DE69834621T2

DE69834621T2 - Gasturbinenbrenner mit niedrigem NOx Ausstoss

Info

Publication number: DE69834621T2
Application number: DE69834621T
Authority: DE
Inventors: Irving Boyton Beach Segalman; James B. Tolland Hoke; Kenneth S. West Palm Beach Siskind; Geoffrey J. Beavercreek Sturgess; Reid D.C. Amston Smith
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1998-12-31
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2019-01-01
Also published as: EP0927854B1; EP0927854A2; US6240731B1; EP0927854A3; JPH11257665A; DE69834621D1

Description

Die Erfindung betrifft generell Gasturbinenbrennkammern und insbesondere eine Niedrig-NOx-Brennkammer und ein Betriebsverfahren.
Gasturbinenmaschinen geben verschiedene Schadstoffe einschließlich Stickoxyde ("NOx") ab. NOx wird hauptsächlich durch thermische Fixierung von Stickstoff gebildet und ergibt sich aus der Hochtemperaturverbrennung von Brennstoff und Luft in der Gasturbinenmaschine. Umweltbedenken und strengere gesetzliche Regulierungen der NOx-Emissionen haben Konstrukteure angetrieben, verschiedene Verfahren zum Verringern der Bildung von NOx durch Gasturbinenmaschinen zu untersuchen. Beispiele von Vorrichtungen zum Verringern oder Kontrollieren von NOx sind in den folgenden Patenten der gleichen Anmelderin beschrieben: (1) Snyder et al., US 5256352 , welches am 26. Oktober 1993 erteilt wurde und den Titel "Air-Liquid Mixer" trägt; (2) McVey et al., US 5263325 , welches am 23. November 1993 erteilt wurde und den Titel "Low NOx Combustion" trägt, und (3) Marshall, US 5406799 , welches am 18. April 1995 erteilt wurde und den Titel "Combustion Chamber" trägt.
Zwei grundlegende Ansätze für ein Niedrig-NOx-Brennstoffinjektionssystem sind (1) ein lokal mageres stöchiometrisches System und (2) ein lokal reiches stöchiometrisches System. Es ist bei einem brennstoffreichen Ansatz wünschenswert, in dem Brennstoffsprüh-Äquivalenzverhältnis über 1,6 vor dem schnellen Herunterfahren auf geeignete magere Verbrennungsniveaus zu arbeiten. Das System auf reicher Basis erfordert auch einen schnellen Mischprozess, der mit etwas Abstand strömungsabwärts von der Brennstoffinjektionsvorrichtung kontrolliert wird, so dass während des Prozesses des schnellen Herunterfahrens oder des schnellen Absenkens kein übermäßiges NOx erzeugt wird. Jedoch ist der reiche Ansatz anfällig für eine mögliche Zunahme von Rauch. Es ist deshalb wünschenswert, ein brennstoffreiches Brennkammersystem und ein Betriebsverfahren bereitzustellen, die NOx ohne nachteilige Rauchzunahme verringern.
EP 0780 638 A2 beschreibt eine Brennkammer für eine Gasturbine mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 16.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine ringförmige Brennkammer gemäß Anspruch 16 bereitgestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer ringförmigen Brennkammer einer Gasturbinenmaschine gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Brennstoff-Luft-Sprühmuster für die erste vorbestimmte Strecke beibehalten ohne ein Einbringen zusätzlicher Luftströmung zum Vermischen, Konditionieren oder Verbrennen. in das Brennstoff-Sprühmuster.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine Seitenschnittansicht einer ersten Ausführungsform der Brennkammer der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht, zum Teil weggebrochen, einer Ausführungsform einer Düsen-/Führungsanordnung, die nicht in den Umfang der vorliegenden Erfindung fällt, deren Beschreibung jedoch zum Verständnis bestimmter Merkmale der Erfindung beibehalten wurde;
3 ist eine Ansicht der Düse von 2;
4 ist eine Seitenschnittansicht der Düse von 3;
5 ist eine rückwärtige Ansicht der Düse von 3;
6 ist eine vergrößerte Ansicht der Führung von 2;
7 ist eine Schnittansicht betrachtet an der Linie 7-7 von 6;
8 ist eine zum Teil schematische Seitenschnittansicht einer Ausführungsform einer Brennkammer der vorliegenden Erfindung; und
9 ist eine Darstellung der Winkelwirbelorientierung der Wirbeleinrichtungen der Düsen-/Führungsanordnung von 8.
