erforderlich ist, besonders instabil. Nach meiner Kenntnis gab es bisher keine klare Methodik für die Minimierung der dynamischen Druckpegel, welche sich aus diesen Schwachgrenzen-Oszillationen ergeben.
GB-A-2230333 beschreibt ein Verfahren für den Betrieb einer Gasturbinen-Brennkammer in einem Magervorgemisch-Verbrennungsmodus, in welchem die Brennkammer diskrete Brennstoff- und Luftzufuhrsysteme und eine Brennstoff/Luft-Vormischerzone aufweist.
Sie zeigt eine Vorrichtung zum Stabilisieren der Verbrennung in einer Gasturbinen-Brennkammer, die in einem Magervorgemischsmodus betreibbar ist und eine Vormischerzone, die ein Luftzufuhrsystem mit einer Öffnung für die Zuführung von Luft in die Vormischerzone der Brennkammer aufweist und einen vorbestimmten Druck stromaufwärts von dieser Öffnung besitzt; und eine Düse mit einem Brennstoffkanal für das Einleiten von Brennstoff in die Vormischerzone der Brennkammer aufweist; wobei der Brennstoffkanal eine Auslaßöffnung zum Zuführen von Brennstoff in die Vormischerzone besitzt.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinen-Brennkammer in einem mageren vorgemischten Verbrennungsmodus geschaffen, wobei die Brennkammer diskrete Brennstoff- und Luftzufuhrsysteme und eine Brennstoff/Luft-Vormischerzone aufweist, gekennzeichnet durch den Schritt, daß die dynamischen Druckansprechcharakteristiken der Brennstoff- und Luftzufuhrsysteme der Brennkammer im wesentlichen angepaßt werden, wenn sie der Vormischerzone Brennstoff und Luft zuführen, um Änderungen in der der Vormischerzone zugeführten Brennstoff/Luft-Konzentration im wesentlichen zu minimieren oder zu eliminieren, die aus Druckänderungen in der Vormischerzone resultieren.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinen-Brennkammer in einem mageren vorgemischten Modus geschaffen, wobei die Brennkammer diskrete Brennstoff- und Lufteinlässe und eine Brennstoff/Luft- Vormischerzone zum Empfangen des Brennstoffes und der Luft aufweist, gekennzeichnet durch den Schritt, daß dynamische Druckschwankungen in der Vormischerzone der Brennkammer verkleinert werden, die aus Brennstoff/Luft-Konzentrationsverhältnisoszillationen des Vorgemischs resultieren, indem der Druckabfall von Luft und Brennstoff über den Luft- und Brennstoffeinlässen zu der Vormischerzone im wesentlichen ausgeglichen wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung zum Stabilisieren der Verbrennung in einer Gasturbinen-Brennkammer geschaffen, die in einem mageren vorgemischten Modus betreibbar ist und eine Vormischerzone aufweist, enthaltend ein Luftzufuhrsystem, das eine Öffnung zum Liefern von Luft in die Vormischerzone der Brennkammer enthält und einen vorbestimmten Druck stromaufwärts von der Öffnung aufweist; eine Düse mit einem Brennstoffkanal zum Leiten von Brennstoff in die Vormischerzone der Brennkammer; wobei der Brennstoffkanal eine Auslaßöffnung aufweist zum Zuführen von Brennstoff in die Vormischerzone; und gekennzeichnet durch eine stromaufwärts von der Brennstoffauslaßöffnung angeordnete Einrichtung zum Reduzieren des Brennstoffdruckes stromaufwärts von der Brennstoffauslaßöffnung auf etwa den vorbestimmten Druck, wobei die Luftzufuhröffnung und die Brennstoffauslaßöffnung im wesentlichen den gleichen Druckabfall haben, wodurch Druckschwankungen in der Vormischerzone, die aus Brennstoff/Luft- Konzentrations-Oszillationen resultieren, im wesentlichen minimiert oder eliminiert werden.
