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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb
der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks.
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Um
die Vorschriften bezüglich
der Schadstoffemission bei industriellen Gasturbinentriebwerken
mit niedriger Emission zu erfüllen,
ist eine stufenweise Verbrennung erforderlich, um die Menge der erzeugten
Stickoxide (NOx) zu minimieren. Gegenwärtig fordern die Emissionsbestimmungen
eine Menge von weniger als 25 volumetrischen Teilen pro Million
NOx für
die Abgase einer industriellen Gasturbine. Der fundamentale Weg
zur Verminderung der Emissionen von Stickoxiden besteht darin, die
Verbrennungsreaktionstemperatur zu vermindern, und dies erfordert
eine Vormischung von Brennstoff und der gesamten Verbrennungsluft,
bevor die Verbrennung stattfindet.
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Es
ist bekannt, die Brennkammer von Gasturbinentriebwerken mit stufenweiser
Verbrennung zu betreiben, um die Stickoxidemissionen (NOx) zu vermindern.
Die GB-PS 1489339 beschreibt zwei Stufen der Brennstoffverbrennung
in der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes, um NOx zu vermindern.
Die internationale Patentanmeldung Nr. 9207221, die am 30. April
1992 veröffentlicht
wurde, beschreibt eine zweistufige und eine dreistufige Brennstoffeinspritzung
in die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes. Bei der stufenweisen
Verbrennung suchen sämtliche
Verbrennungsstufen eine magere Verbrennung durchzuführen, und
demgemäß sind niedrige
Verbrennungstemperaturen erforderlich, um den NOx-Gehalt zu vermindern.
Der Ausdruck „magere
Verbrennung" bedeutet
eine Verbrennung von Brennstoff in Luft, wobei das Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis niedrig
ist, d. h. schwächer
als das stoichiometrische Verhältnis.
Ein Problem bei dieser Anordnung besteht darin, dass die Emission von
Stickoxiden (NOx) nicht unter den Wert erreicht werden kann, der
gegenwärtig
vorgeschrieben ist und der 25 volumetrische Teile pro Million von
NOx bei den Abgasen industrieller Gasturbinenanlagen in einem Leistungsbereich
zwischen 40% und 100% des Gasturbinentriebwerkes fordert, wobei
gleichzeitig geringe Emissionen von Kohlenmonoxid vorgeschrieben
sind. Außerdem
erfordert diese Anordnung eine genaue Kenntnis der Brennstoffzusammensetzung
und der Luftfeuchtigkeit, um die relativen Anteile von Brennstoff
und Luft zu steuern, die der Brennkammer zugeführt werden, damit die Emissionen
von NOx vermindert werden können.
Außerdem
erfordern die Brennstoffventile eine präzise Eichung, damit dies erreicht
werden kann.
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Die
US-A-4112675 beschreibt eine Brennkammer, die eine katalytische
Verbrennungszone aufweist, die mit Brennstoff und Luft über einen Brennstoff/Luft-Mischkanal gespeist
wird. Es sind ein Pilot-Brennstoffinjektor und eine Heizkammer vorgesehen,
um den Brennstoff zu verbrennen, um die katalytische Verbrennungszone
auf die Selbstbrenntemperatur vorzuheizen, so dass das Brennstoff/Luft-Gemisch,
das durch den Mischkanal zugeführt
wird, in der katalytischen Verbrennungszone brennt. Nachdem die
katalytische Verbrennungszone ihre Selbstbrenntemperatur erreicht
hat, wird der Pilot-Brennstoffinjektor
abgeschaltet, und der gesamte Brennstoff wird mit Luft vorgemischt
und der katalytischen Verbrennungszone zugeführt.
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Es
ist auch bekannt, die Brennkammern eines Gasturbinentriebwerkes
mit mehreren katalytischen Verbrennungszonen auszurüsten, die
in Reihe geschaltet sind, um die Emissionen von Stickoxiden (NOx)
zu vermindern. Unsere eigene Anordnung ist in unserer GB-A-2268694
beschrieben, die am 19. Januar 1994 veröffentlicht wurde.