Es wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Brennkammer der vorliegenden Erfindung ist dort gezeigt und generell mit dem Bezugszeichen 6 versehen. Die Brennkammer 6 weist generell Seitenwände 7, 8 auf, die mit einer Kuppel oder Endwand 9 verbunden sind, um eine längliche, ringförmige Verbrennungskammer 11 zu bilden. Eine Brennstoffinjektor-/Luftwirbeleinrichtungs-Anordnung in der Form einer Brennstoffdüsen-/Führungsanordnung, die generell mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist, ist in der Kuppel 9 an dem strömungsaufwärtigen Ende der Verbrennungskammer 11 angebracht. Die Kuppel 9 weist an der Innenseite der Kuppel 9 angebrachte Hitzeschilder 13 auf, die an die Düsenführungsanordnung 10 anschließen.
Die Seitenwände 7, 8 weisen eine erste Anordnung 15 von Lufteinlässen oder -passagen 17 zum Einbringen einer Luftströmung in die Verbrennungskammer, wie durch den Strömungspfeil 21 angezeigt, auf. Die Lufteinlässe 17 sind um die Verbrennungskammer umfangsmäßig angeordnet und mit einem vorbestimmten Abstand "L" strömungsabwärts von den Hitzeschildern 13 der Kuppel 9 positioniert. Die Kuppel 9 hat eine Höhenabmessung "H" (nicht gezeigt), welche zwischen den Seitenwänden 7, 8 gemessen ist, und, wie nachfolgend detaillierter beschrieben werden wird, ist der Abstand L der Lufteinlässe hinsichtlich der Kuppelhöhe H definiert. Die Seitenwände 7, 8 weisen auch eine zweite Anordnung 25 von umfangsmäßig angeordneten Lufteinlässen 19 auf, die strömungsabwärts von den Einlässen 17 zum ähnlichen Einbringen einer Luftströmung in die Verbrennungskammer, wie durch die Strömungspfeile 23 angezeigt, angeordnet sind. Zusätzliche Anordnungen von Einlässen können abhängig von der Anwendung verwendet werden.
Die Düsen-/Führungsanordnung 10 ist konfiguriert, dass ein strömungsabwärts fließendes, brennstoffreiches, stark vermischtes, gleichförmig verteiltes Brennstoff-/Luftmuster in der Verbrennungskammer 11 geschaffen wird.
Die Düsen-/Führungsanordnung 10 (die zum besseren Verständnis der Erfindung beschrieben ist) weist generell eine Düse 14 (3) und eine Düsenführung 16 (6), wie in der 2 zusammengebaut gezeigt, auf. Es wird auf die 3 bis 5 Bezug genommen. Die Düse 14 hat einen Kopf 18, der mit der Basis 22 durch einen Stamm 20 verbunden ist. Die Basis 22 hat ein Anschlusselement 24 zum Verbinden mit einer Brennstoffquelle (nicht gezeigt). Ein Brennstoffzuführsystem 26 hat eine Brennstoffzuführpassage 28, die in einem ringförmigen Abgabeauslass 30 zum Zuführen von Brennstoff von dem Anschlusselement 24 zu dem Abgabeauslass 30 endet. Das Brennstoffzuführsystem 26 ist von dem Typ, der einen dünnen Film oder eine dünne Lage aus Brennstoff an den Abgabeauslass 30 liefert, wie das in dem US-Patent Nr. 4946105 der gleichen Anmelderin an Pane, Jr. et al. beschrieben ist, welches am 07. August 1990 erteilt wurde und den Titel "Fuel Nozzle For Gas Turbine Engine" trägt (dessen Offenbarung durch Bezugnahme hierein aufgenommen wird), und ein derartiges System ist hier für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht weiter beschrieben.
Der Düsenkopf 18 weist eine Axial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung 32 und eine Radial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung 34 auf. Die Wirbeleinrichtung 32 weist eine Luftpassage 36 konzentrisch zur Mittellinie 38 des Kopfes 18 mit einem Einlassende 44 zum Aufnehmen der axial einwärts strömenden Luft, eine Leitelementanordnung 40 zum Vermitteln eines Wirbels auf die Luft und ein Auslassende 42, welches an den Brennstoffabgabeauslass 30 anschließt, auf.
