DE69617290T2

DE69617290T2 - Combustion device for gas turbine engine

Info

Publication number: DE69617290T2
Application number: DE1996617290
Authority: DE
Inventors: Simon Mario De Pietro; Mahmoud Kowkabi; Eric Roy Norster
Original assignee: Alstom Power UK Holdings Ltd
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-01-13
Filing date: 1996-01-15
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2016-01-16
Also published as: EP0728989A2; DE69617290D1; EP0728989B1; JPH08240129A; EP0728989A3

Description

Die Erfindung betrifft Verbrennungsgeräte für Gasturbinenmotoren einschließlich der dazugehörigen, aus Brenner und Zündvorrichtung bestehenden Teile. Sie betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich Verbrennungsgeräte, die sich zur Aufrechterhaltung von brennstoffarmen Verbrennungen eignen.The invention relates to combustion devices for gas turbine engines, including the associated parts consisting of burners and ignition devices. It relates in particular, but not exclusively, to combustion devices suitable for maintaining low-fuel combustion.

Gasturbinen werden über einen weiten Bereich für die Bedingungen von Motorgeschwindigkeit und Belastung betrieben, welche von den Startbedingungen über verschiedene Zustände aus Motorgeschwindigkeit und Belastung bis zu einem Maximum variieren. Typischerweise müssen Gasturbinen-Verbrennungsgeräte-Systeme Bauteile umfassen, die die Funktionen für das Einblasen von Brennstoff, Zündung und anschließende Aufrechterhaltung mindestens einer Zündflamme ausüben. Die Erfindung hat zum Ziel, die Verbrennungsgerät-Systeme in Bezug auf derartige Bauteile zu verbessern.Gas turbines are operated over a wide range of engine speed and load conditions, which vary from starting conditions through various engine speed and load conditions to a maximum. Typically, gas turbine combustion systems must include components that perform the functions of injecting fuel, igniting and then maintaining at least one pilot flame. The invention aims to improve combustion systems with respect to such components.

Für Verbrennungsgeräte zum brennstoffarmen Verbrennen (bei denen stromaufwärts der Verbrennungszone mehr Luft mit dem Brennstoff vermischt wird als im Falle von Verbrennungsgeräten, welche Flammen vom Diffusionstyp aufweisen), ist es wohlbekannt, daß die Flammenstabilität in den niedrigeren Lastbereichen schwierig zu erzielen ist, weil der Verbrennungsprozess nahe der Grenze des schwachen Erlöschens des Luft/Brennstoff-Gemisches betrieben wird. Dies führt zur Verwendung von Verbrennungsgerätanordnungen, bei denen ein Hauptbrennstoff- Einblasgerät oder -Brenner betrieben wird, um ein brennstoffarmes Gemisch für eine brennstoffarme Verbrennung bei hohen Lasten zu erzeugen, sowie ein Hilfsbrennstoff-Einblasgerät oder -Brenner, um ein brennstoffreiches Gemisch für eine Verbrennung vom Diffusionstyp bei niedrigerer Last zu erzeugen, wenn die brennstoffarme Verbrennung wahrscheinlich instabil ist. Der Hilfsbrenner wird nicht nur zum Initiieren der Verbrennung sondern auch dazu verwendet, um eine brennstoffarme Verbrennung während des Startens und des Betriebes des Motors mit Teillast zu unterhalten, wobei ein allmählicher Übergang der Versorgung mit Brennstoff von dem Hilfsbrenner zum Hauptbrenner in dem Maße stattfindet, wie sich die Verbrennungsstabilität erhöht. Leider führt die Verwendung eines derartigen Hilfsbrenners zu unerwünschten Verunreinigungen, die zufolge des fetten Gemisches bei Teillastbetriebsbedingungen des Gasturbinenmotors erzeugt werden.For fuel-lean combustion devices (where more air is mixed with the fuel upstream of the combustion zone than in the case of combustion devices having diffusion-type flames), it is well known that flame stability is difficult to achieve in the lower load ranges because the combustion process is operated near the limit of weak extinction of the air/fuel mixture. This leads to the use of combustion device arrangements in which a main fuel injector or burner is operated to produce a fuel-lean mixture for fuel-lean combustion at high loads and an auxiliary fuel injector or burner to produce a fuel-rich mixture for diffusion-type combustion at lower loads when fuel-lean combustion is likely to be unstable. The auxiliary burner is used not only to initiate combustion but also to maintain fuel-lean combustion during engine start-up and operation. at part load, with a gradual transition of the fuel supply from the auxiliary burner to the main burner as the combustion stability increases. Unfortunately, the use of such an auxiliary burner leads to undesirable impurities generated due to the rich mixture at part load operating conditions of the gas turbine engine.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Brenners, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich eines Hilfsbrenners, der in der Lage ist, die Stabilität der brennstoffarmen Verbrennung in einem Verbrennungsgerät über einen weiten Bereich von Motorlastbedingungen zu verbessern und die Erzeugung von Verunreinigungen unter Teillastbedingungen des Garturbinenmotors zu verringern.The object of the invention is therefore to provide a burner, in particular but not exclusively an auxiliary burner, which is capable of improving the stability of the fuel-lean combustion in a combustion device over a wide range of engine load conditions and of reducing the generation of contaminants under part load conditions of the gas turbine engine.

Ein Beispiel für eine Verbrennungsgerät-Anordnung zum brennstoffarmen Verbrennen für eine Gasturbine ist in der veröffentlichten Patentanmeldung GB2287312A, insbesondere Fig. 1 bis 4, dargestellt. Dort wird ein Verbrennungsgerät mit mehreren Stufen gezeigt, bei dem die erste Stufe aus einer Verbrennungskammer mit kleinem Durchmesser besteht, die einen Hilfsbrenner aufweist, welcher auf ihrer Längsachse liegt. Ein Vormisch-Hauptbrenner ist stromabwärts und radial außerhalb des Hilfsbrenners angeordnet, um ein vorgemischtes, verwirbeltes Brennstoff/Luftgemisch radial in die Kammer einzublasen. Beim Zünden des Verbrennungsgeräts wird Brennstoff von einem zentralen Teil des Hilfsbrenners durch eine Zündvorrichtung, die in der Mitte des Hilfsbrenners angeordnet ist, zum Zünden versprüht. Gleichzeitig wird ein Teil des Hilfsbrennstoffs außerdem innerhalb des Hilfsbrenners mit Luft vermischt und als ein vorgemischtes, verwirbeltes Brennstoff/Luft-Gemisch aus einem peripheren Teil des Hilfsbrenners zur Zündvorrichtungen, die in der Nähe der Vrennungsgerät-Wand angeordnet sind, zum Zünden ausgestoßen. Der Zweck dieser Anordnung besteht darin, daß während des Zündens der Brennstoffspray und das vorgemischte Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb der kleinen Verbrennungskammer unter Ausbildung einer stabilen, brennstoffreichen Flamme vom Diffusionstyp miteinander vermischt werden sollen. Wenn dann die Brennstoffmenge, die dem Verbrennungsgerät zugeführt wird, zum Aufbau der Leistung der Turbine erhöht wird, wird der der Hilfsdüse zugeführte Brennstoffstrom in den Hauptbrenner umgelenkt, wobei mit dem Brennstoffstrom zum mittigen Teil der Hilfsdüse begonnen wird, so daß ein vollständig brennstoffarmes Verbrennen so schnell wie möglich begonnen wird.An example of a fuel-lean combustor arrangement for a gas turbine is shown in published patent application GB2287312A, particularly Figs. 1 to 4. Therein a multi-stage combustor is shown in which the first stage consists of a small diameter combustion chamber having an auxiliary burner lying on its longitudinal axis. A premix main burner is arranged downstream and radially outward of the auxiliary burner for injecting a premixed, swirled fuel/air mixture radially into the chamber. On ignition of the combustor, fuel is sprayed from a central part of the auxiliary burner by an ignition device arranged in the centre of the auxiliary burner for ignition. At the same time, a portion of the auxiliary fuel is also mixed with air within the auxiliary burner and expelled as a premixed, swirled fuel/air mixture from a peripheral part of the auxiliary burner to ignition devices arranged near the combustor wall for ignition. The purpose of this arrangement is that during ignition the fuel spray and the premixed fuel/air mixture within the small combustion chamber to form a stable, fuel-rich flame of the diffusion type are to be mixed together. Then, when the amount of fuel supplied to the combustion device is increased to build up the power of the turbine, the fuel flow supplied to the auxiliary nozzle is diverted to the main burner, starting the fuel flow to the central part of the auxiliary nozzle so that complete fuel-lean combustion is started as quickly as possible.