Mit der vorliegenden Erfindung werden die dynamischen Druckpegel in Magervorgemisch-Brennkammersystemen durch Beseitigung der Verstärkung, welche sich aus dem Schwachgrenzen-Oszillationszyklus ergibt, verkleinert. Im allgemeinen wird der vorstehend beschriebene Schwachgrenzen-Oszillationszyklus durch gegenseitiges Anpassen der dynamischen Ansprechcharakteristiken des Brennstoff- und Luftzufuhrsystems zu dem Vormischer unterbrochen. Sobald die Brennstoff- und Luftzufuhrsysteme im wesentlichen identisch auf Druckstörungen ansprechen, ändert sich die Konzentration im Vormischer nicht wesentlich, mit dem Ergebnis, daß sich die Gastemperaturen der Reaktionszone stabilisieren und der Druck der Brennkammer relativ konstant wird.
Um das vorstehende Ziel zu erreichen, wird das Brennstoff- Zufuhrsystem so ausgelegt, daß es eine dynamische Druckansprechcharakteristik aufweist, welche im wesentlichen mit der Druckansprechcharakteristik des Luftzufuhrsystems vergleichbar ist. Üblicherweise wird in einem Gasturbinen-Brennkammersystem die Luft dem Vormischer aus dem Kompressorauslaß über Löcher in der Brennkammerauskleidung mit einem sehr kleinen Verlust im Gesamtdruck zugeführt. Dieses erfolgt, da Gesamtdruckverluste in der Luftzuführung einen sehr großen Einfluß auf den Wirkungsgrad des gesamten thermodynamischen Zyklusses aufweisen. Da die Luftversorgung leicht gedämpft ist, reagiert sie schnell und mit einer sehr kleinen Phasenwinkeldifferenz in Bezug auf jede in der Vormischerzone vorhandene Druckerzwingungsfunktion (Druckstörung). Im Gegensatz dazu ist die Brennstoffzufuhrdüse, z.B. für Erdgas, üblicherweise so ausgelegt, daß sie einen hohen Druckverlust erzeugt, welcher an der Stelle konzentriert ist, an der der Brennstoff in die Vormischerzone eingeführt wird. Somit begrenzt der hohe Druckverlust den Einfluß, den dynamische Druckoszillationen der Brennkammer auf den gesamten Brennstoffstrom ausüben, und vermeidet jede Resonanz, welche anderenfalls zu großen Brennstoffströmungsschwankungen führen würde. Das Brennstoffsystem reagiert jedoch sehr langsam auf die Druckerzwingungsfunktion (die Druckstörung) und reagiert somit auf Druckschwankungen mit einem relativ großen Phasenwinkel. Diese Fehlanpassung im Ansprechen des Amplituden- und Phasenwinkels zwischen den Luft- und Brennstoff-Zufuhrsystemen erzeugt Schwankungen in der Brennstoff/Luft-Konzentration des Vormischers, welche den Schwachgrenzen-Oszillationszyklus antreibt.
Um diese Fehlanpassung in den Brennstoff- und Luftzufuhrsystemen zu minimieren oder eliminieren, weist das Brennstoff- Zufuhrsystem einen Brennstoffkanal mit einer stromaufwärtigen Blendenöffnung, einer stromabwärtigen Blendenöffnung und einem zwischen den zwei Blendenöffnungen eingeschlossenen Ansprech volumen auf. Die stromaufwärtige Blendenöffnung weist einen sehr hohen Druckabfall auf und erfüllt somit die Funktion einer Trennung des Brennstoffsystems von der Vormischzone und der Bereitstellung einer gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs. Die stromaufwärtige Blendenöffnung ist des weiteren so bemes sen, daß sie einen derartigen Druckabfall erzeugt, daß der Druck stromabwärts von der Blendenöffnung und in dem eingeschlossenen Ansprechvolumen dem Druck der Kompressorauslaßluft angenähert ist. Die stromabwärtige Düse ist jedoch so bemessen, daß sie einen sehr kleinen Druckabfall hat, der dem Druckabfall der durch die Löcher in der Brennkammerauskleidung in die Vormischerzone eintretenden Kompressorauslaßluft angenähert ist. Demzufolge ist der Druck des Luft- und des Brennstoffeinlasses in die Vormischerzone im wesentlichen derselbe.