Wie man am besten in der 2 erkennt, hat die Radial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung 34 eine ringförmige Luftpassage 46 konzentrisch zur Mittellinie 38 mit einem Auslassende 48, welches an den Brennstoffabgabeauslass 30 anschließt, und ein inneres Ende 50. Das innere Ende 50 hat eine Mehrzahl von gleich beabstandeten, umfangsmäßig angeordneten Lufteinlassöffnungen 52. Die Öffnungen 52 öffnen sich radial nach außen für die radiale Einwärtsströmung der Luft in die Passage 46. Jede Öffnung 52 hat ein anschließendes Wirbel-Leitelement 54, welches mit einem vorbestimmten Wirbelwinkel angeordnet ist, um der einströmenden Luft einen Wirbel zu vermitteln. Der Winkel des Leitelements bestimmt die Menge an der einströmenden Luft vermittelter Verwirbelung und die Leitelemente 54 können positioniert sein, um entweder einen Wirbel im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn zu liefern, d. h. gemeinsam wirbelnd oder gegenläufig wirbelnd relativ zu dem Wirbel der Wirbeleinrichtung 32, abhängig von der Anwendung. (Der Leitelementwinkel wird normalerweise relativ zu einer Rechtwinkligen an dem Mittelpunkt gemessen.) Wie man in der 2 erkennt, konvergiert die ringförmige Passage 46 generell radial nach innen im Verlauf der Passage in Längsrichtung von dem inneren Ende 50 zu dem Auslassende 48.
Der an dem Brennstoffabgabeauslass erzeugte Brennstofffilm ist konzentrisch zu dem Luftauslass 42 der Wirbeleinrichtung 32 und dem Luftauslass 48 der Wirbeleinrichtung 34 und zwischen diesen angeordnet, um den Brennstofffilm an einer Seite der Hochgeschwindigkeitsluft von der Wirbeleinrichtung 32 und an der anderen Seite der Hochgeschwindigkeitsluft von der Wirbeleinrichtung 34 auszusetzen. Die Hochgeschwindigkeitswirbelluft an jeder Seite des Brennstofffilms erzeugt eine Scheerschicht, welche den Brennstoff zerstäubt und eine schnelle Vermischung der strömungsabwärts strömenden Brennstoff-Luftmischung erzeugt. Man glaubt, dass die Radial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung mehr Luftströmung verglichen mit ähnlich dimensionierten Axialwirbeleinrichtungen schafft und dass sie dazu beiträgt, Leitelement-Wirbelschleppen zu verringern und eine gleichförmigere Brennstoff-Luftmischung mit schneller Vermischung liefert.
Die Führung 16 wird verwendet, um die Düse 14 in der Kuppel 9 anzubringen und die Düse relativ zur Brennkammer korrekt auszurichten, wie in dem US-Patent 5463864 der gleichen Inhaberin an Butler et al. beschrieben, welches am 07. November 1995 erteilt wurde und den Titel "Fuel Nozzle Guide For A Gas Turbine Engine Combustor" trägt (dessen Offenbarung hierein durch Bezugnahme aufgenommen wird). Es wird auf die 6 und 7 Bezug genommen. Die Führung 16 hat eine generell ringförmige Basis 56 mit einem nach außen ragenden kegelstumpfförmigen Nabenabschnitt 58, die eine zentrale Befestigungsöffnung 60 bilden, die dimensioniert ist, um die Befestigung des Kopfes 18 (2) für eine enge Gleit-Passmontage zuzulassen. Die Mittellinie der Führung (nicht gezeigt) ist gleichverlaufend mit der Mittellinie 38 des Kopfs 18, wenn er in der Führung 16 montiert ist.
Die Führung 16 weist eine Radial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung 62 auf. Die Wirbeleinrichtung 62 hat eine kegelstumpfförmige Luftpassage 64, die in dem Nabenabschnitt 58 konzentrisch zur Mittellinie 38 (wenn der Düsenkopf 18 in der Führung 16 montiert ist) gebildet ist, mit einem ringförmigen Auslassende 66, welches um den Auslass 48 der Wirbeleinrichtung 34 konzentrisch und benachbart ist (2). Das innere Ende 68 der Passage 64 ist in der ringförmigen Basis 56 positioniert und hat eine Mehrzahl von gleich beabstandeten, umfangs mäßig angeordneten Lufteinlassöffnungen 70. Die Öffnungen 70 öffnen sich radial nach außen für das radiale Einströmen von Luft in die Passage 64. Jede Öffnung 70 hat eine anschließende Wirbel-Leitelementoberfläche 72, die mit einem vorbestimmten Wirbelwinkel angeordnet ist, um der einströmenden Luft einen Wirbel zu vermitteln. Der Winkel der Leitelementoberfläche bestimmt das Ausmaß an Verwirbelung, welche der einströmenden Luft vermittelt wird, und die Leitelementoberflächen 72 können positioniert sein, entweder einen Wirbel im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn zu liefern, d. h. relativ zu dem Wirbel von den Wirbeleinrichtungen 32, 34 abhängig von der Anwendung gleichsinnig oder gegensinnig zu wirbeln. Wie man in der 2 erkennt, konvergiert die kegelstumpfförmige Passage 64 radial nach innen im Verlauf der Erstreckung der Passage in Längsrichtung von dem inneren Ende 68 zu dem Auslassende 66, so dass die wirbelnde Luft einem progressiv konvergierenden schraubenförmigen Luftweg folgt.