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Ein
Problem bei dieser Anordnung besteht darin, dass sie nicht in den
verfügbaren
Raum einpasst und eine stufenweise Brennstoffzuführung zwischen den katalytischen
Verbrennungszonen erfordern kann.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein neuartiges Verfahren zum Betrieb
der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes, wodurch die oben erwähnten Probleme
gelöst
werden.
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Demgemäß wird durch
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Brennkammer
eines Gasturbinentriebwerkes geschaffen, die folgende Teile aufweist:
eine Primär-Verbrennungszone
mit magerer Verbrennung; eine Sekundär-Verbrennungszone mit magerer Verbrennung
stromab der Primär-Verbrennungszone;
einen Pilot-Brennstoffinjektor, um Brennstoff der Primär-Verbrennungszone zuzuführen; wenigstens
einen Vormischkanal, um ein erstes Brennstoff/Luft-Gemisch der Primär-Verbrennungszone
zuzuführen;
wenigstens einen Sekundär-Vormischkanal,
um ein zweites Brennstoff/Luft-Gemisch der Sekundär-Verbrennungszone zuzuführen; wobei
der Primär-Vormischkanal
Lufteinlassmittel zur Zuführung
von Luft in den Primär-Vormischkanal
und Primär-Brennstoffinjektormittel
besitzt, um Brennstoff dem Primär-Vormischkanal
zuzuführen
und wobei der Sekundär-Vormischkanal
Lufteinlassmittel zur Zuführung
von Luft in den Sekundär-Vormischkanal
und Sekundär-Brennstoffinjektormittel
besitzt, um Brennstoff dem Sekundär-Vormischkanal zuzuführen, wobei
eine katalytische Verbrennungszone stromab der Sekundär-Verbrennungszone
und eine homogene Verbrennungszone stromab der katalytischen Verbrennungszone
angeordnet ist und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- (a) es wird Brennstoff der ersten Verbrennungszone
vom Pilot-Brennstoffinjektor
in einer ersten Betriebsweise zugeführt,
- (b) es wird Brennstoff der ersten Verbrennungszone vom Pilot-Brennstoffinjektor
zugeführt,
und es wird Brennstoff der zweiten Verbrennungszone von den Sekundär-Brennstoffinjektormitteln über den
Sekundär-Vormischkanal
in einer zweiten Betriebsweise zugeführt, und
- (c) es wird Brennstoff der Primär-Verbrennungszone von den
Primär-Brennstoffinjektormitteln über den
Primär-Vormischkanal
zugeführt,
und es wird Brennstoff der Sekundär-Verbrennungszone von den
Sekundär-Brennstoffinjektormitteln über den
Sekundär-Vormischkanal
in einer dritten Betriebsweise zugeführt.
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Vorzugsweise
wird bei dem Verfahren die Temperatur am stromaufwärtigen Ende
der katalytischen Verbrennungszone gemessen, und es wird bestimmt,
ob die Temperatur am stromaufwärtigen Ende
der katalytischen Verbrennung innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs
liegt, und es wird die Brennstoffströmung nach dem Pilot-Brennstoffinjektor,
nach den Primär-Brennstoffinjektormitteln
und nach den Sekundär-Brennstoffinjektormitteln
derart gesteuert, dass die Temperatur am stromaufwärtigen Ende
der katalytischen Verbrennungszone innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs
verbleibt.