Das eingeschlossene Ansprechvolumen in dem Brennstoffkanal zwischen den stromaufwärtigen und Brennstoffauslaßblendenöffnungen, das auf etwa demselben Druck wie der Kompressorauslaßdruck ist, ist somit an die Vormischerzone praktisch mit denselben Dämpfungscharakteristiken wie die Luftzuführung angekoppelt. Da das Volumen ziemlich klein ist, weist es keine Resonanzpunkte bei Frequenzen auf, welche für das Brennkammersystem von Bedeutung sind, und es erfolgt auch kein Brennstoffrückschlag aus der Kammer. Das Volumen ist jedoch ausreichend groß, um genug Brennstoff für mindestens einen Oszillationszyklus zu speichern. Man wird klar erkennen, daß Brennstoff bei einem Phasenwinkel in das eingeschlossene Ansprechvolumen einströmt, und bei einem anderen Phasenwinkel daraus in die Vormischerzone abgegeben wird. Somit muß das eingeschlossene Ansprechvolumen ausreichend bemessen sein, um zu jedem Zeitpunkt Brennstoff an die Vormischerzone zu liefern, um die Differenz zwischen dem Brennstoff zustrom in das eingeschlossene Ansprechvolumen durch die Hochdruckblendenöffnung und der Brennstoffstromung aus diesem Volumen durch die Niederdruckblendenöffnung aufgrund der Phasenwinkelfehlanpassung der Strömungen durch die Blendenöffnungen auszugleichen.
Demzufolge versucht die vorliegende Erfindung, die dynamischen Druckpegel in Magervorgemisch-Brennkammersystemen durch Minimieren oder Eliminieren der sich aus dem Schwachgrenzen-Oszillationszyklus ergebenden Verstärkung zu reduzieren.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun im Rahmen eines Beispiels detaillierter und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Magervorgemisch- Brennkammersystems für eine Verbrennungsturbine ist;
Fig. 2 eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht einer zweistufigen Brennstoffdüse gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 3 eine graphische Darstellung ist, welche den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Verbrennungstemperaturanstieg und dem Brennstoff/Luft-Konzentrationsverhältnis darstellt.

Beste Art für die Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein Brennkammersystem für eine Gasturbine mit einer allgemein mit 10 bezeichneten Brennkammer mit einer Vormischerzone 12, einer Venturi-Anordnung 14 einer Zweitstufen-Reaktionszone 16, einer Auskleidungsanordnung 18 für die Vormischerzone 12 und einer Auskleidungsanordnung 20 für die Zweitstufen-Reaktionszone dargestellt. Ferner ist ein Übergangsstück 22 für die Zuführung heißer Verbrennungsgase zu den nicht gezeigten Düsen der ersten Stufe dargestellt. Mehrere in Übereinstimmung der vorliegenden Erfindung aufgebaute Brennstoffdüsen 24 sind in einer kreisförmigen Anordnung um einen zentralen Körper 26 herum für die Zuführung von Brennstoff zu der Vormischerzone 12 angeordnet, wo der Brennstoff mit durch öffnungen in der Auskleidung 18 hindurchtretender Kompressorauslaßluft gemischt wird. Es genüge zu sagen, daß mehrere Brennkammern in einer nicht gezeigten ringförmigen Anordnung um das Turbinengehäuse herum angeordnet sind.