Die wirbelnde Luft von dem Auslass 66 wird in die Brennstoff-Luftmischung von dem Düsenkopf 18 gelenkt und erzeugt (oberhalb Leerlaufleistung) eine brennstoffreiche, gleichförmigere Brennstoff-Luftmischung mit schnellem Vermischen, wenn sich die Mischung strömungsabwärts bewegt.
Die Führung 16 weist eine zusätzliche Luftquelle für die Brennstoff-Luftmischung in der Form einer Mehrzahl von Axial-Einwärtsströmungs-Luftpassagen 74 in einem Flanschbereich 76 der Basis 56 auf. Jede Passage 74 hat ein Einlassende 78 und ein Auslassende 80 (7) und ist generell parallel zur Passage 64 aneordnet, d. h. von der Basis nach außen und radial einwärts verlaufend. Wie man am besten in der 6 erkennt, sind die Auslässe 80 in einer konzentrischen Anordnung um den Auslass 66 der Wirbeleinrichtung 62 angeordnet. Man glaubt, dass Luft von den Auslässen 80 den Bereich um die Düsen spült und zu dem Vermischen und dem Strömen der Brennstoff-Luftmischung beiträgt. Alternativ kann die Passage angeordnet sein, um der abgegebenen Luft etwas Verwirbelung zu vermitteln, um so einen äußeren Vorhang oder ein äußeres Muster zu liefern, was tendenziell die reiche Brennstoff-Luftmischung zentral am Kern strömungsabwärts begrenzen kann.
In der gezeigten Ausführungsform, die eine Brennkammer für eine Maschine mit 20. 000 lb (89kN) Schub zeigt, beträgt der Leitelementwinkel für die Wirbeleinrichtung 32 70°, der Leitelementwinkel für die Wirbeleinrichtung 34 ist 47° und der Leitelementwinkel für die Wirbeleinrichtung 62 beträgt 22°. Diese Konfiguration liefert eine schnell vermischende, hoch gleichförmige strömungsabwärts strömende Brennstoff-Luftmischung in die Brennkammer 11, welche zu einem Niedrig-NOx-Verbrennungsprozess beiträgt. Außerdem ist die Kuppelhöhe 4,0'' (101,5 mm) und der Abstand L zur ersten Reihe von Lufteinlässen 17 beträgt 3,1'' (78,7 mm) (so dass L/H = 0,78). Die Anordnung von Einlässen 17 ist dimensioniert, in die Verbrennungskammer etwa 21 % der Luftströmung einzubringen, welche in die Brennkammer gelangt. Die Anordnung von Einlässen 19 ist dimensioniert, in die Verbrennungskammer etwa 27% der Luftströmung einzubringen, welche in die Brennkammer gelangt. Die Düsen-/Führungsanordnung 10 injiziert etwa 14 bis 15% der Luftströmung. Für eine spezielle Anwendung muss die präzise Größe und Position der Lufteinlässe durch Testen statt durch Berechnen bestimmt werden.
In einer ähnlichen Brennkammer (nicht gezeigt), die für eine größere Maschine mit 98. 000 lb (436 kN) Schub bemessen ist, beträgt der Leitelementwinkel für die Wirbeleinrichtung 32 70°, der Leitelementwinkel für die Wirbeleinrichtung 34 beträgt 48° und der Leitelementwinkel für die Wirbeleinrichtung 62 beträgt 24°. Die Kuppelhöhe beträgt 4,0'' (101,5 mm) und der Abstand L zur ersten Reihe von Lufteinlässen 17 beträgt 4,2'' (106,7 mm) (so dass L/H = 1,05). Die Anordnung von Einlässen 17 ist dimensioniert, in die Verbrennungskammer etwa 23% der Luftströmung einzubringen, welche in die Brennkammer gelangt. Die Anordnung von Einlässen 19 ist dimensioniert, in die Verbrennungskammer etwa 25% der Luftströmung einzubringen, die in die Brennkammer gelangt. Die Düsen-/Führungsanordnung 10 injiziert etwa 17 bis 18% der Luftströmung.