Es wird behauptet, daß die oben erwähnte Anordnung des Standes der Technik eine niedrige NOx-Verbrennung über den gesamten Gasturbinen-Leistungsbereich ermöglicht, daß jedoch ein Nachteil in der Anzahl von Zündquellen liegt, die zur Unterhaltung einer stabilen Verbrennung erforderlich sein kann; in den Fig. 3 und 4 der bekannten Anmeldung sind vier Zündvorrichtungen oder sogenannte "Mikrobrenner" als Zündquellen für den ersten und den kleinsten Durchmesser aufweisenden Verbrennungsbereich des Verbrennungsgerätes dargestellt. Dies führt zu einem unerwünschten Ausmaß von Kompliziertheit und von Produktionskosten bei dieser Anlage. Außerdem ist es wohlbekannt, daß Zündvorrichtungen für Gasturbinen-Verbrennungsgeräte ernsten Schaden erleiden können, wenn sie der kontinuierlichen Hitze ausgesetzt sind, die innerhalb eines arbeitenden Verbrennungsgerätes erzeugt wird.It is claimed that the above-mentioned prior art arrangement enables low NOx combustion over the entire gas turbine power range, but that a disadvantage is the number of ignition sources that may be required to maintain stable combustion; in Figures 3 and 4 of the prior application, four igniters or so-called "micro-burners" are shown as ignition sources for the first and smallest diameter combustion region of the combustor. This introduces an undesirable level of complexity and production cost into this system. In addition, it is well known that igniters for gas turbine combustors can suffer serious damage when exposed to the continuous heat generated within an operating combustor.

Es ist daher ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Änordnung für ein Verbrennungsgerät zur brennstoffarmen Verbrennung sowie ein Verfahren zur Unterhaltung einer brennstoffarmen Verbrennung zu schaffen, die es zwar ermöglichen, mindestens den Hauptteil der Brennstoffzufuhr von dem Verbrennungsprozess mit Diffusion auf einen Verbrennungsprozess mit brennstoffarmer Verbrennung bei Niedriglast der Gasturbine zu überführen, jedoch auch eine hinreichende Verbrennungsstabilität gewährleisten, so daß eine einzige, einfache Zündquelle verwendet werden kann.It is therefore a further aim of the invention to provide an arrangement for a combustion device for fuel-poor combustion and a method for maintaining fuel-poor combustion which make it possible to transfer at least the majority of the fuel supply from the combustion process with diffusion to a combustion process with fuel-poor combustion at low load of the gas turbine, but also ensure sufficient combustion stability so that a single, simple ignition source can be used.

Um die Kosten und die Kompliziertheit für Herstellung und Unterhaltung zu verringern, ist es erwünscht, die Anzahl von getrennten Verbrennungsstufen, welche in das Verbrennungsgerät eingebaut werden müssen, auf ein Minimum herabzudrücken.In order to reduce the cost and complexity of manufacturing and maintenance, it is desirable to reduce the number of separate combustion stages, which must be built into the combustion device, to a minimum.

Aufgabe der Erfindung ist daher des weiteren die Schaffung einer Verbrennungs-Gerätvorrichtung zur brennstoffarmen Verbrennung, bei welcher eine stabile brennstoffarme Verbrennung über einen weiten Bereich von Motorleistungen aufrecht erhalten werden kann, wobei lediglich ein Hilfsbrenner und ein Hauptbrenner zusammenarbeiten, um brennstoffreiche bzw. brennstoffarme Gemische in das Verbrennungsgerät einzublasen.The object of the invention is therefore further to create a combustion device for fuel-poor combustion, in which a stable fuel-poor combustion can be maintained over a wide range of engine power, with only an auxiliary burner and a main burner working together to blow fuel-rich or fuel-poor mixtures into the combustion device.

Aus Gründen der Verminderung der Kosten und der Kompliziertheit ist es außerdem weiter wünschenswert, die Anzahl von getrennten Bestandteilen (wie beispielsweise Brennerteilen und dazugehörigen Brennstoffdurchlässen und -leitungen), welche zum Unterhalten der Verbrennung bei sowohl der Verbrennung mit Diffusion als auch der brennstoffarmen Verbrennung benötigt werden, auf ein Minimum herabzudrücken.In order to reduce cost and complexity, it is also further desirable to minimize the number of separate components (such as burner parts and associated fuel passages and ducts) required to sustain combustion in both diffusion and fuel-lean combustion.

Es ist daher weiter Aufgabe der Erfindung, eine Brenneranordnung für ein Verbrennungsgerät einer Gasturbine zu schaffen, bei welchem der Hilfsbrenner und der Hauptbrenner kompakt und zweckmäßig miteinander in dem Kopf des Verbrennungsgerätes kombiniert sind.It is therefore a further object of the invention to provide a burner arrangement for a combustion device of a gas turbine, in which the auxiliary burner and the main burner are compactly and expediently combined with one another in the head of the combustion device.

Aus der Patentschrift GB 1465689 ist eine Verbrennungskammer für einen Boiler oder dergleichen bekannt, bei der ein zylindrisches Flammrohr mit einem Brenner vorgesehen ist, in welchem Verbrennungsluft tangential aus einem Umfangsbereich am stromaufwärts liegenden Ende des Rohres in das Flammrohr geblasen wird. Dieses verursacht einen Luftstrom mit einer verwirbelnden tangentialen und axialen Komponente längs der Innenoberfläche des Flammrohrs in Richtung auf dessen stromabwärtiges Ende und einen Gegenstrom von Luft zurück in Richtung auf das stromaufwärtige Ende, wo Brennstoff eingeblasen wird. Jedoch besitzt das Verbrennungsgerät keine Einrichtung für eine getrennte Zufuhr von Hilfsbrennstoff sowie Hauptbrennstoff, und der zugeführte Brennstoff wird auch nicht mit verwirbelter Luft vorgemischt, bevor er in die Kammer eingeblasen wird. Daher kann diese bekannte Technik nicht für eine brennstoffarme und wenig NOx erzeugende Verbrennung in einem Motor einer Gasturbine verwendet werden.From the patent specification GB 1465689 a combustion chamber for a boiler or the like is known, in which a cylindrical flame tube with a burner is provided, in which combustion air is blown tangentially from a peripheral region at the upstream end of the tube into the flame tube. This causes an air flow with a swirling tangential and axial component along the inner surface of the flame tube towards its downstream end and a counterflow of air back towards the upstream end where fuel is blown in. However, the combustion device has no device for a separate supply of auxiliary fuel and main fuel, and the supplied fuel is also not swirled Air is premixed before it is blown into the chamber. Therefore, this known technique cannot be used for fuel-lean and low-NOx combustion in a gas turbine engine.

Gemäß der Erfindung besitzt ein Verbrennungsgerät zum brennstoffarmen Verbrennen für einen Gasturbinenmotor einen allgemein kreisförmigen Querschnitt und weist in Strömungsrichtung der Verbrennung einen Kopfteil mit einer Brenneranordnung, eine Vorbrennkammer und eine Hauptbrennkammer auf, wobei die Vorbrennkammer einen wesentlich geringeren Querschnitt als die Hauptbrennkammer besitzt, die Brenneranordnung ein Mittel zur Luftverwirbelung sowie ein Mittel zum Einblasen der Hauptmenge an Brennstoff aufweist, welches derart angeordnet ist, daß es Brennstoff in das Mittel zum Verwirbeln einbläst und dadurch ein brennstoffarmes Gemisch aus Brennstoff und Luft in dem Mittel zum Verwirbeln erzeugt, das Mittel zum Verwirbeln die Peripherie eines stromaufwärts liegenden Teils der Vorbrennkammer bildet und derart angeordnet ist, das es das Gemisch aus Brennstoff und Luft mit einer radial einwärts gerichteten Wirbelbewegung in die Vorbrennkammer einbläst, die Brenneranordnung außerdem einen Brennstoffversorgungskörper- Abschnitt aufweist, der Brennstoffversorgungsdurchlässe zum heranführen von Brennstoff zu dem Mittel zum Einblasen der Hauptmenge an Brennstoff besitzt, das Mittel zum Verwirbeln an der im wesentlichen ebenen, stromabwärts gerichteten Oberfläche des Brennstoffversorgungskörpers befestigt ist, die Brenneranordnung außerdem einen auf der Achse des Verbrennungsgerätes angeordneten Hilfsbrenner aufweist, um einen Verbrennungsvorgang vom Diffusionstyp in der Vorbrennkammer durch Einblasen von Brennstoff zu unterhalten, der Brennstoffversorgungskörper-Abschnitt der Brenneranordnung einen radial außen sitzenden Brennstoffversorgungskörper, an dem das Mittel zum Verwirbeln befestigt ist, sowie einen radial innen sitzenden Brennstoffversorgungskörper aufweist, der innerhalb des äußeren Brennstoffversorgungskörpers angeordnet ist, und der innere Brennstoffversorgungskörper durch Einschluß von Hilfsbrennstoff-Einblasmitteln und Brennstoffversorgungsdurchlässen, die zu den Hilfsbrennstoff-Einblasmitteln führen, den Hilfsbrenner darstellt.According to the invention, a fuel-lean combustion device for a gas turbine engine has a generally circular cross-section and comprises, in the direction of combustion flow, a head portion with a burner assembly, a pre-combustion chamber and a main combustion chamber, the pre-combustion chamber having a substantially smaller cross-section than the main combustion chamber, the burner assembly comprising a means for air swirling and a means for injecting the main quantity of fuel, which is arranged such that it injects fuel into the means for swirling and thereby produces a fuel-lean mixture of fuel and air in the means for swirling, the means for swirling forms the periphery of an upstream part of the pre-combustion chamber and is arranged such that it injects the mixture of fuel and air into the pre-combustion chamber with a radially inwardly directed swirling movement, the burner assembly further comprises a fuel supply body portion which has fuel supply passages for supplying fuel to the means for injecting the main quantity of fuel, the means for swirling at the in substantially flat, downstream surface of the fuel supply body, the burner assembly further comprises an auxiliary burner arranged on the axis of the combustion device to maintain a diffusion type combustion process in the pre-combustion chamber by injection of fuel, the fuel supply body portion of the burner assembly comprises a radially outer fuel supply body to which the swirling means is attached and a radially inner fuel supply body arranged within the outer fuel supply body, and the inner fuel supply body by including auxiliary fuel injection means and fuel supply passages which to the auxiliary fuel injection means, which represents the auxiliary burner.