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Vorzugsweise
sind Ventilmittel vorgesehen, um die Brennstoffströmung nach
dem Pilot-Brennstoffinjektor, den Primär-Injektormitteln und den Sekundär-Injektormitteln
zu steuern, wobei wenigstens ein Temperatursensor am stromaufwärtigen Ende
der katalytischen Verbrennungszone angeordnet ist, um die Temperatur
am stromaufwärtigen
Ende der katalytischen Verbrennungszone zu messen und wobei ein
Prozessor elektrisch mit dem Temperatursensor derart verbunden ist,
dass ein Maß der
vom Temperatursensor festgestellten Temperatur empfangen wird und
der Prozessor die Ventilmittel derart steuert, dass die Temperatur
am stromaufwärtigen
Ende der katalytischen Verbrennungszone innerhalb eines vorbestimmten
Temperaturbereichs verbleibt.
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Vorzugsweise
sind Stabilisatormittel stromab der katalytischen Verbrennungszone
vorgesehen.
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Vorzugsweise
bestehen die Stabilisatormittel aus einer Vergrößerung der Querschnittsfläche des Übergangskanals.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist eine Ansicht eines
Gasturbinentriebwerkes mit einer gemäß der Erfindung ausgestatteten
Brennkammer;
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2 zeigt in größerem Maßstab einen Längsschnitt
durch die Brennkammer gemäß 1;
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3 ist ein schematisches
Diagramm der Brennstoffinjektoren und der Brennstoffsteuerung für die in 2 dargestellte Brennkammer
des Gasturbinentriebwerkes.
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Ein
in 1 dargestelltes industrielles
Gasturbinentriebwerk 10 weist in Strömungsrichtung hintereinander
einen Einlass 12, einen Kompressorteil 14, einen
Brennkammeraufbau 16, einen Turbinenteil 18, einen
Nutzleistungs-Turbinenteil 20 und einen Auslass 22 auf.
Der Turbinenteil 18 treibt den Kompressorteil 14 über eine
oder mehrere nicht dargestellte Wellen. Die Nutzleistungsturbine 20 treibt
einen elektrischen Generator 26 über eine Welle 24 an. Jedoch
kann die Nutzleistungsturbine 20 auch zum Antrieb für andere
Zwecke benutzt werden, beispielsweise zum Antrieb eines Gaskompressors
oder einer Pumpe und dergleichen. Das Gasturbinentriebwerk 10 arbeitet
in üblicher
Weise, und die Arbeitsweise wird daher nicht im Einzelnen beschrieben.
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Der
Brennkammeraufbau 16 ist deutlicher in den 2 und 3 dargestellt.
Der Brennkammeraufbau 16 besteht aus mehreren, beispielsweise
aus neun, im gleichen Winkelabstand zueinander angeordneten rohrförmigen Brennkammern 28.
Die Achsen der rohrförmigen
Brennkammern 28 erstrecken sich allgemein in Radialrichtung.
Die Einlässe
der rohrförmigen
Brennkammern 28 befinden sich an den radial äußersten
Enden, und ihre Ausgänge
befinden sich an ihren radial inneren Enden.
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Jede
der rohrförmigen
Brennkammern 28 weist eine stromaufwärtige Wand 30 auf,
die am stromaufwärtigen
Ende einer Ringwand 32 festgelegt ist. Ein erster stromaufwärtiger Teil 34 der
Ringwand 32 definiert eine Primär-Verbrennungszone 36,
ein zweiter dazwischenliegender Teil 38 der Ringwand 32 definiert
eine Sekundär-Verbrennungszone 40 und
ein dritter stromabwärtiger
Teil 42 der Ringwand 32 umschließt eine
katalytische Verbrennungszone 44. Das stromabwärtige Ende
des ersten Teils 34 weist einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 46 auf, dessen
Durchmesser sich bis zu einer Einschnürung 48 vermindert.
Der zweite Teil 38 der Ringwand 32 hat einen größeren Durchmesser
als der erste Teil 34. Ein kegelstumpfförmiger Teil 50 verbindet
die Einschnürung 48 mit
dem stromaufwärtigen
Ende des zweiten Teils 38.
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Die
stromaufwärtige
Wand 30 jeder rohrförmigen
Brennkammer 28 besitzt eine Öffnung 52 zur Zuführung von
Luft und Brennstoff in die Primär-Verbrennungszone 36.