Es wird auf die 8 Bezug genommen, in der identische Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen. Dort ist eine Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer Führung 86 mit einer Radial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung 88 anstelle der Luftpassagen 74 gezeigt. Ähnlich zu der Wirbeleinrichtung 62 hat die Wirbeleinrichtung 88 eine ringförmige oder kegelstumpfförmige Luftpassage 90, die in dem Nabenabschnitt 58 konzentrisch um die Luftpassage 64 der Wirbeleinrichtung 62 mit einem ringförmigen Auslassende 92 konzentrisch um den Auslass 66 der Wirbeleinrichtung 62 und dieser benachbart gebildet ist. Das innere Ende 94 der Passage 90 ist in der ringförmigen Basis 56 positioniert und hat eine Mehrzahl von gleichmäßig beabstandeten, umfangsmäßig angeordneten Lufteinlassöffnungen 96. Die Öffnungen 96 öffnen sich radial nach außen für das radiale Einströmen von Luft in die Passage 90. Jede Öffnung 96 hat eine anschließende Wirbelleitelementoberfläche 98, die mit einem vorbestimmten Wirbelwinkel angeordnet ist, um der einströmenden Luft einen Wirbel zu vermitteln. Wie vorangehend beschrieben, können die Leitelementwinkel wie gewünscht gewählt sein und die Leitelementoberflächen 72 können positioniert sein, um relativ zu den anderen Wirbelelementen abhängig von der Anwendung entweder einen Wirbel im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn zu verschaffen.
Es wird auf die 9 Bezug genommen. Die Wirbelorientierung für die Ausführungsform der 8 ist gezeigt, wobei die Wirbelrichtung von Wirbelelementen 32, 34 (in der Düse) entgegengesetzt zu der Wirbelrichtung von Wirbelelementen 62, 88 ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Leitelementwinkel der Wirbelelemente 32, 34 unverändert, während der Leitelementwinkel der Wirbeleinrichtung 88 10° beträgt und der Leitelementwinkel der Wirbeleinrichtung 62 45° beträgt. Man glaubt, dass das ausströmende Brennstoff-Luftmischungsmuster durch die verwirbelte Luft 100 von der äußeren Wirbeleinrichtung 88 enger begrenzt ist, wie in der 8 (nicht im Maßstab) schematisch gezeigt, während die Wirbelluft 102 (entgegengesetzt zur Luft von den Wirbeleinrichtungen 32, 24) zu dem schnellen Vermischen der Brennstoff-Luftmischung zu einem verbesserten gleichförmigen Zustand für die Verbrennung beiträgt.
Es wird wieder auf die 1 Bezug genommen. Die Düsen-/Führungsanordnung 10 erzeugt eine stark vermischte, gleichförmig verteilte, strömungsabwärts strömende brennstoffreiche Brennstoff-Luftmischung in die Verbrennungskammer. Die gleichförmige Verteilung ergibt sich aus der verbesserten Mischwirkung von den Wirbeleinrichtungen und eliminiert das Erfordernis für zusätzliche "Rauch-Kontroll"-Lufteinlässe in den Brennkammerwänden zwischen der Kuppel 9 und der ersten Anordnung 15 von Lufteinlässen 17, d. h. die gleichförmige Verteilung verringert das Auftreten von brennstoffreichen Taschen, welche Rauch verursa chen. Durch das Eliminieren derartiger "Rauch-Kontroll"-Lufteinlässe bleibt der Brennstoff-Luftsprühstrahl (in dem obigen Leerlaufleistungsbetrieb) länger in einem brennstoffreichen Zustand (d. h. der Bereich von ϕ für den brennstoffreichen Zustand ist 1,6 bis 3,3), was die Erzeugung von NOx begrenzt. Außerdem führt das Eliminieren der "Rauch-Kontroll"Lufteinlässe dazu, dass mehr Luftströmung zum schnellen Verdünnen und Absenken der Brennstoff-Luftmischung für eine kürzere Verweilzeit bei den hohen Flammentemperaturen verfügbar ist, welche NOx erzeugen, d. h. ein schneller Vermischungsprozess (in Folge einer gleichförmigeren Verteilung und mehr verfügbarer Luftströmung) und niedrigere Verweilzeit. Eine gleichförmigere Verteilung ist auch vorteilhaft für das Verringern von Temperaturstreifen an dem Abgabeende der Brennkammer, welches zu dem Turbinenabschnitt der Maschine geht. Insgesamt ist es vorteilhaft für das Kontrollieren von NOx, den Abstand zwischen dem Einbringen der Verdünnungs- und Absenkluft und dem Abgabeende der Brennkammer ohne ein unakzeptables Auftreten von Temperaturstreifen zu minimieren (d. h. und andererseits den Abstand von der Kuppel zu dem Einbringen der Verdünnungs- und Absenkluft zu maximieren).