Zweckmäßigerweise kann in dem Hilfsbrenner eine Zündquelle zum Zünden des Verbrennungsvorganges angeordnet sein.An ignition source for igniting the combustion process can expediently be arranged in the auxiliary burner.

Vorzugsweise enthält der Hilfsbrenner weiter ein Lufteinblasmittel, und die Hilfsbrennstoff-Einblasmittel umgeben das Lufteinblasmittel im wesentlichen konzentrisch und sind derart gestaltet, daß sie den Brennstoff in Richtung auf das Lufteinblasmittel einblasen, um innerhalb der Vorbrennkammer außerhalb des Hilfsbrenners ein brennstoffreiches Gemisch aus Luft und Brennstoff zu erzeugen. Das Lufteinblasmittel ist derart gestaltet, daß es eine auseinandergehende, verwirbelte Luftsäule von kreisförmigem Querschnitt vom Hilfsbrenner weg in die Vorbrennkammer ausstößt.Preferably, the auxiliary burner further includes an air injection means, and the auxiliary fuel injection means substantially concentrically surround the air injection means and are configured to inject the fuel toward the air injection means to produce a fuel-rich mixture of air and fuel within the pre-combustion chamber outside the auxiliary burner. The air injection means is configured to eject a diverging, swirling column of air of circular cross-section away from the auxiliary burner into the pre-combustion chamber.

Die Erfindung wird des weiteren in den Ansprüchen definiert.The invention is further defined in the claims.

Die relativen Mengen an Luft, Hilfsbrennstoff und Hauptbrennstoff, die in die Verbrennüngskammer eingeblasen werden, müssen untereinander derart verändert werden, daß beim Starten und unter Teillast des Motors das Brennstoff/Luft-Gemisch in der geschützten Verbrennungszone hinreichend brennstoffreich ist, um eine stabile Verbrennung für den Gesamtverbrennungsprozess aufrecht zu erhalten, das heißt für die Verbrennung innerhalb des Verbrennungsgerätes im Ganzen gesehen. Um die Erzeugung von Schadstoffen (Verunreinigungen) auf ein Minimum herabzudrücken, wenn sich die Bedingungen, unter denen der Motor läuft, vom Starten über Teillast auf Vollast verändern, muß der Gesamtverbrennungsprozess zwischen brennstoffreich und brennstoffarm variieren, wobei die Menge an Hilfsbrennstoff, die als Anteil der Gesamtbrennstoffmenge eingeblasen wird, von wesentlich unter 50% beim Start auf die überwiegende menge bei voller Geschwindigkeit mit geringster Last und etwa 0% bei voller Geschwindigkeit und Vollast variiert wird. Die Einrichtung einer geschützten Verbrennungszone erleichtert den früheren Übergang des Gesamtverbrennungsprozesses von dem brennstoffreichen zum brennstoffarmen Zustand.The relative amounts of air, auxiliary fuel and main fuel injected into the combustion chamber shall be varied so that at start-up and at part load of the engine the fuel/air mixture in the protected combustion zone is sufficiently fuel-rich to maintain stable combustion for the overall combustion process, that is, for combustion within the combustion device as a whole. In order to minimize the generation of pollutants (impurities) as the conditions under which the engine is operated change from start-up through part load to full load, the overall combustion process shall vary between fuel-rich and fuel-lean, with the amount of auxiliary fuel injected as a proportion of the total fuel quantity being varied from substantially less than 50% at start-up to the predominant amount at full speed with the lightest load and about 0% at full speed and full load. The provision of a protected combustion zone facilitates the earlier Transition of the overall combustion process from the fuel-rich to the fuel-lean state.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert, worin darstellen:Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings, in which:

Fig. 1 einen Teil-Seitenriß des stromaufwärtigen Endes eines sogenannten "trockenen, wenig NOx-Verbindungen abgebenden" Verbrennungstopfes zur brennstoffarmen Verbrennung, welcher eine Zündeinrichtung, einen Brenner und eine Verbrennungsstabilisierungseinrichtung gemäß der Erfindung aufweist;Fig. 1 is a partial side elevation of the upstream end of a so-called "dry, low NOx" combustion pot for fuel-lean combustion, which has an ignition device, a burner and a combustion stabilization device according to the invention;

Fig. 2 einen vergrößerten vollständigen Schnitt eines Teils von Fig. 1 undFig. 2 is an enlarged complete section of a part of Fig. 1 and

Fig. 3 einen Schnitt ähnlich Fig. 2, jedoch durch einen anderen diametralen Abschnitt, um Einzelheiten, die nicht in Fig. 2 dargestellt sind, zu zeigen.Fig. 3 is a section similar to Fig. 2, but through a different diametrical section to show details not shown in Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 ist ein Verbrennungsgerät 100 dargestellt, das in der allgemeinen Ausbildung demjenigen gleicht, das in der parallelen Anmeldung GB 9500627.6, die das Prioritätsdokument für vorliegendes Patent darstellt, gleicht. Das Verbrennungsgerät 100 enthält einen Verbrennungstopf 102, der einen von mehreren derartiger Töpfe darstellt, die rund um den Umfang des Gasturbinenmotors angeordnet sind. Jeder Topf 102 besitzt eine Hauptverbrennungskammer 103 mit einem verhältnismäßig großen Durchmesser D über den größten Teil ihrer axialen Länge, gemessen längs der Längsachse oder Mittellinie CL des Topfes, doch in der Nähe des stromaufwärtigen oder Kopfendes des Verbrennungsgerätes verengt sich die Hauptkammer 103 verhältnismäßig abrupt zu einem kleineren Innendurchmesser d, wobei eine sogenannte "Vorkammer" 141 des Topfes 102 gebildet wird. Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf diesen allgemein zylindrischen Typ des Verbrennungstopfes beschrieben wird, ist sie nicht notwendigerweise darauf beschränkt, weil einige beanspruchte Merkmale auf den ringförmigen Verbrennungsgerätetyp anwendbar sind.Referring to Figure 1, there is shown a combustion device 100 which is similar in general design to that shown in copending application GB 9500627.6 which is the priority document for the present patent. The combustion device 100 includes a combustion can 102 which is one of a number of such cans arranged around the periphery of the gas turbine engine. Each can 102 has a main combustion chamber 103 of relatively large diameter D over most of its axial length measured along the longitudinal axis or centre line CL of the can, but near the upstream or head end of the combustion device the main chamber 103 narrows relatively abruptly to a smaller internal diameter d, forming a so-called "pre-chamber" 141 of the can 102. Although the invention is described with reference to this generally cylindrical type of combustion pot, it is not necessarily limited thereto, since some claimed features are applicable to the annular type of combustion device.

Jeder Topf 102 ist mit einer Brenneranordnung (oder Einblasanordnung für gasförmigen Brennstoff) 104 versehen, die den Kopf des Verbrennungsgerätes und einen Teil der Vorkammer 141 umfaßt. In der Anordnung 104 ist eine mittige, zylindrische Zündvorrichtung 110 in einer mittigen Bohrung 112 eines Hilfsbrenners 114 auf der Achse CL des Topfes 102 angeordnet. Seinerseits ist der Hilfsbrenner 114 innerhalb einer mittigen Bohrung 116 eines Hauptbrenners 118 angeordnet oder in diese eingepaßt. Der Hauptbrenner 118 umfaßt einen Brennstoffversorgungskörper 120 und Verwirbelungsdurchlässe 122, welche in eine Verwirbelungseinrichtung 123 eingearbeitet sind, die an der Rückseitenfläche 124 des Brennstoffversorgungskörpers 120 befestigt ist. Die Verwirbelungsdurchlässe 122 erstrecken sich schräg zum Umfang der Vorkammer 141, so daß der Strom, der aus ihnen austritt, sowohl eine radiale auch als eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente im Verhältnis zur Vorkammer aufweist. Die Verwirbelungseinrichtung 123 ist radial auswärts des Hilfsbrenners 114 angeordnet, jedoch konzentrisch mit ihm und unmittelbar stromabwärts (rückseitig) von ihm, so daß sie die Peripherie des am meisten stromaufwärts liegenden Teils der Vorkammer 141 bildet oder diese definiert, Wegen weiterer Einzelheiten der Verwirbelungseinrichtung, die der Verwirbelungseinrichtung 123 ähnelt, wird auf die Patentanmeldung GB 9500627.6 verwiesen.Each pot 102 is provided with a burner assembly (or gaseous fuel injection assembly) 104 which comprises the head of the combustion device and a portion of the prechamber 141. In the assembly 104, a central, cylindrical igniter 110 is disposed in a central bore 112 of an auxiliary burner 114 on the axis CL of the pot 102. In turn, the auxiliary burner 114 is disposed within or fitted into a central bore 116 of a main burner 118. The main burner 118 includes a fuel supply body 120 and swirl passages 122 which are machined into a swirler 123 which is secured to the rear surface 124 of the fuel supply body 120. The swirl passages 122 extend obliquely to the periphery of the prechamber 141 so that the flow exiting them has both a radial and a tangential velocity component relative to the prechamber. The swirl device 123 is arranged radially outward of the auxiliary burner 114 but concentric with it and immediately downstream (rear) of it so that it forms or defines the periphery of the most upstream part of the prechamber 141. For further details of the swirl device, which is similar to the swirl device 123, reference is made to patent application GB 9500627.6.