Ein erster radialer Strömungsverwirbeler 54 ist
koaxial zur Öffnung 52 in
der stromaufwärtigen
Wand 30 angeordnet und ein zweiter radialer Strömungsverwirbeler 56 ist
koaxial zur Öffnung 52 in
der stromaufwärtigen
Wand 30 angeordnet. Der erste radiale Strömungsverwirbeler 54 liegt
axial bezüglich
der Achse der rohrförmigen
Brennkammer 28 stromab des zweiten radialen Strömungsverwirbelers 56.
Der erste radiale Strömungsverwirbeler 54 besitzt mehrere
Primär-Brennstoffinjektoren 58,
von denen jeder in einem Kanal angeordnet ist, der zwischen zwei
Schaufeln des Verwirbelers liegt. Der zweite radiale Strömungsverwirbeler 56 besitzt
mehrere Primär-Brennstoffinjektoren 60,
von denen jeder in einem Kanal liegt, der zwischen zwei Schaufeln
des Verwirbelers angeordnet ist. Die ersten und zweiten radialen
Strömungsverwirbeler 54 und 56 sind
derart angeordnet, dass sie die Luft in Gegenrichtung verwirbeln.
Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel sind
Primär-Brennstoffinjektoren 58 und
Primär-Brennstoffinjektoren 60 als
zwei axial im Abstand angeordnete Gruppen von Öffnungen in jeweils einer von
mehreren axial verlaufenden hohlen Rohrkörpern angeordnet. Eine detaillierte
Beschreibung der Benutzung der beiden radialen Strömungsverwirbeler
und der Brennstoffinjektoren, die in den zwischen den Schaufeln
angeordneten Kanälen
liegen, findet sich in unserer internationalen Patentanmeldung Nr.
WO9207221. Der primäre
Brennstoff wird mit der Luft in den Kanälen zwischen den Schaufeln von
ersten und zweiten radialen Strömungsverwirbelern 54 und 56 vermischt.
Das vorgemischte Brennstoff/Luft-Gemisch,
das die ersten und zweiten radialen Strömungsverwirbeler 54 und 56 verlässt, wird der
Primär-Verbrennungszone 36 zugeführt. Die
ersten und zweiten radialen Strömungsverwirbeler 54, 56 definieren
die Primär-Brennstoff/Luft-Mischkanäle.
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Es
ist außerdem
ein zentraler Pilotinjektor 62 am stromaufwärtigen Ende
einer jeden rohrförmigen Brennkammer 28 vorgesehen.
Jeder zentrale Pilotinjektor 62 liegt koaxial zu der jeweiligen Öffnung 52 und
in der Achse derselben. Jeder zentrale Pilotinjektor 62 ist
derart angeordnet, dass Brennstoff in die Primär-Verbrennungszone 36 eingeführt wird.
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Für jede der
rohrförmigen
Brennkammern 28 ist ein ringförmiger Sekundär-Brennstoff/Luft-Mischkanal 64 vorgesehen.
Jeder Sekundär-Brennstoff/Luft-Mischkanal 64 ist
koaxial um die Primär-Verbrennungszone 36 herum
angeordnet. Jeder der Sekundär-Brennstoff/Luft-Mischkanäle 64 ist
zwischen einer zweiten Ringwand 66 und einer dritten Ringwand 68 definiert.
Die zweite Ringwand 66 definiert das radial innere Ende
des Sekundär-Brennstoff/Luft-Mischkanals 64 und
die dritte Ringwand 68 definiert das radial äußere Ende
des Sekundär-Brennstoff/Luft-Mischkanals 64.
Das axial stromaufwärtige
Ende 70 der zweiten Ringwand 66 ist an einer Seitenplatte
des ersten radialen Strömungsverwirbelers 54 festgelegt.