Wie man aus dem Vorangehenden erkennt, wurden eine verbesserte Brennkammer und ein Verfahren zum Betrieb beschrieben, welche NOx-Emissionen in einer Gasturbinenmaschine ohne einen nachteiligen Rauchanstieg verringert. Die Brennkammer erzielt ein verbessertes Mischen, um so brennstoffreiche Taschen im wesentlichen zu verringern, um Rauch zu kontrollieren. Ein schneller Mischprozess wird mit etwas Abstand strömungsabwärts von dem Brennstoffinjektionsmechanismus erzielt und die Verweilzeit bei hoher Temperatur ist verringert.
Somit erkennt man, dass zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen die Erfindung eine neue und verbesserte Brennkammer und ein Verfahren zum Betrieb, welche NOx-Emissionen in einer Gasturbinenmaschine verringern, eine Brennkammer, die einen schnellen Mischprozess leistet, der mit etwas Abstand strömungsaufwärts von dem Brennstoffinjektionsmechanismus kontrolliert ist, eine Brennkammer, welche die Verweilzeit bei hoher Temperatur minimiert, eine Brennkammer, die eine kohärente zentrale Strömungsstruktur strömungsabwärts von der Düse erzielen kann, und eine Brennkammer, welche ein verbessertes Mischen liefert, um so brennstoffreiche Bereiche zu eliminieren oder substantiell zu verringern, um so Rauch zu kontrollieren, liefert.
Wie das für Fachleute ersichtlich ist, werden verschieden Modifikationen und Anpassungen der vorangehend beschriebenen Struktur ohne Abweichen von dem Umfang der Erfindung, wie sie in den angefügten Ansprüchen definiert ist, leicht ersichtlich.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer ringförmigen Brennkammer (6) einer Gasturbinenmaschine, wobei die Brennkammer eine Brennkammerkuppel (9) vorbestimmter Höhe, eine Brennstoffinjektor-/Luftwirbeleinrichtungs-Vorrichtung (10), die in der Kuppel (9) montiert ist, und Brennkammerseitenwände (7, 8) hat, die eine Verbrennungskammer bilden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Injizieren von Brennstoff und einer ersten vorbestimmten Menge an Luftströmung in die Verbrennungskammer (6), um ein brennstoffreiches, stark vermischtes, gleichförmig verteiltes Brennstoff-Luftsprühmuster zu bilden, welches in der Verbrennungskammer strömungsabwärts strömt; und Einbringen einer zweiten vorbestimmten Menge an Luftströmung in das Brennstoff-Luftsprühmuster aus Brennkammerlufteinlässen (17), die mit einem ersten vorbestimmten Abstand strömungsabwärts von der Kuppel (9) positioniert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste vorbestimmte Abstand größer als 0,75 Mal der Kuppelhöhe ist und dass die zweite vorbestimmte Menge an Luftströmung ausreichend ist, ein schnelles Vermischen und Absenken der reichen Brennstoff-Luftmischung auf eine magere Brennstoff-Luftmischung zu verursachen, und wobei die erste vorbestimmte Menge an Luftströmung in die Verbrennungskammer durch eine Anordnung eingebracht wird, welche aufweist: eine Brennstoffzuführpassage (28) mit einem Abgabeauslass (30) zum Abgeben von Brennstoff; eine erste Luftströmungswirbeleinrichtung (32) mit einem ersten Auslass (42), der angeordnet ist, um dem abgegebenen Brennstoff wirbelnde Luft zu liefern, wobei die erste Wirbeleineinrichtung (32) eine Axial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung ist und konfiguriert ist, um Luft in eine erste Winkelrichtung zu wirbeln; eine zweite Luftwirbeleinrichtung (34) mit einem zweiten Auslass (48), der angeordnet ist, um dem abgegebenen Brennstoff wirbelnde Luft zu liefern, wobei die zweite Wirbeleinrichtung (34) eine Radial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung ist und konfiguriert ist, um Luft in eine erste Winkelrichtung zu wirbeln, wobei der erste und der zweite Auslass (42, 48) angeordnet sind, dem