Beim Betrieb wird das Bernnstoff/Luft-Gemisch aus den Brennern in einer Verbrennungszone 106 verbrannt, deren Ausmaß in etwa durch eine gestrichelte, gerade Linie angegeben ist, wobei die Längsachse der Zone 106 etwa mit der Achse CL des Topfes zusainmenfällt. Tatsächlich ist die gestrichelte Gerade 106 etwa die Stelle der Flammfront innerhalb des Topfes 102, wobei die wirkliche Gestalt der Flammfront wahrscheinlich glockenförmig ist, wie durch die gestrichtelte Linie 106' angedeutet, wobei der am meisten nach außen erweiterte Teile der Glockenform sich stromabwärts vom Ausgang der Vorkammer 141 erstreckt.In operation, the fuel/air mixture from the burners is burned in a combustion zone 106, the extent of which is approximately indicated by a dashed straight line, the longitudinal axis of the zone 106 approximately coinciding with the axis CL of the pot. In fact, the dashed straight line 106 is approximately the location of the flame front within the pot 102, the actual shape of the flame front probably being bell-shaped, as indicated by the dashed line 106', with the most outwardly expanded part of the bell shape extending downstream from the exit of the prechamber 141.

Ein Bodenbereich oder eine Unterzone 107 der Verbrennungszone 106 ist in der Vorkammer 141 in der Nähe des Hilfsbrenners 114 innerhalb der Brenneranordnung 104 vorhanden und durch Kreuzschraffur dargestellt. Die Gesamtverbrennung in dem Verbrennungstopf 102 wird beim Start und beim Betrieb mit geringer Motorlast durch Verbrennung eines brennstoffreichen Brennstoff/Luft-Gemisches im Bereich 107 initiiert und aufrecht erhalten, wie weiter unten erläutert, wobei das Gemisch, wie es im Bereich 107 verbrannt wird, bei diesen Motorbelastungen reich ist, um eine stabile Verbrennung sicherzustellen. Jedoch ist der Gesamtverbrennungsprozess mindestens bei höherer Teillast und Vollast brennstoffarm und findet zum größten Teil in der Hauptverbrennungskammer 103 im Hauptbereich 108 der Verbrennungszone statt.A bottom area or sub-zone 107 of the combustion zone 106 is in the prechamber 141 near the auxiliary burner 114 within the burner assembly 104 and is shown by cross-hatching. The overall combustion in the combustion can 102 is initiated and maintained at start-up and during operation at low engine loads by combustion of a fuel-rich fuel/air mixture in region 107, as discussed below, the mixture as burned in region 107 being rich at these engine loads to ensure stable combustion. However, at least at higher part load and full load, the overall combustion process is fuel-lean and takes place for the most part in the main combustion chamber 103 in the main region 108 of the combustion zone.

Innerhalb des Hilfs- und Hauptbrenners 114,118 sind Hilfs- und Hauptbrennstoff-Versorgungsdurchlässe 126 bzw. 128 zusammen mit Hilfsluftversorgungsdurchlässen für den Hilfsbrenner vorhanden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Einzelheiten der Brennstoff- und Luftdurchlässe für den Hilfsbrenner 114 und ihr Betrieb in Fig. 1 nicht dargestellt, werden jedoch weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 beschrieben.Within the auxiliary and main burners 114,118, there are auxiliary and main fuel supply passages 126 and 128, respectively, together with auxiliary air supply passages for the auxiliary burner. For clarity, the details of the fuel and air passages for the auxiliary burner 114 and their operation are not shown in Fig. 1, but are described below in connection with Figs. 2 and 3.

Was den Betrieb des Hauptbrenners 118 betrifft, so wird durch den Haupteinlaßdurchtritt 128 für gasförmigen Brennstoff in dem Brennstoffversorgungskörper 120 ein erster Stollen 130 beschickt, welcher seinerseits durch Bohrungen 131 mit einem zweiten Stollen 132 verbunden ist. Von hier aus entnehmen Bohrungen 134 den Brennstoff, der entweder unmittelbar von der rückseitigen Fläche 124 des Brennstoffversorgungskörpers 120 aus in die Einlässe der Strömungsdurchlässe in der Verwirbelungseinrichtung 122 oder von Einblasrohren 136 aus einzublasen ist. Der gasförmige Brennstoff vermischt sich dadurch leicht mit der Druckluft 138, wenn die Luft von den Verwirbelungsdurchlässen 122 aus in Richtung auf die Achse CL des Topfes 102 einwärts strömt. Die Menge an Luft im Verhältnis zu der Brennstoffmenge wird derart gewählt, daß ein brennstoffarmes Gemisch erhalten wird. Die Verwirbelungsdurchtritte 122 verleihen dem Brennstoff/Luft-Gemisch 139 eine Dreh- oder Wirbelbewegung, wenn es durch sie hindurch tritt, wobei die Bewegung kreisend wird, wenn das Gemisch die Wirbeldurchlässe verläßt und um die Achse CL herum und radial einwärts in Richtung auf die Verbrennungszone 106 strömt. Die Luft 138 für den Hauptbrenner 118 wird dem Bereich 140, der den Verbrennungstopf 102 umgibt, entnommen und in üblicher Weise von dem (nicht dargestellten) Kompressor für die Gasturbine geliefert.As regards the operation of the main burner 118, the main inlet passage 128 for gaseous fuel in the fuel supply body 120 feeds a first tunnel 130 which in turn is connected by bores 131 to a second tunnel 132. From here, bores 134 take the fuel which is to be blown either directly from the rear surface 124 of the fuel supply body 120 into the inlets of the flow passages in the swirl device 122 or from blowing pipes 136. The gaseous fuel thus mixes easily with the compressed air 138 when the air flows inward from the swirl passages 122 in the direction of the axis CL of the pot 102. The amount of air in relation to the amount of fuel is selected such that a fuel-lean mixture is obtained. The swirling passages 122 impart a rotating or swirling motion to the fuel/air mixture 139 as it passes through them, the motion circulates as the mixture exits the swirl passages and flows around the axis CL and radially inward toward the combustion zone 106. The air 138 for the main burner 118 is taken from the region 140 surrounding the combustion pot 102 and is supplied in the usual manner by the compressor (not shown) for the gas turbine.

Wenn Brennstoff und Luft die Verwirbelungseinrichtung 123 verlassen, sind sie noch nicht vollständig miteinander vermischt (insbesondere, wenn hohe Motorleistungen erforderlich und verhältnismäßig große Mengen an Brennstoff und Luft miteinander zu vermischen sind), so daß weitere Ausgleichzeiten erforderlich werden, bevor das Gemisch zum Verbrennen in einem brennstoffarmen Verbrennungsverfahren fertig ist. Wie oben erwähnt, besitzt das Verbrennungsgerät einen engen Vorkammerabschnitt 141 vom Durchmesser d, und für die brennstoffarme Verbrennung, die stromabwärts davon im Bereich 108 stattfindet, liefert die Länge L des engen Abschnittes die zusätzliche Zeit, die zur vollständigen Vermischung erforderlich ist.When fuel and air leave the swirler 123, they are not yet fully mixed (particularly when high engine powers are required and relatively large amounts of fuel and air are to be mixed) so that additional equilibration times are required before the mixture is ready for combustion in a fuel-lean combustion process. As mentioned above, the combustion device has a narrow pre-chamber section 141 of diameter d and for the fuel-lean combustion taking place downstream of this in region 108, the length L of the narrow section provides the additional time required for complete mixing.

Es ist wichtig sicherzustellen, daß sich die Verbrennung nicht gegen die Strömung des Brennstoff/Luft-Gemisches vom Hauptbrenner 118 ausbreitet oder daß sie zurückschlägt und auf die Verwirbelungseinrichtung 123 trifft, da die Verbrennungswärme diese Vorrichtung und den Rest des Brenners beschädigen würde. Der enge Vorkammerabschnitt 141 des Topfes verhütet dies dadurch, daß er (nach Art einer Venturidüse) sicherstellt, daß die stromabwärts gerichtete Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches nach seinem Austritt aus den Durchwirbelungsdurchtritten größer ist als die stromaufwärts gerichtete Ausbreitungsgeschwindigkeit des Verbrennungsprozesses. Außerdem hält die hohe Verwirbelungsgeschwindigkeit des brennstoffarmen Gemisches in der Vorkammer 141 die Verbrennung im Bereich 107 von der Wand der Vorkammer fern.It is important to ensure that combustion does not propagate against the flow of fuel/air mixture from the main burner 118 or that it backfires and hits the swirler 123 as the heat of combustion would damage that device and the rest of the burner. The narrow pre-chamber section 141 of the pot prevents this by ensuring (like a venturi) that the downstream flow velocity of the mixture after it exits the swirl passages is greater than the upstream propagation velocity of the combustion process. In addition, the high swirl velocity of the fuel-lean mixture in the pre-chamber 141 keeps the combustion in the region 107 away from the pre-chamber wall.