Die axial stromaufwärtigen Enden 70 und 72 der
zweiten und dritten Ringwände 66 und 68 liegen
im Wesentlichen in dergleichen Ebene senkrecht zur Achse der rohrförmigen Brennkammer 28.
Der Sekundär-Brennstoff/Luft-Mischkanal 64 besitzt
einen Sekundär-Lufteinlass 74,
der radial zwischen dem stromaufwärtigen Ende 70 der zweiten
Ringwand 64 und dem stromaufwärtigen Ende 72 der
dritten Ringwand 66 angeordnet ist.
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Am
stromabwärtigen
Ende der Sekundär-Brennstoff/Luft-Mischkanäle 64 sind
die zweiten und dritten Ringwände 66 und 68 jeweils
an dem kegelstumpfförmigen
Abschnitt 50 festgelegt, und der kegelstumpfförmige Abschnitt 50 ist
mit mehreren im gleichen Umfangsabstand angeordneten Öffnungen 76 versehen.
Die Öffnungen 76 richten
das Brennstoff/Luft-Gemisch in die Sekundär-Verbrennungszone 40 in
der rohrförmigen
Brennkammer 28 in Richtung stromab nach der Achse der rohrförmigen Brennkammer 28.
Die Öffnungen 76 können rohrförmig oder
als Schlitze ausgebildet sein und sie haben die gleiche Strömungsdurchlassfläche.
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Die
Sekundär-Brennstoff/Luft-Mischkanäle 64 vermindern
sich in ihrer Querschnittsfläche
vom Einlass 74 am stromaufwärtigen Ende nach den Öffnungen 76 am
stromabwärtigen
Ende. Die zweiten und dritten Ringwände 66 und 68 des
Sekundär-Brennstoff/Luft-Mischkanals 64 sind
so gestaltet, dass ein aerodynamisch glatter Kanal 64 geschaffen wird.
Die Form des Sekundär-Brennstoff/Luft-Mischkanals 64 erzeugt
daher eine beschleunigte Strömung
durch den Kanal 64, ohne dass irgendwelche Bereiche vorhanden
sind, wo eine Rezirkulationsströmung
auftreten kann.
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Es
sind mehrere Sekundär-Brennstoffsysteme 78 vorgesehen,
um Brennstoff dem Sekundär-Brennstoff/Luft-Mischkanal 64 einer
jeden rohrförmigen
Brennkammer 28 zuzuführen.
Das Sekundär-Brennstoffsystem 78 für jede rohrförmige Brennkammer 28 besteht
aus einer ringförmigen
Sekundär-Brennstoffleitung 80,
die koaxial zu der rohrförmigen
Brennkammer 28 am stromaufwärtigen Ende der rohrförmigen Brennkammer 28 angeordnet
ist. Jede Sekundär-Brennstoffleitung 80 hat
mehrere im gleichen Umfangsabstand angeordnete Sekundär-Brennstoffinjektoren 82.
Jeder der Sekundär-Brennstoffinjektoren 82 besteht
aus einem Hohlkörper 84,
der sich axial bezüglich
der rohrförmigen Brennkammer 28 von
der Sekundär-Brennstoffleitung 80 in
Richtung stromab durch den Einlass 74 des Sekundär-Brennstoff/Luft-Mischkanals 64 in
den Sekundär-Brennstoff/Luft-Mischkanal 64 erstreckt. Die
Sekundär-Brennstoffinjektoren 82 besitzen Öffnungen 86,
die den Brennstoff im Wesentlichen in Umfangsrichtung von gegenüberliegenden
Seiten des Hohlkörpers 84 richten.
Unsere europäische
Patentanmeldung Nr. 0687864A2, die am 20. Dezember 1995 veröffentlicht
wurde, liefert eine vollständige Beschreibung
der Sekundär-Brennstoffinjektoren.
Es kann jedoch möglich
sein, Sekundär-Brennstoffinjektoren
zu benutzen, wie sie in unserer internationalen Patentanmeldung
Nr. WO9207221 beschrieben sind.