Brennstoff wirbelnde Luft an dem Abgabeauslass (30) zu liefern, um eine strömungsabwärts strömende Brennstoff-Luftmischung zu erzeugen; eine dritte Luftströmungswirbeleinrichtung (62) mit einem dritten Auslass (66), der angeordnet ist, um der Brennstoff-Luftmischung wirbelnde Luft zu liefern, wobei die dritte Wirbeleinrichtung (62) eine Radial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung ist und konfiguriert ist, Luft in einer zweiten Winkelrichtung entgegengesetzt zu der erste Winkelrichtung zu wirbeln; und eine vierte Luftströmungswirbeleinrichtung (88) mit einem vierten Auslass (92), der angeordnet ist, der Brennstoff-Luftmischung wirbelnde Luft zu liefern, wobei die vierte Wirbeleinrichtung (88) eine Radial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung mit dem vierten Auslass (92) ist, der um den dritten Auslass (66) der dritten Wirbeleinrichtung (62) angeordnet ist und konfiguriert ist, Luft in der zweiten Winkelrichtung zu wirbeln.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend den Schritt des Beibehaltens des Brennstoff-Luftsprühmusters für den ersten vorbestimmten Abstand strömungsabwärts von der Kuppel ohne das Einbringen zusätzlicher Luftströmung zum Mischen, Konditionieren oder Verbrennen in das Brennstoff-Luftsprühmuster.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste vorbestimmte Abstand etwa 0,78 Mal die Kuppelhöhe beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste vorbestimmte Abstand größer als 0,90 Mal der Kuppelhöhe ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste vorbestimmte Abstand etwa die Kuppelhöhe ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste vorbestimmte Abstand größer als die Kuppelhöhe ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite vorbestimmte Menge an Luftströmung größer als 35% der Luftströmung ist, welche in die Brennkammer gelangt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite vorbestimmte Menge an Luftströmung größer als 45% der Luftströmung ist, welche in die Brennkammer gelangt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste vorbestimmte Menge an Luftströmung etwa 14% der Luftströmung ist, die in die Brennkammer gelangt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite vorbestimmte Menge an Luftströmung etwa 49% der Luftströmung ist, welche in die Brennkammer gelangt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste vorbestimmte Menge an Luftströmung etwa 17% der Luftströmung ist, welche in die Brennkammer gelangt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste vorbestimmte Menge an Luftströmung ausreichend ist, die Rauchbildung vor dem Einbringen einer zweiten vorbestimmten Menge an Luftströmung zu kontrollieren.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Injizierens von Brennstoff und einer ersten vorbestimmten Menge an Luftströmung das Injizieren von Brennstoff und einer ersten vorbestimmten Menge an Luftströmung aufweist, ausreichend, das Brennstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis in einem Bereich von 1,6 bis 3,3 vor dem Einbringen einer zweiten vorbestimmten Menge an Luftströmung beizubehalten.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Einbringens einer zweiten vorbestimmten Menge an Luftströmung das Einbringen der zweiten vorbestimmten Menge an Luftströmung bei einem maximalen Abstand von der Kuppel (9) ohne das Auftreten von Temperaturstreifen aus dem Abgabeende der Brennkammer aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Einbringens einer zweiten vorbestimmten Menge an Luftströmung das Einbringen der zweiten vorbestimmten Menge an Luftströmung durch zwei umfangsmäßig beabstandete Anordnungen (15, 25) von Brennkammerlufteinlässen (17, 19) aufweist.