Die Halterung für den Verbrennungstopf 102 innerhalb des Motors wird zweckmäßigerweise an seinem rückwärtigen, das heißt stromabwärts gerichteten Ende durch (nicht dargestellte) Befestigungen auf bekannte Weise über eine Ausgangsdüse des Verbrennungsgerätes mit einer geeigneten statischen Struktur des Motors sichergestellt, wie beispielsweise Leitblechen für die Düse am Eingang zu einer Hochdruckturbine. Die Halterung am Kopfende des Topfes wird zweckmäßigerweise durch Befestigen der Einblasvorrichtung 104 an einem Teil des Gehäuses 142 des Verbrenungsgerätes gewährleistet. Letzteres besitzt eine Öffnung, innerhalb deren der Brennstoffversorgungskörper 120 für den Hauptbrenner befestigt ist. Die Verbindung des Topfes 102 mit dem Gehäuse 142 wird dadurch vervollständigt, daß man einen stromaufwärts liegenden Flansch 144 des Topfes an der rückseitigen Fläche eines Ringes 145 befestigt, der an der Verwirbelungseinrichtung 123 sitzt. Die Befestigung der verschiedenen Teile der Einblasvorrichtung 104 aneinander und an dem Gehäuse 142 wird herkömmlicherweise durch Stiftschrauben, Bolzen oder dergleichen erzielt, sofern nicht anders erwähnt.The support for the combustion pot 102 within the engine is conveniently secured at its rear, i.e. downstream, end by means of fastenings (not shown) in a known manner via an outlet nozzle of the combustion apparatus to a suitable static structure of the engine, such as nozzle baffles at the entrance to a high pressure turbine. The support at the head end of the pot is conveniently provided by securing the injector 104 to a part of the housing 142 of the combustion apparatus. The latter has an opening within which the fuel supply body 120 for the main burner is secured. The connection of the pot 102 to the housing 142 is completed by securing an upstream flange 144 of the pot to the rear surface of a ring 145 fitted to the swirler 123. The securing of the various parts of the injector 104 to one another and to the housing 142 is conventionally achieved by studs, bolts or the like, unless otherwise stated.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Zündvorrichtung 110, den Hilfsbrenner 114 und einen Teil des Hauptbrenners 118, wobei durch Pfeile der Weg angegeben ist, den der Brennstoff 200 durch den Hilfsbrenner 114 nimmt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Wege der Luftströmung für den Hilfsbrenner in Fig. 2 weggelassen und getrennt in Fig. 3 dargestellt, wo auch die Strömungen des Brennstoffs und der Luft, die aus dem Hilfsbrenner 114 austreten, dargestellt sind.Fig. 2 shows a section through the ignition device 110, the auxiliary burner 114 and part of the main burner 118, with arrows indicating the path that the fuel 200 takes through the auxiliary burner 114. For reasons of clarity, the air flow paths for the auxiliary burner are omitted in Fig. 2 and shown separately in Fig. 3, where the flows of the fuel and the air exiting the auxiliary burner 114 are also shown.

Wie im einzelnen in Fig. 2 gezeigt, wird der Zündvorrichtung 110 durch eine innen mit einem Gewinde versehene Coaxialkabelfassung 146 am vorderen Ende der Zündvorrichtung elektrische Energie zugeführt. Wenn die Fassung 146 in einen mit Gewinde versehenen Teil 148 der mittigen Bohrung 112 des Hilfsbrenners 114 so weit wie möglich eingeschraubt wird, dient sie außerdem dazu, eine Druckmanschette 150 an das Ende der Zündvorrichtung 110 anzudrücken und auf diese Weise eine Relativbewegung zwischen der Zündvorrichtung und dem Hilfsbrenner zu verhindern.As shown in detail in Fig. 2, electrical power is supplied to the igniter 110 through an internally threaded coaxial cable socket 146 at the front end of the igniter. When the socket 146 is screwed as far as possible into a threaded portion 148 of the central bore 112 of the auxiliary burner 114, it also serves to compress a pressure collar 150 against the end of the igniter 110 and thus prevent relative movement between the igniter and the auxiliary burner.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, umfaßt die Zündvorrichtung 110 einen starren, mittigen Elektrodendraht 202, eine innere keramische Isolierschicht 204, die die mittige Elektrode umgibt, eine starre mechanische Hülse 206, die die innere Isolierschicht umgibt, sowie eine äußere keramische Isolierschicht 208, die die Hülse 206 umgibt und mit der Bohrung 112 des Hilfsbrenners 114 in Berührung steht. An ihrem rückwärtigen Ende ist die Hülse mit einer kleinen Elektrode 210 ausgestattet, die in Verbindung mit dem angrenzenden Ende der mittigen Elektrode 202 eine Zündbrücke definiert. Ein Gemisch aus Brennstoff und Luft wird über die Zündbrücke geführt, wie weiter unten erläutert, und wird natürlich entzündet, wenn man Funken über die Zündbrücke springen läßt.As can be seen from Fig. 2, the ignition device 110 comprises a rigid, central electrode wire 202, an inner ceramic Insulating layer 204 surrounding the central electrode, a rigid mechanical sleeve 206 surrounding the inner insulating layer, and an outer ceramic insulating layer 208 surrounding the sleeve 206 and in contact with the bore 112 of the auxiliary burner 114. At its rear end, the sleeve is provided with a small electrode 210 which, in conjunction with the adjacent end of the central electrode 202, defines an ignition bridge. A mixture of fuel and air is passed across the ignition bridge, as explained below, and is of course ignited when sparks are caused to jump across the ignition bridge.

Der Hilfsbrenner 114 und der Hauptbrenner 118 sind synergistisch miteinander wirkende Einrichtungen, wie in den Fig. 2 und 3 erläutert, welche zusammenwirken, um eine gleichmäßige Versorgung mit Brennstoff und eine gute Flammenstabilität in dem Verbrennungsbereich 107 sowie eine angemessene Kühlung der Zündvorrichtung 110 bewirken, wenn sie durch den Verbrennungsprozess erhitzt wird.The auxiliary burner 114 and the main burner 118 are synergistic devices, as illustrated in Figures 2 and 3, which cooperate to provide a uniform supply of fuel and good flame stability in the combustion region 107, as well as adequate cooling of the igniter 110 as it is heated by the combustion process.

Im Hilfsbrenner 114 strömt Brennstoff 200 durch den Versorgungsdurchlaß 126 zu einem ringförmigen Stollen 211 und danach durch die Durchlässe 212 in einen weiteren Stollen 213. Der Brennstoff 200 wird vom Kopfende, das heißt dem rückwärtigen Ende 214 des Hilfsbrenners 114 durch eine kreisförmige Anordnung von Öffnungen 215 in der Nähe seines äußeren Umfanges herausgeblasen und unmittelbar anschließend quer über die Brennerfläche durch eine Ablenkungslippe 216, die auf einer Muffe 218 angeordnet ist, welche an das Ende des Hilfsbrenners 114 angelötet ist, abgelenkt. Wie insbesondere in Fig. 3 dargestellt, trifft der Brennstoff 200 nach seiner Ablenkung durch die Lippe 216 auf einen Vorhang oder eine ringförmige Säule von unter hohem Druck befindlicher Luft 300, die von hinten und divergierend aus einer kreisförmigen Rinne oder einem Schlitz 302 in der Brennerfläche heraus geblasen wird. An diesem Punkt beginnt die Vermischung des Hilfsbrennstoffs und der Luft aufgrund der Turbulenz, die durch die Luft und den quer dazu strömenden Brennstoff hervorgerufen wird. Die Luft 300 befördert den Brennstoff zunächst vom Hilfsbrenner weg und baut eine hohle (das heißt einen kreisförmigen Querschnitt besitzende), divergente, säulenförmige Saum- oder Scherungsschicht 303 (Fig. 3) um die Achse CL in dem Verbrennungstopf 102 auf. Um ein gutes Gemisch aus Hilfsbrennstoff und Luft zu erzeugen, achtet man natürlich darauf, daß der Hilfsbrennstoff 200 praktisch gleichmäßig in den Umfang der Luftsäule 300, welche den Grundabschnitt der Saumschicht 303 bildet, eingeblasen wird.In the auxiliary burner 114, fuel 200 flows through the supply passage 126 to an annular tunnel 211 and then through the passages 212 into another tunnel 213. The fuel 200 is blown out from the head end, i.e. the rear end 214 of the auxiliary burner 114 through a circular array of openings 215 near its outer circumference and immediately thereafter deflected across the burner face by a deflection lip 216 disposed on a sleeve 218 which is brazed to the end of the auxiliary burner 114. As shown particularly in Fig. 3, the fuel 200, after being deflected by the lip 216, encounters a curtain or annular column of high pressure air 300 which is blown from behind and in a diverging fashion out of a circular groove or slot 302 in the burner face. At this point, mixing of the auxiliary fuel and air begins due to the turbulence caused by the air and the fuel flowing across it. The air 300 initially carries the fuel away from the auxiliary burner and builds up a hollow (i.e., circular cross-section), divergent, columnar seam or shear layer 303 (Fig. 3) about the axis CL in the combustion pot 102. In order to produce a good mixture of auxiliary fuel and air, care is of course taken to inject the auxiliary fuel 200 substantially uniformly into the circumference of the air column 300 which forms the base portion of the seam layer 303.