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Die
katalytische Verbrennungszone 44 in jeder rohrförmigen Brennkammer 28 weist
eine Honigwabenstruktur 88 auf, die mit einem Katalysator überzogen
ist oder aus einem Katalysator besteht. Beispielsweise kann die
katalytische Verbrennungszone einen mit Katalysator überzogenen
keramischen Honigwabenmonolithen aufweisen oder einen metallischen
Honigwabenaufbau, der mit einem Katalysator überzogen ist oder es kann ein
keramischer Honigwabenmonolith Verwendung finden, der aus einem Katalysator
besteht. Der Honigwabenaufbau 88 der katalytischen Verbrennungszone 44 weist
mehrere Kanäle 90 auf,
die durch Wände 92 getrennt
sind, welche mit einem Katalysator überzogen sind. Die Kanäle 90 besitzen
an ihrem stromaufwärtigen
Ende einen Einlass 94. Die katalytische Verbrennungszone 44 ist
nicht auf einen Honigwabenaufbau beschränkt.
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Es
sind mehrere Übergangskanäle 96 in
dem Brennkammeraufbau 16 vorgesehen und das stromaufwärtige Ende
eines jeden Übergangskanals 96 besitzt
einen kreisförmigen
Querschnitt. Das stromaufwärtige
Ende eines jeden Übergangskanals 96 liegt
koaxial zu dem stromabwärtigen
Ende einer entsprechenden rohrförmigen
Brennkammer 28, und jeder der Übergangskanäle 96 bewirkt eine
Verbindung und Abdichtung mit einem Winkelabschnitt der Düsenleitschaufeln.
Das stromabwärtige
Ende einer jeden rohrförmigen
Brennkammer 28 und das stromaufwärtige Ende des entsprechenden Übergangskanals 96 sind
in einem Trägeraufbau 98 angeordnet, wie
dieser beispielsweise in unserer britischen Patentanmeldung GB-A-2293232
beschrieben ist, die am 20. März
1996 veröffentlicht
wurde.
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Eine
homogene Verbrennungszone 100 wird stromab der katalytischen
Verbrennungszone 44 innerhalb des Übergangskanals 96 definiert.
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Die
katalytische Verbrennungszone 44 ist mit einem oder mehreren
Temperatursensoren 102 ausgestattet, die beispielsweise
als Thermoelemente ausgebildet sein können und am stromaufwärtigen Ende
im Einlauf 94 des Kanals 90 des Honigwabenaufbaus 88 angeordnet
sind. Die Temperatursensoren 102 messen die Temperatur
am Eintritt der katalytischen Verbrennungszone 44 und liefern
ein elektrisches Signal oder mehrere elektrische Signale entsprechend
der gemessenen Temperatur am Eintritt der katalytischen Verbrennungszone 44,
wobei die Signale einem Prozessor 104 über elektrisch leitfähige Drähte 116 zugeführt werden.
Der Prozessor 104 analysiert die elektrischen Signale,
die von den Temperatursensoren 102 geliefert werden und
steuert die Arbeitsweise der Brennstoffventile 106, 108 und 110, die
die Brennstoffzufuhr aus der Brennstoffquelle 112 über ein
Rohr 114 nach den Primär-Brennstoffinjektoren 58 und 60,
den Pilot-Brennstoffinjektoren 62 und die Sekundär-Brennstoffinjektoren 82 steuert,
um die Temperatur am Eintritt der katalytischen Verbrennungszone 44 innerhalb
eines vorbestimmten Temperaturbereichs aufrecht zu erhalten.
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Der Übergangskanal 96 ist
mit einem Stabilisator 112 ausgerüstet, um den homogenen Verbrennungsprozess
zu stabilisieren. Der Stabilisator hat vorzugsweise die Gestalt
einer plötzlich
sich vergrößernden
Querschnittsfläche
des Übergangskanals 96.