Wie vorstehend bereits angegeben wurde und gemäß Fig. 3 arbeitet das herkömmliche Diffusionsverbrennungsverfahren nahe oder eng am stöchiometrischen Verhältnis. Wenn die Brennstoff/Luft-Konzentration gemäß Darstellung durch den Pfeil 27 in Fig. 3 magerer wird, erfolgt die Verbrennung bei sinkender Temperatur in einer im allgemeinen linearen Beziehung. Wenn sich jedoch die Brennstoff/Luft-Konzentration der Schwachgrenze oder Entflammbarkeitsgrenze nähert, wird die Veränderung der Gastemperatur zu der Konzentration stark betont. Beispielsweise zeigt die in Fig. 3 mit A bezeichnete Steigung der Kurve, daß ein weiteres nominales Absinken der Brennstoff/Luft-Konzentration zu einem sehr deutlichen Absinken der Verbrennungstemperatur führt. Wie in dieser Graphik dargestellt ist, geht die Flamme schließlich aus. Demzufolge entstehen für sehr kleine Veränderungen in der Brennstoff/Luft-Konzentration erhebliche Veränderungen der Verbrennungstemperatur, wenn in der Nähe der Schwachgrenze gearbeitet wird. Somit ändert sich dann, wenn eine Druckstörung oder ein Impuls in dem System auftritt und den Druck in der Vormischerzone ändert, die Brennstoff- und Luftmassenströmungsraten dementsprechend, aber ungleichphasig zueinander. Somit wird die Brennstoff/Luft-Konzentration des Vormischers zu jedem Zeitpunkt verändert, und dies führt wiederum zu einer Schwankung in der Gastemperatur in der Reaktionszone. Diese Schwankung in der Temperatur ändert den Druck in Vormischerzone und bewirkt somit eine neue Konzentration von Brennstoff/Luft bei fortschreitendem Zyklus als ein Ergebnis einerr Fehlanpassung im Phasenwinkel zwischen den Brennstoffund Luftzufuhrsystemen.
Um diese durch Druck hervorgerufenen Schwankung in der Brennstoff/Luft-Konzentration zu verhindern, werden die dynamischen Druckansprechcharakteristiken sowohl des Brennstoff- als auch des Luftzufuhrsystems im wesentlichen aneinander angepaßt.
Um dies zu erreichen, während eine Trennung des Brennstoffsystems von der Brennkammer beibehalten und für eine gleichförmige Brennstoffverteilung gesorgt wird, wird das Brennstoff-Zufuhrsystem mit einer stromaufwärtigen Brennstoffblendenöffnung, welche einen hohen Druckabfall auf etwa den Druck der Kompressorauslaßluft erzeugt, und mit einer stromabwärtigen Blendenöffnung versehen, die einen niedrigen Druckabfall auf etwa den Druck in dem Kompressorauslaßluftstrom durch die Auskleidungsöffnungen in die Vormischerzone hinein aufweist, wobei die zwei Blendenöffnungen durch ein Volumen getrennt sind, welches ausreichend bemessen ist, um genug Brennstoff zu speichern für den Ausgleich der Phasenfehlanpassung von in das Volumen über die stromaufwärtige Blendenöffnung bei einem ersten Phasenwinkel relativ zu dem Phasenwinkel der Druckstörung hineinströmendem Brennstoff und aus dem Volumen durch die zweite Blendenöffnung bei einem zweiten Phasenwinkel relativ zu dem Phasenwinkel der Druckstörung herausströmendem Brennstoff.
Insbesondere ist in Fig. 2 eine zweistufige Brennstoffdüsenkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche aus einem Gehäuse 32 mit einer Hülse 33 besteht, die daran befestigt ist und eine zentrale Bohrung für die Aufnahme eines Kanals 34 bildet. Der Kanal 34 ist mit einer nicht gezeigten Öl-Versorgungsquelle über ein Verbindungsteil 36 zum Zuführen von Öl an eine Düse 38 an dem gegenüberliegenden Ende der Bohrung verbunden. Ein Verbindungsteil 40 ist in geeigneter Weise an dem Gehäuse 32 befestigt und trägt ein Endverbindungsteil 42, welches einen Teil der Ölzerstäuberdüse 38 bildet. Unter Druck stehende Luft wird einem Ringraum 44 an dem einen Ende des Verbindungsteils 40 zum Durchstrom durch mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Bohrungen 46 und durch den ringförmigen Raum 48 zwischen dem Endverbindungsteil 42 und der Öl/Brennstoff-Düse 38 an dem Ende der Hülse 33 zugeführt. An dem Ende der Düse wird das Brennstofföl für die Zuführung in die Vormischerzone zerstäubt. Die Brennstoffdüse der vorstehenden Beschreibung ist herkömmlich und eine weitere Beschreibung wird für nicht erforderlich erachtet.