Die Einrichtung der Saumschicht 303, die man als eine Schicht ansehen kann, welche die Grenze der Verbrennungszone 106 (Fig. 1) und der Flammenfront in der Verbrennungskammer definiert, ist für das Erreichen des Zieles der Aufrechterhaltung einer brennstoffarmen Verbrennung in dem Verbrennungsgerät über einen weiten Bereich von Motorlastbedingungen wichtig. Es ist zu bemerken, daß das brennstoffarme Gemisch 139 aus Hauptbrennstoff und Luft praktisch gleichmäßig aus den Verwirbelungsdurchtritten 122, die die Saumschicht 303 umgeben, in Richtung auf die Saumschicht eingeblasen wird und ein Teil der Vermischung des Gemisches aus Hauptbrennstoff und Luft mit dem Gemisch aus Hilfsbrennstoff und Luft in der Saumschicht 303 stattfindet.The provision of the seam layer 303, which may be considered as a layer defining the boundary of the combustion zone 106 (Fig. 1) and the flame front in the combustion chamber, is important in achieving the objective of maintaining fuel-lean combustion in the combustion device over a wide range of engine load conditions. It should be noted that the fuel-lean mixture 139 of main fuel and air is blown practically uniformly from the swirl passages 122 surrounding the seam layer 303 toward the seam layer and part of the mixing of the main fuel and air mixture with the auxiliary fuel and air mixture takes place in the seam layer 303.

Der nächste Teil des Verfahrens ist die durch die Pfeile 304 dargestellte Rückführung eines Teils des Gemisches aus Brennstoff und Luft aus allen Teilen der Saumschicht 303 zu der Zündvorrichtung 110. Diese findet statt, weil die Luftabgabe aus dem Schlitz 302 einen Bereich von etwas niedrigerem Druck angrenzend an die Zündvorrichtung erzeugt. Beim Starten des Motors wird dafür gesorgt, daß das zurückgeführte Brennstoff/Luft-Gemisch brennstoffreich ist und nach der Zündung mit stabiler Flamme im Bereich 107 verbrennt, wobei die Flamme augenscheinlich an dem Schlitz 302 "verankert" und von der Luftsäule/Saumschicht 300/303 umgeben ist. Selbst wenn steigende Mengen an brennstoffarmem Gemisch aus dem Hauptbrenner 118 in dem Topf 102 eingeblasen werden, wenn der Motor sich beschleunigt und die Last zunimmt, scheint es, daß der Schlitz 302 oder zumindest sein Innenrand derart wirkt, daß er die Verbrennung in dem zurückgeführten Gemisch aus Brennstoff und Luft stabilisiert. Es ist ersichtlich, daß die Luftsäule/Saumschicht 300/303 den Bereich 107 in der Nähe seiner Basis umgibt und schützt, wobei der Bereich 107 wesentlich geringere Fluidgeschwindigkeiten als benachbarte Bereiche in und jenseits der Saumschicht aufweist. Es wird gefunden, daß durch Sicherstellung einer stabilen Verbrennung in diesem geschützten oder abgeschirmten Verbrennungsbereich 107 die gesamte Verbrennung in dem Verbrennungsgerät 102 einschließlich der brennstoffarmen Verbrennung im Bereich 108 bei Teillast- und Vollastbedingungen des Gasturbinenmotors stabilisiert wird.The next part of the process is the recirculation of a portion of the fuel-air mixture from all parts of the seam layer 303 to the igniter 110, as shown by arrows 304. This occurs because the air discharge from the slot 302 creates a region of slightly lower pressure adjacent to the igniter. When the engine is started, the recirculated fuel/air mixture is caused to be fuel-rich and, after ignition, burns with a stable flame in the region 107, the flame apparently "anchored" to the slot 302 and surrounded by the air column/seam layer 300/303. Even if increasing amounts of fuel-lean mixture are injected from the main burner 118 in the pot 102 as the engine accelerates and the load increases, it appears that the slot 302 or at least its inner edge acts to stabilize combustion in the recirculated mixture of fuel and air. It will be seen that the air column/skirt layer 300/303 surrounds and protects the region 107 near its base, with the region 107 having substantially lower fluid velocities than adjacent regions in and beyond the skirt layer. It is found that by ensuring stable combustion in this protected or shielded combustion region 107, all combustion in the combustor 102, including the fuel-lean combustion in region 108, is stabilized during part-load and full-load conditions of the gas turbine engine.

Bevorzugt, wenngleich nicht bei jeder Ausführungsform von Brennkammer und Brennern, wie sie gemäß der Erfindung eingesetzt werden, wesentlich ist es, daß die Luft 300 aus dem Schlitz 302 in dem Hilfsbrennerkopf eine Wirbel- oder Drehkomponente besitzt, die der Richtung der Wirbelkomponente des Brennstoff/Luft-Gemisches, welche durch die Verwirbelungsdurchlässe 122 des Hauptbrenners 118 erzeugt wird, entgegengesetzt gerichtet ist. Um eine Verwirbelung der Luft 300 zu erzielen, wird diese dem Boden des Schlitzes 302 durch eine Anordnung von Bohrungen 306 zugeführt, welche zu den Seiten des Schlitzes schräg verlaufen, so daß sie sich tangential dem Umfang des Schlitzes 302 annähern, wenngleich dies aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 3 nicht dargestellt ist. Der Stollen 308 wird aus einer Reihe von Durchlässen 310 beschickt, die entweder Luft von den Verwirbelungsdurchlässen, wie dargestellt, oder aus Öffnungen am äußeren Umfang der Verwirbelungseinrichtung 123 aufnehmen, um die möglichen höheren Staudrücke, die dort gefunden werden, auszunutzen und bzw. oder eine Verunreinigung durch Brennstoff aus den Verwirbelungsdurchlässen zu vermeiden.Preferably, although not in every embodiment of combustion chamber and burners as used according to the invention, it is essential that the air 300 from the slot 302 in the auxiliary burner head has a swirling or rotating component which is directed opposite to the direction of the swirling component of the fuel/air mixture which is generated by the swirling passages 122 of the main burner 118. In order to achieve swirling of the air 300, it is supplied to the bottom of the slot 302 through an arrangement of bores 306 which run obliquely to the sides of the slot so that they approach tangentially the circumference of the slot 302, although this is not shown in Fig. 3 for reasons of clarity. The tunnel 308 is fed from a series of passages 310 which either receive air from the swirl passages, as shown, or from openings on the outer periphery of the swirler 123 to take advantage of the possible higher back pressures found there and/or to avoid contamination by fuel from the swirl passages.

Der Stollen 308, der Luft dem kreisförmigen Schlitz 302 zuführt, liefert auch weitere Luft zum unmittelbaren Kühlen und Abschirmen bzw. Schützen der Zündeinrichtung 110, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Luft aus dem Stollen 308 wird durch Bohrungen 310 einem ringförmigen Beschickungsschlitz 312 zugeführt, der in die Bohrung 112 des Hilfsbrenners geschnitten ist. Diese Luft wird aus den Enden einer Reihe kurzer, sich axial erstreckender Luftkanäle oder -rillen 314 ausgebracht, die in die Bohrung des Hilfsbrenners geschnitten oder auf andere Weise eingearbeitet sind und sich um ihn herum in gleichmäßigen Abständen erstrecken, um Luft von dem Beschickungsschlitz 312 längs der Seite des heißen Endes der Zündvorrichtung 110, wie dargestellt, zu führen und dadurch Wärme von ihr abzuführen. Die Kanäle 314 erstrecken sich bis leicht jenseits des Elektrodenendes der Zündvorrichtung 110, so daß die Kühlluft aus den Enden der Kanäle quer über das Ende der Zündvorrichtung strömt und diese kühlt und von der Hitzewirkung der Basis der Hilfsflamme abschirmt, Die Kühlluft von der Zündvorrichtung kann eine verdünnende Wirkung auf das Brennstoff/Luft-Gemisch im Bereich 107 haben, und dies sollte berücksichtigt werden, wenn man die optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisse für unterschiedliche Motorgeschwindigkeiten und -lasten berechnet.The tunnel 308, which supplies air to the circular slot 302, also supplies additional air for direct cooling and shielding of the ignition device 110, as shown in Fig. 3. The air from the tunnel 308 is ventilated through holes 310 to an annular feed slot 312 cut in the auxiliary burner bore 112. This air is discharged from the ends of a series of short axially extending air channels or grooves 314 cut or otherwise machined into the auxiliary burner bore and extending around it at regular intervals to direct air from the feed slot 312 along the side of the hot end of the igniter 110 as shown, and thereby remove heat therefrom. The passages 314 extend slightly beyond the electrode end of the igniter 110 so that the cooling air from the ends of the passages flows across the end of the igniter, cooling it and insulating it from the heating effect of the base of the auxiliary flame. The cooling air from the igniter can have a diluting effect on the fuel/air mixture in the region 107 and this should be taken into account when calculating the optimum fuel/air ratios for different engine speeds and loads.