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Im
Betrieb hält
der Prozessor 104 die Temperatur am Eintritt der katalytischen
Verbrennungszone 44 im typischen Falle in einem Temperaturbereich zwischen
650°C und
850°C. Der
gewählte
Temperaturbereich ist abhängig
von dem jeweiligen Katalysatormaterial, das in der katalytischen
Verbrennungszone 44 benutzt wird. Bei sehr geringer Leistung, etwa
unter 10% der vollen Leistung, schließt der Prozessor 104 die
Ventile 106 und 110 und öffnet das Ventil 108 derart,
dass der gesamte Brennstoff der Primär-Verbrennungszone 36 aus
den Pilot-Brennstoffinjektoren 62 zugeführt wird.
Bei Leistungen über etwa
10% der vollen Leistung und weniger als etwa 40% der vollen Leistung
schließt
der Prozessor 104 das Ventil 106 und öffnet die
Ventile 108 und 110, so dass Brennstoff in die
Primär-Verbrennungszone 36 von
den Pilot-Brennstoffinjektoren 62 und in die Sekundär- Verbrennungszone 40 aus
den Sekundär-Brennstoffinjektoren 82 zugeführt wird.
Bei einer Leistung über
etwa 40% der vollen Leistung bis herauf zur vollen Leistung schließt der Prozessor 104 das
Ventil 108 und öffnet
die Ventile 106 und 110, so dass der Brennstoff
in die Primär-Verbrennungszone 36 von
den Primär-Brennstoffinjektoren 58, 60 zugeführt und
von den Sekundär-Brennstoffinjektoren 82 der
Sekundär-Verbrennungszone 40 zugeführt wird. Die
jeweiligen Leistungspegel gelten für die beschriebene Anordnung
und sie können
sich in Abhängigkeit von
der Wirkungsweise des Kompressors ändern.
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Bei
hoher Leistung hält
der Prozessor 104 die Temperatur am Eintritt der katalytischen
Verbrennungszone 44 auf der minimalen Temperatur innerhalb
des vorbestimmten Temperaturbereichs beispielsweise auf 650°C und die
Länge der
katalytischen Verbrennungszone 44 wird derart gewählt, dass
die maximale Wandtemperatur innerhalb der katalytischen Verbrennungszone 44 beispielsweise 1100°C nicht überschreitet.
Diese Temperatur ist wiederum abhängig von dem Katalysatormaterial
in der katalytischen Verbrennungszone 44. Es ist auch notwendig
zu gewährleisten,
dass die minimale Temperatur am Einlass der katalytischen Verbrennungszone 44 derart
aufrecht erhalten wird, dass die Temperatur in der Primär-Verbrennungszone 36 bei
etwa 1800°K,
d. h. 1527°C,
liegt. Dies wird dadurch erreicht, dass die primäre und sekundäre Luftströmungsverteilung
so gewählt
wird, dass bei maximaler Leistung die Temperatur in der Primär-Verbrennungszone 36 auf
dem Minimalwert bleibt, um die tiefste Temperatur am Einlass nach
der katalytischen Verbrennungszone 44 zu halten, nachdem
die Primärströmung und
die Sekundärströmung vermischt sind.
Bei dem speziellen Ausführungsbeispiel
wird dies dadurch erreicht, dass die Menge der Primärluft vermindert
wird, die der Primär-Verbrennungszone 36 zugeführt wird.
Die Verbrennungsreaktionen werden in der homogenen Verbrennungszone 100 vollendet.
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Wenn
die Leistung von der hohen Leistung graduell abfällt, dann erhöht der Prozessor 104 graduell
die Temperatur am Einlass der katalytischen Verbrennungszone 44,
um zu gewährleisten,
dass eine höhere
Konversionsrate in der katalytischen Verbrennungszone 44 auftritt
und außerdem
gewährleistet
wird, dass vollständige
homogene Reaktionen in der homogenen Verbrennungszone 100 auftreten. Als
Folge der Wahl der Primär-
und Sekundär-Luftströmungen nach
der Primär-Verbrennungszone 36 und
der Sekundär-Verbrennungszone 40 bei
hohen Leistungen zum Erreichen einer Primärtemperatur von etwa 1800°K, d. h.