Brennstoffgas, wie z.B. Erdgas, wird einem in dem Verbindungsteil 40 ausgebildeten Ringraum 50 von einer nicht gezeigten Brennstoffgasquelle aus zugeführt. Das Verbindungsteil 40 enthält mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete, axial verlaufende Bohrungen 52, welche zusammen eine erste oder stromaufwärtige Brennstoffblendenöffnung 52 bilden, welche einen hohen Druckabfall aufweist. Die Bohrungen 52 offnen sich in eine mit dem Endverbindungsteil 42 ausgebildete ringförmige Kammer 54, und mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Brennstoffauslaßdüsen sind um das Ende des Verbindungsteils 40 herum für den Auslaß des Brennstoffgases in die Vormischerzone angeordnet. Die Düsen 56 bilden zusammen eine stromabwärtige Blendenöffnung 56 mit einem sehr niedrigen Druckabfall. Zusätzlich bildet das Volumen zwischen der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Blendenöffnung 52 bzw. 56 ein eingeschlossenes Ansprechvolumen 54, wie es hierin bereits beschrieben wurde. Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird, tritt das Brennstoffgas in die ringförmige Kammer 50 ein und strömt durch die stromaufwärtigen Bohrungen 52, welche die stromaufwärtige Blendenöffnung bilden, in das eingeschlossene Ansprechvolumen 54 und durch die Bohrungen 56 hindurch in die Vormischerzone. Der normalerweise an der Austrittsdüse des gasförmigen Brenn stoffs auftretende hohe Druckabfall bei herkömmlichen Brennstoffdüsen wird somit durch die stromabwärtige Niederdruckblendenöffnung 56 und das eingeschlossene Ansprechvolumen 54 von der Vormischerzone weg stromaufwärts verlagert.
Unter der Annahme einer Druckstörung in der Vormischerzone, welche zu einem niedrigerem Vormischerzonendruck führt, steigt die Luftzufuhr zu der Vormischerzone durch die Öffnungen in der Auskleidung 18 an, wobei die Reaktion schnell ist und einen kleinen Phasenwinkel in Relation zu dem Phasenwinkel der Druckstörung aufweist. Wenn eine herkömmliche Hochdruck-Gasbrennstoffdüse an der Brennstoffauslaßöffnung des Vormischers angeordnet wäre, würde der Brennstoffstrom als Antwort auf eine Verringerung des Vormischerdruckes ebenso zu einem Anstieg tendieren. Das Ansprechen der Brennstoffzufuhr auf eine solche Druckabsenkung in der Vormischerzone würde jedoch länger dauern als die Ansprechzeit des Luftdruckes über den Auskleidungsöffnungen, und würde somit eine Fehlanpassung in den Phasenwinkeln zwischen den Brennstoff- und Luftdruckantworten bewirken. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt der hohe Druckabfall in dem Brennstoffkanal an der ersten Blendenöffnung 52 in der Weise, daß der Druck in dem Volumen 54 im wesentlichen auf dem Kompressorauslaßdruck ist. Wenn der Druckabfall über den Öffnungen in der Auskleidung, welche Luft zu der Vormischerzone zuführen, im wesentlichen derselbe wie der niedrige Druckabfall über der stromabwärtigen Auslaßblendenöffnung 56 des Gasbrennstoffs ist, dann sind die auf die Druckerzwingungsfunktion reagierenden Phasenwinkel im wesentlichen aneinander angepaßt. Durch die Anpassung der Phasenwinkel bleibt die Brennstoff/Luft-Konzentration trotz der Druckerzwingungsfunktion oder der Druckstörung und deren Auswirkung auf die Brennstoff- und Luftzufuhrsysteme im wesentlichen eine Konstante. Somit sind in dem vorstehend beschriebenen Beispiel, wo die Druckstörungsfunktion den Druck in der Vormischerzone verringert, das Brennstoff- und Luftströmungs-Ansprechverhalten aneinander angepaßt, wodurch die Konzentration im wesentlichen konstant gehalten wird. Wenn umgekehrt die Druckstörung den Druck in der Vormischerzone erhöht, bleibt die Brennstoff/Luft-Konzentration in ähnlicher Weise konstant. Auf diese Weise ist der Schwachgrenzen- Oszillationszyklus im wesentlichen minimiert oder eliminiert.