Die vorstehend beschriebene Luftkühlung für die Zündvorrichtung stellt lediglich eine von mehreren alternativen Anordnungen dar, die zur Ausführung einer derartigen Luftkühlung in Frage kommen. Beispielsweise kann anstelle eines Beschickungsschlitzes 312 und von Kanälen 314 in der Bohrung 112 des Hilfsbrenners das Ende der Zündvorrichtung 110 vorteilhafterweise innerhalb eines kleinen Kragens mit einem äußeren Flansch an jedem Ende gehaltert und in einen erweiterten Abschnitt der Bohrung 112 eingelötet sein, wobei der Beschickungschlitz durch einen ringförmigen Raum zwischen der Bohrung 112 und den Flanschen des Kragens und die Kanäle durch durch den Flansch am Ende des Kragens in der Nähe der Hilfsflamme gebohrte Löcher ersetzt sein können. Vorzugsweise würde eine geeignete Lippe in der Fläche des Hilfsbrenners unmittelbar oberhalb der Löcher in dem Flansch vorgesehen sein, um die Luft quer über die Spitze der Zündeinrichtung zu lenken.The air cooling for the igniter described above is only one of several alternative arrangements that could be used to effect such air cooling. For example, instead of a feed slot 312 and channels 314 in the auxiliary burner bore 112, the end of the igniter 110 may advantageously be supported within a small collar having an external flange at each end and brazed into an enlarged portion of the bore 112, the feed slot being replaced by an annular space between the bore 112 and the flanges of the collar and the channels being replaced by holes drilled through the flange at the end of the collar near the auxiliary flame. Preferably, a suitable lip would be provided in the face of the auxiliary burner immediately above the holes in the flange to direct the air across the tip of the igniter.

Zusammenfassend ist über das beschriebene Verbrennungsgerät und die Brenneranordnung zu sagen: Das Verbrennungsgerät ist in eine stromabwärts gelegene Hauptkammer und eine stromaufwärts gelegene Vorkammer aufgeteilt; die Vormisch- Verwirbelungseinrichtung des Hauptbrenners wird dazu verwendet, um den am weitesten stromaufwärts gelegenen Teil des Umfangs der Vorkammer zu definieren; die Verwirbelungseinrichtung wird von einem Brennstoffversorgungskörper aus, der einen Teil des Kopfes des Verbrennungsgerätes bildet, an dem die Verwirbelungseinrichtung befestigt ist, mit Brennstoff versorgt; der Hilfsbrenner ist innerhalb des Brennstoffversorgungskörpers des Hauptbrenners im Kopf des Verbrenungsgerätes eingepaßt; die Zündvorrichtung 110 ist innerhalb des Hilfsbrenners 114 statt sonst irgendwo im Verbrennungssystem angeordnet. Mittels dieser Anordnung wird die Einrichtung stark vereinfacht und die Ziele einer zweckmäßigen Herstellung, Wirksamkeit und Kompaktheit werden im wesentlichen erzielt.In summary, the following can be said about the described combustion device and the burner arrangement: The combustion device is divided into a main downstream chamber and an upstream pre-chamber; the premix swirler of the main burner is used to define the most upstream part of the periphery of the pre-chamber; the swirler is supplied with fuel from a fuel supply body forming part of the head of the combustor to which the swirler is attached; the auxiliary burner is fitted within the fuel supply body of the main burner in the head of the combustor; the ignition device 110 is located within the auxiliary burner 114 rather than elsewhere in the combustion system. By means of this arrangement the device is greatly simplified and the objectives of convenience of manufacture, efficiency and compactness are substantially achieved.

Weil die oben beschriebene Kombination aus Hauptbrenner, Hilfsbrenner und Zündvorrichtung 118/114/110 eine stabile Verbrennung in dem Verbrennungsbereich 107 ermöglicht, können Hilfsbrenner und Hauptbrenner in komplementärer Weise betrieben werden, um eine brennstoffarme Verbrennung über einen weiteren Bereich von Betriebslasten und -geschwindigkeiten des Motors aufrechtzuerhalten, als bisher bei Verbrennungsgeräten dieser Art erreichbar gewesen ist. Aus der folgenden Tabelle geht rein beispielmäßig hervor, wie die gesamte Brennstoffbeschickung über den gesamten Betriebsbereich eines für die Energieerzeugung verwendeten Motors zwischen Hilfs- und Hauptbrenner aufgeteilt werden kann. Because the above-described combination of main burner, auxiliary burner and igniter 118/114/110 enables stable combustion in the combustion region 107, the auxiliary burners and main burners can be operated in a complementary manner to maintain fuel-lean combustion over a wider range of engine operating loads and speeds than has heretofore been achievable in combustion devices of this type. The following table shows, purely by way of example, how the total fuel feed can be divided between the auxiliary and main burners over the entire operating range of an engine used for power generation.

Somit werden die relativen Mengen an Luft, Hilfsbrennstoff und Hauptbrennstoff, die in den Topf 102 eingeblasen werden, untereinander so verändert, daß beim Starten und unter Teillast des Motors das Brennstoff/Luft-Gemisch in dem abgeschirmten Verbrennungsbereich 107 hinreichend brennstoffreich ist, um eine stabile Verbrennung für den gesamten Verbrennungsprozess aufrechtzuerhalten, von dem ein großer Teil selbst bei Teillastbedingungen im Bereich 108 brennstoffarm erfolgt. Wenn die Betriebsbedingungen für den Motor vom Starten über Teillast auf Vollast verändert werden, verändert sich die Verbrennung innerhalb des Verbrennungsgerätes insgesamt zwischen brennstoffreich und brennstoffarm. Es wird ersichtlich, daß, wenn sich der Motor auf voller Geschwindigkeit befindet, die Menge an Hilfsbrennstoff, die im Verhältnis zur Gesamtbrennstoffmenge eingeblasen wird, von der Hauptmenge (70%) bei Minimallast und voller Geschwindigkeit auf etwa 0% bei voller Geschwindigkeit und Vollast sinkt. Wenngleich die Gesamtverbrennung somit bei niedriger Belastung etwas reich an Brennstoff wird, so handelt es sich dabei jedoch nur um Übergangszustände für die meisten Industriemotoren, die während der meisten Zeit bei Hochlast oder Vollast betrieben werden; daher können die Umweltschutzvorschriften leicht eingehalten werden. Bei Versuchen wurde gefunden, daß die oben beschriebene Auslegung von Brenner und Verbrennungsgerät einen frühzeitigeren Wechsel der Versorgung mit Brennstoff von dem Hilfsbrenner auf den Hauptbrenner und einen entsprechenden frühzeitigeren Übergang von den brennstoffreichen unteren Teillastbedingungen zu den brennstoffarmen oberen Teillast- und Vollastbedingungen ermöglicht.Thus, the relative amounts of air, auxiliary fuel and main fuel injected into the pot 102 are varied among themselves such that at start-up and at part load of the engine, the fuel/air mixture in the shielded combustion region 107 is sufficiently fuel rich to maintain stable combustion for the entire combustion process, much of which is fuel lean even at part load conditions in region 108. As the operating conditions for the engine are varied from start-up through part load to full load, the overall combustion within the combustion device varies between fuel rich and fuel lean. It will be seen that when the engine is at full speed, the amount of auxiliary fuel injected relative to the total fuel quantity decreases from the main amount (70%) at minimum load and full speed to about 0% at full speed and full load. Although the overall combustion thus becomes somewhat fuel rich at low loads, these are only transient conditions for most industrial engines which are operated at high or full load most of the time, and environmental regulations can therefore be easily met. During tests it was found that the burner and combustion device design described above allows an earlier change of the fuel supply from the auxiliary burner to the main burner and a corresponding earlier transition from the fuel-rich lower part-load conditions to the fuel-poor upper part-load and full load conditions.

Wie erläutert, ist der Hilfsluft-Versorgungsschlitz 302 ein kontinuierlicher, kreisförmiger Schlitz von etwa rechteckigem Querschnitt, der in die Fläche 214 des Hilfsbrenners 114 eingearbeitet ist, jedoch stellt dieses lediglich eine mögliche Form dar. Beispielsweise können in Richtung auf die Brennerfläche divergente oder konvergente Querschnitte angewandt werden. Außerdem kann der einzige kontinuierliche Schlitz durch zwei oder mehrere konzentrische kontinuierliche Schlitze ersetzt werden, oder kontinuierliche Schlitze können durch eine Reihe einzelner, im gleichen Abstand voneinander verteilter Öffnungen ersetzt werden, die in einem Kreis um die Fläche des Hilfsbrenners angeordnet sind. Weiter können der Schlitz oder seine äquivalenten Öffnungen alternativ in oder nahe einer Rippe oder einem Gitter, die bzw. das von der Oberfläche des Hilfsbrenners hervorsteht und dazu dient, Verbrennung zu "verankern" und zu stabilisieren, ausgebildet werden.As explained, the auxiliary air supply slot 302 is a continuous, circular slot of approximately rectangular cross-section, which is machined into the surface 214 of the auxiliary burner 114 is, however, only one possible form. For example, divergent or convergent cross-sections towards the burner face may be used. In addition, the single continuous slot may be replaced by two or more concentric continuous slots, or continuous slots may be replaced by a series of individual, equally spaced openings arranged in a circle around the face of the auxiliary burner. Further, the slot or its equivalent openings may alternatively be formed in or near a rib or grid which projects from the surface of the auxiliary burner and serves to "anchor" and stabilize combustion.