1527°C,
wird die Temperatur in der Primär-Verbrennungszone 36 etwa
1950°K,
d. h. 1677°C,
bei geringeren Leistungen von etwa 40% der vollen Leistung. Wenn
die Leistung graduell vermindert wird, dann vermindert sich die
Temperatur der Luft, die vom Kompressor geliefert wird, und die Brennstoffkonzentration
wird vermindert und demgemäß vermindert
sich die katalytische Verbrennungszonen-Auslasstemperatur. Um eine konstante
katalytische Verbrennungszonen-Auslasstemperatur
zu erreichen, wird die Einlasstemperatur der katalytischen Verbrennungszone
erhöht,
indem die Temperatur in der Primär-Verbrennungszone
erhöht
wird. Die Leistungspegel zur Schaltung werden durch die Temperatur
der Luft diktiert, die vom Kompressor geliefert wird und demgemäß erfordert
die Brennstoffsteuerung wenigstens einen Temperatursensor 118,
um die Temperatur der Luft zu messen, die an die Brennkammer vom
Kompressor ausgegeben wird. Der wenigstens eine Temperatursensor 118 ist
an einer geeigneten Stelle angeordnet, beispielsweise am stromabwärtigen Ende
des Kompressors. Der Temperatursensor 118 ist beispielsweise
ein Thermoelement.
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Diese
Anordnung vermindert dann die NOx-Pegel relativ zu den beiden Stufen
oder den drei Stufen der Brennstoffinjektion in eine Brennkammer eines
Gasturbinentriebwerkes, bei dem in allen Stufen der Verbrennung
eine magere Verbrennung auftreten soll und demgemäß die niedrigen
Verbrennungstemperaturen erforderlich sind, um den NOx-Gehalt auf
etwa 50% zu vermindern, indem allein die Menge der Primärluft vermindert
wird, die in der Primär-Verbrennungszone
Anwendung findet. Diese Anordnung ermöglicht es auch, dass die NOx-Pegel
auf weniger als 25 volumetrische Teile pro Million über den
Bereich zwischen 40% und 100% der vollen Leistung abfallen, wobei
gleichzeitig geringe Emissionspegel von Kohlenmonoxid aufrecht erhalten
bleiben. Die Verminderung in der benutzten Primärluft ist eine Folge der verminderten Menge von
Brennstoff, der in der Primär-Verbrennungszone 36 benutzt
wird, die unter einer höheren Temperatur
als die Sekundär-Verbrennungszone 40 arbeitet.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
der Primär-Brennstoffbedarf durch
die Temperatursensoren im Einlass der katalytischen Verbrennungszone
diktiert wird, und daher entfällt
die Notwendigkeit einer Kenntnis der Brennstoffzusammensetzung und
der Luftfeuchtigkeit. Außerdem
erfordern die Brennstoffventile keine präzise Eichung.
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Außerdem kann
die katalytische Verbrennungszone in die bestehende Anordnung eingebaut werden.
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Die
Erfindung wurde vorstehend beschrieben in Verbindung mit Verwirbelern
zur Vermischung von Primärbrennstoff
und Luft, aber es können
auch andere geeignete Mischvorrichtungen benutzt werden, um Primärbrennstoff
und Luft zu vermischen. In gleicher Weise können geeignete andere Mischvorrichtungen
zum Vermischen von Sekundärbrennstoff und
Luft benutzt werden. Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung
mit rohrförmigen
Brennkammern beschrieben, sie ist jedoch auch anwendbar auf ringförmige Brennkammern
und andere Typen von Brennkammern.
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Die
Temperaturmessung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf ein Thermoelement
beschrieben, jedoch können
auch andere geeignete Temperatursensoren benutzt werden.