Es wird deutlich, daß das eingeschlossene Ansprechvolumen ein Volumen aufweisen muß, welches ausreicht, um die Fehlanpassung in der Phase von Brennstoff aufzunehmen, der in das Volumen über die erste Blendenöffnung bei einem ersten Phasenwinkel relativ zu den Phasenwinkel der Druckstörung hineinströmt und aus dem Volumen durch die zweite Blendenöffnung bei einem zweiten Phasenwinkel relativ zu dem Phasenwinkel der Druckerzwingungsfunktion herausströmt. Das heißt, wenn Brennstoff durch die stromabwärtige Niederdruckdüse in die Vormischerzone bei einem kleinen Phasenwinkel relativ zu der Druckerzwingungsfunktion abgegeben wird, besteht eine Fehlanpassung zwischen diesem Phasenwinkel und dem Phasenwinkel des Brennstoff 5, der dem Volumen durch die stromaufwärtige erste Hochdruckdüse zugeführt wird, relativ zu dem Phasenwinkel der Druckerzwingungsfunktion. Demzufolge besteht eine Notwendigkeit, ausreichend Brennstoff in dem eingeschlossenen Ansprechvolumen zu speichern, um einen Betriebszyklus zu vollenden. Das heißt, zu jedem Zeitpunkt kann Brennstoff mit einer schnelleren Geschwindigkeit in das Volumen hineinfließen als er herausfließt, oder Brennstoff kann aus dem Volumen schneller herausfließen als er hineinfließt. Diese sich aus den unterschiedlichen Phasenwinkeln ergebende Brennstoffdifferenz muß in dem Volumen gespeichert werden, und demzufolge muß das Volumen ausreichend bemessen sein, um diese Aufgabe zu erfüllen.
Nachdem nun die Erfindung im Hinblick auf das, was zur Zeit als deren praxisgerechteste Ausführungsform angesehen wird, beschrieben wurde, dürfte es für den Fachmann auf diesem Gebiet selbstverständlich sein, daß verschiedene Anderungen und Modifikationen ausgeführt werden können, welche trotzdem in den Schutzumfang der Erfindung fallen, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinen-Brennkammer (10) in einem mageren vorgemischten Verbrennungsmodus, wobei die Brennkammer diskrete Brennstoff- und Luftzufuhrsysteme und eine Brennstoff/Luft-Vorrnischerzone (12) aufweist, gekennzeichnet durch den Schritt, daß die dynamischen Druckansprechcharakteristiken der Brennstoff- und Luftzufuhrsysteme der Brennkammer im wesentlichen angepaßt werden, wenn sie der Vormischerzone Brennstoff und Luft zuführen, um Änderungen in der der Vormischerzone zugeführten Brennstoff/Luft-Konzentration im wesentlichen zu minimieren oder zu eliminieren, die aus Druckänderungen in der Vormischerzone resultieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem Brennstoffkanal, der einen Teil des Brennstoff-Zufuhrsystems bildet, eine erste Brennstofföffnung (52) ausgebildet wird, die einen ausreichenden Druckabfall liefert derart, daß der unmittelbar stromabwärtige Druck des Brennstoffes an den Verdichterausgangsdruck der Gasturbine angenähert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei in einem Luftkanal (46), der einen Teil des Luftzufuhrsystems bildet, ein Einlaß (48) ausgebildet wird zum Abgeben von Verdichterluft in die Vormischerzone.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine zweite Brennstofföffnung (56) in dem Brennstoffkanal ausgebildet wird, der einen Druckabfall derart liefert, daß die dynamischen Druckansprechcharakteristiken des Lufteinlasses (48) und der zweiten Brennstofföffnung (56) im wesentlichen aneinander angepaßt sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei in dem Brennstoffkanal zwischen den ersten und zweiten Öffnungen (52, 56) ein ausreichend bemessenes Volumen (54) ausgebildet wird, um genügend Brennstoff zu speichern, um die Fehlanpassung in dem Phasenwinkel von Brennstoff, der in das eingeschlossene Ansprechvolumen durch die erste Öffnung (52) bei einem ersten Phasenwinkel relativ zu dem Phasenwinkel von einer Druckänderung in der Vormischerzone strömt, und von Brennstoff aufzunehmen, der aus dem eingeschlossenen Ansprechvolumen durch die zweite Öffnung (56) bei einem zweiten Phasenwinkel relativ zu dem Phasenwinkel der Druckänderung strömt.

6. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinen-Brennkammer (10) in einem mageren vorgemischten Modus, wobei die Brennkammer diskrete Brennstoff- und Lufteinlässe (56, 48) und eine Brennstoff/Luft-Vormischerzone zum Empfangen des Brennstoffes und der Luft aufweist, gekennzeichnet durch den Schritt, daß dynmische Druckschwankungen in der Vormischerzone der Brennkammer verkleinert werden, die aus Vormischbrennstoff /Luft-Konzentrationsverhältnisoszillationen resultieren, indem der Druckabfall von Luft und Brennstoff über den Luft- und Brennstoffeinlässen (56, 48) zu der Vormischerzone im wesentlichen ausgeglichen wird.

7. Einrichtung zum Stabilisieren der Verbrennung in einer Gasturbinen-Brennkammer (10), die in einem mageren vorgemischten Modus betreibbar ist und eine Vormischerzone (12) aufweist, enthaltend:

ein Luftzufuhrsystem, das eine Öffnung (48) zum Liefern von Luft in die Vormischerzone (12) der Brennkammer enthält und einen vorbestimmten Druck stromaufwärts von der Öffnung (48) aufweist,

eine Düse mit einem Brennstoffkanal (54) zum Leiten von Brennstoff in die Vormischerzone (12) der Brennkammer (10),

wobei der Brennstoffkanal (54) eine Auslaßöffnung (56) aufweist zum Zuführen von Brennstoff in die Vormischerzone (12),

gekennzeichnet durch

eine stromaufwärts von der Brennstoffauslaßöffnung (56) angeordnete Einrichtung zum Reduzieren des Brennstoffdruckes stromaufwärts von der Brennstoffauslaßöffnung (56) auf etwa den vorbestimmten Druck, wobei die Luftzufuhröffnung (48) und die Brennstoffauslaßöffnung (56) im wesentlichen den gleichen Druckabfall haben, wodurch Druckschwankungen in der Vormischerzone (12), die aus Brennstoff/Luft- Konzentrations-Oszillationen resultieren, im wesentlichen minimiert oder eliminiert sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, wobei ein Volumen (54) in dem Brennstoffkanal stromaufwärts von der Brennstoffauslaßöffnung (56) vorgesehen ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, wobei die Reduziereinrichtung eine Öffnung (52) in dem Brennstoffkanal stromaufwärts von der Brennstoffauslaßöffnung (56), wobei die stromaufwärtige Öffnung (52) einen höheren Druckabfall liefert als den Druckabfall iber der Brennstoffauslaßöffnung (56), und ein Volumen in dem Brennstoffkanal zwischen den stromaufwärtigen und Brennstoffauslaßöffnungen (52, 56) auf im wesentlichen dem gleichen Druck wie der vorbestimmte Druck aufweist und ausreichend bemessen ist, um genügend Brennstoff zu speichern, um jede Fehlanpassung in dem Phasenwinkel von Brennstoff, der in das Volumen durch die stromaufwärtige Öffnung (52) bei einem ersten Phasenwinkel relativ zu dem Phasenwinkel von irgendeiner Druckschwankung in der Vormischerzone (12) strömt, und Brennstoff aufzunehmen, der aus dem Volumen durch die Auslaßöffnung (56) bei einem zweiten Phasenwinkel relativ zu dem Phasenwinkel der Druckschwankung strömt.