Wenngleich die Zündvorrichtung 110 im Hilfsbrenner 114 zentral angeordnet dargestellt ist, ist dies ebenfalls nur beispielhaft, so daß die Zündeinrichtung vorteilhafterweise auch außerhalb der Achse CL des Hilfsbrenners angeordnet sein kann, beispielsweise in demselben Abstand wie der Schlitz 302 oder ein äquivalenter Ring von Öffnungen. Dies könnte die Wärmebelastung der Zündeinrichtung durch die Flamme im Bereich 107 vermindern.Although the ignition device 110 is shown centrally arranged in the auxiliary burner 114, this is also only exemplary, so that the ignition device can also advantageously be arranged outside the axis CL of the auxiliary burner, for example at the same distance as the slot 302 or an equivalent ring of openings. This could reduce the heat load on the ignition device from the flame in the region 107.

Die oben beschriebene Anordnung zum Einblasen des Hilfsbrennstoffs und der Luft besitzt die folgenden weiteren Vorteile:The arrangement for blowing in the auxiliary fuel and air described above has the following additional advantages:

a) durch die ringförmige Brennstoffauslaßlücke unter der Lippe 216 wird eine Antiverkokungs-Wirkung erzielt, da die radial einwärts gerichtete Zufuhr des Brennstoffs derart wirkt, daß eine Ablagerung von Kohlenstoff vermieden wird, die sonst unmittelbar die Brennstoffzufuhr beeinträchtigen könnte.a) the annular fuel outlet gap under the lip 216 provides an anti-coking effect, since the radially inward supply of fuel acts in such a way that carbon deposition is avoided, which could otherwise directly impair the fuel supply.

b) Die Strömung von Brennstoff und Luft durch den Hilfsbrenner 114 in dichter Nachbarschaft zu der Zündeinrichtung 110 trägt dazu bei, die Zündvorrichtung kühl zu halten, indem die Brennerwärme ferngehalten wird.b) The flow of fuel and air through the auxiliary burner 114 in close proximity to the ignition device 110 helps keep the igniter cool by keeping burner heat away.

c) Das Verwirbeln der Luft 300, die aus dem Schlitz 302 im Kopf des Hilfsbrenners austritt, bewirkt vermutlich, daß das Anhaften der Flamme im Bereich 107 an den Brenner verhindert wird, insbesondere, wenn die Verwirbelungsrichtung der Luft 300 der Verwirbelungsrichtung des Brennstoff/Luft- Gemisches, welches aus dem Verwirbelungsanordnungsring 122 des Hauptbrenners austritt, entgegengerichtet ist. Daher ist die Grundfläche der Flamme von dem Brennerkopf 214 abgehoben, was dazu beiträgt, ein Überhitzen der Zündvorrichtung 110 zu verhindern. Bei Tests einer Ausbildung gemäß der Erfindung wurde gefunden, daß dann, wenn die Hilfsluft 300 mit einer Verwirbelungskomponente in gleicher Richtung wie derjenigen des Brennstoff/Luft-Gemisches aus dem Hauptbrenner versehen worden ist, die Flamme näher an der Zündvorrichtung brennt.c) The swirling of the air 300 exiting from the slot 302 in the head of the auxiliary burner is believed to have the effect of preventing the flame in the region 107 from sticking to the burner, particularly when the swirling direction of the air 300 is opposite to the swirling direction of the fuel/air mixture exiting the swirl arrangement ring 122 of the main burner. Therefore, the base of the flame is raised from the burner head 214, which helps to prevent overheating of the igniter 110. In tests of a design according to the invention, it was found that when the auxiliary air 300 was provided with a swirling component in the same direction as that of the fuel/air mixture from the main burner, the flame burns closer to the igniter.

Wenngleich aus Gründen der Übersichtlichkeit die Zeichnungen lediglich das Einblasen eines einzigen (gasförmigen) Brennstoffs zeigen, können auch Brenneranordnungen mit zwei Brennstoffen vorgenommen werden. Beispielsweise kann ein Versorgungsdurchlaß für flüssigen Brennstoff, der sich parallel zu dem Versorgungsdurchlaß für gasförmigen Brennstoff erstreckt und einen zugeordneten Stollen und eine Zerstäuberanlage aufweist, die die Einblaseinrichtungen für gasförmigen Brennstoff umgeben, innerhalb eines Hilfsbrenners, der einen größeren Durchmesser als der Hilfsbrenner 114 aufweist, vorgesehen sein.Although for clarity the drawings show only the injection of a single (gaseous) fuel, dual fuel burner arrangements may also be used. For example, a liquid fuel supply passage extending parallel to the gaseous fuel supply passage and having an associated tunnel and atomizer system surrounding the gaseous fuel injection devices may be provided within an auxiliary burner having a larger diameter than the auxiliary burner 114.

Claims

1. Combustion device (100) for fuel-lean combustion for a gas turbine engine, the combustion device having a generally circular cross-section and comprising, in the direction of combustion flow, a head portion with a burner arrangement (104), a pre-combustion chamber (141) and a main combustion chamber (103), the pre-combustion chamber having a substantially smaller cross-section than the main combustion chamber, the burner arrangement comprising a means for air swirling (122) and a means for injecting the majority of fuel (136), which is arranged such that it injects fuel into the means for swirling and thereby produces a fuel-lean mixture of fuel and air (139) in the means for swirling, the means for swirling forms the periphery of an upstream part of the pre-combustion chamber (141) and is arranged such that it injects the mixture of fuel and air into the pre-combustion chamber with a radially inwardly directed swirling movement, the burner arrangement also comprising a Fuel supply body portion (120) having fuel supply passages (128,130 etc.) for supplying fuel to the means for injecting the main quantity of fuel (136), the means for swirling is attached to the substantially flat, downstream surface of the fuel supply body, the burner assembly (104) further comprises an auxiliary burner (114) arranged on the axis (CL) of the combustion device for maintaining a diffusion-type combustion process in the pre-combustion chamber (141) by injecting fuel, the fuel supply body portion of the burner assembly comprises a radially outer fuel supply body (120) to which the swirling means (122) is attached, and a radially inner fuel supply body (114) disposed within the outer fuel supply body, and the inner fuel supply body constitutes the auxiliary burner by including auxiliary fuel injection means (215, 216) and fuel supply passages (126, 212) leading to the auxiliary fuel injection means.

2. Combustion device for fuel-poor combustion according to claim 1, wherein an ignition source for igniting the combustion process is arranged in the auxiliary burner.

3. A fuel-lean combustion device according to claim 1 or 2, wherein the auxiliary burner includes an air injection means, the auxiliary fuel injection means substantially concentrically surround the air injection means, and the auxiliary fuel injection means are designed to inject the fuel toward the air injection means to produce a fuel-rich mixture of air and fuel within the pre-combustion chamber outside the auxiliary burner.

4. A fuel-lean combustion device according to any one of claims 1 to 3, wherein the air injection means is designed to eject a diverging swirling column of air of circular cross-section away from the auxiliary burner into the pre-combustion chamber.

5. A combustion apparatus for fuel-lean combustion according to claim 1, wherein the auxiliary burner is designed to inject auxiliary fuel (200) and air (300) separately and simultaneously into the combustion apparatus for mixing, and an air injection means (302) for injecting air into the combustion apparatus in the form of a columnar seam layer (303) of circular cross-section which flows around a central combustion region (107) adjacent to the auxiliary burner, the auxiliary fuel injection means (215, 216) are arranged such that they blow the auxiliary fuel towards the columnar skirt layer to mix it with the air contained therein, the main burner is designed such that it blows a fuel-lean mixture of air and fuel (139) into the combustion device towards the columnar skirt layer, and the skirt layer stabilizes the central region (107) as a shielded combustion zone to increase the stability of the fuel-lean combustion in the combustion device.

6. A fuel-lean combustion apparatus according to claim 5, wherein the columnar skirt layer diverges with distance from the auxiliary burner.

7. A combustion apparatus for fuel-lean combustion according to claim 5 or 6, wherein in the auxiliary burner the auxiliary fuel injection means surrounds the air injection means substantially concentrically.

8. A fuel-lean combustion apparatus according to claim 7, wherein the auxiliary burner air injection means is designed to impart a swirling flow component to the air column.

9. A combustion apparatus for fuel-lean burning according to claim 8, wherein the directions of swirl generated by the auxiliary burner and the main burners are opposite to each other.

10. A fuel-lean combustion apparatus according to any one of claims 3 to 9, wherein the air injection means comprises means defining a circular slot (302) in the inner fuel supply body.

11. A fuel-lean combustion apparatus according to claim 10, wherein the air injection means further comprises a plurality of supply passages for supplying air to the bottom of the slot (302) and the supply passages (306) enter the bottom of the slot obliquely to its side walls, thereby imparting a swirl component to the air (300) leaving the slot.

12. A fuel-lean combustion apparatus according to claim 11, wherein the feed passages enter the bottom of the slot tangentially.

13. A fuel-lean combustion apparatus according to any one of claims 1 to 12, wherein the auxiliary fuel injection means comprises means (216) defining a circumferentially extending opening near the periphery of the inner fuel supply body (214), and the fuel exits the auxiliary burner through this opening.

14. A fuel-lean combustion apparatus according to claim 13, wherein the auxiliary fuel injection means comprises an annular lip (216) spaced from and covering the outermost peripheral portion of the inner fuel supply body (214), and the fuel exits the auxiliary burner between the inner fuel supply body and the lip.

15. A fuel-lean combustion apparatus according to claim 14, wherein the auxiliary fuel injection means further comprises a circular array of openings (215) disposed in the inner fuel supply body below the lip (216).