Ringförmige Brennkammer für eine Gasturbinenmaschine, aufweisend einen ersten und zweiten Seitenwandabschnitt (7, 8), welche mit einer Kuppelendwand (9) verbunden sind, um eine längliche Verbrennungskammer (11) mit einem strömungsaufwärtigen Ende und einem strömungsabwärtigen Ende zu bilden, wobei die Kuppelwand an dem strömungsaufwändigen Ende der Verbrennungskammer angeordnet ist und eine vorbestimmte Kuppelhöhe hat, wobei die Brennkammer zusätzliche eine Brennstoffinjektor-/Luftwirbeleinrichtungs-Anordnung (10) aufweist, die in der Kuppelwand zum Injizieren eines Brennstoff-Luftsprühstrahls in die Verbrennungskammer (10) angebracht ist, wobei die Brennstoffinjektor-Wirbeleinrichtungs-Anordnung (10) konfiguriert ist, ein brennstoffreiches, stark vermischtes Brennstoff-Luftsprühmuster mit gleichförmiger Verteilung zu erzeugen, wobei die Seitenwände (7, 8) eine erste und eine zweite Anordnung (15, 25) von Lufteinlässen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnungen zum Einbringen von Luftströmung in die Brennkammer (11) konfiguriert sind, ausreichend, um schnelle Verbrennung und eine sich schnell ergebende magere Brennstoff-Luftmischung zu bewirken, wobei die erste Anordnung (15) von Lufteinlässen angeordnet ist, einströmende Luft in das Brennstoff-Luftsprühmuster in der Verbrennungskammer zu lenken und mit einem vorbestimmten Abstand strömungsabwärts von der Kuppelwand angeordnet ist, wobei der vorbestimmte Abstand größer als 0,75 Mal die Kuppelhöhe ist, und wobei die zweite Anordnung (25) von Lufteinlässen angeordnet ist, einströmende Luft in das Brennstoff-Luftsprühmuster in der Verbrennungskammer (11) zu lenken, und strömungsabwärts von der ersten Anordnung (15) positioniert ist und dass die Anordnung aufweist: eine Brennstoff-Zuführpassage (28) mit einem Abgabeauslass (39) zum Abgeben von Brennstoff; eine erste Luftströmungswirbeleinrichtung (32) mit einem ersten Auslass (42), der angeordnet ist, dem abgegebenen Brennstoff wirbelnde Luft zu liefern, wobei die erste Wirbeleinrichtung (32) eine Axial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung ist und konfiguriert ist, Luft in einer ersten Winkelrichtung zu wirbeln; eine zweite Luftströmungswirbeleinrichtung (34) mit einem zweiten Auslass (48), der angeordnet ist, dem abgegebenem Brennstoff wirbelnde Luft zu liefern, wobei die zweite Wirbeleinrichtung (34) eine Radial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung ist und konfiguriert ist, Luft in der ersten Winkelrichtung zu wirbeln, wobei der erste und der zweite Auslass (42, 48) positioniert sind, um dem Brennstoff an dem Abgabeauslass (30) wirbelnde Luft zu liefern, um eine strömungsabwärts strömende Brennstoff-Luftmischung zu erzeugen; eine dritte Luftströmungswirbeleinrichtung (62) mit einem dritten Auslass (66), angeordnet, um der Brennstoff-Luftmischung wirbelnde Luft zu liefern, wobei die dritte Wirbeleinrichtung (62) eine Radial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung ist und konfiguriert ist, Luft in einer zweiten Winkelrichtung entgegengesetzt zu der ersten Winkelrichtung zu wirbeln; und eine vierte Luftströmungswirbeleinrichtung (88) mit einem vierten Auslass (92), der angeordnet ist, der Brennstoff-Luftmischung wirbelnde Luft zu liefern, wobei die vierte Wirbeleinrichtung (88) eine Radial-Einwärtsströmungs-Wirbeleinrichtung ist, wobei der vierte Auslass (92) um den dritten Auslass (66) der dritten Wirbeleinrichtung (62) angeordnet ist und konfiguriert ist, Luft in der zweiten Winkelrichtung zu wirbeln.
Brennkammer nach Anspruch 16, wobei der vorbestimmte Abstand etwa 0,78 Mal die Kuppelhöhe beträgt.
Brennkammer nach Anspruch 16, wobei der vorbestimmte Abstand größer als 0,90 Mal die Kuppelhöhe ist.
Brennkammer nach Anspruch 16, wobei der vorbestimmte Abstand etwa der Kuppelhöhe entspricht.
Brennkammer nach Anspruch 16, wobei der vorbestimmte Abstand größer als die Kuppelhöhe ist.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die erste und die zweite Anordnung (15, 25) konfiguriert sind, um eine vorbestimmte Menge an Luftströmung einzubringen, die größer ist als 35% der Luftströmung, welche in die Brennkammer gelangt.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die erste und die zweite Anordnung (15, 25) konfiguriert sind, eine vorbestimmte Menge an Luftströmung einzubringen, die größer ist als 45% der Luftströmung, welche in die Brennkammer gelangt.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei die erste und die zweite Anordnung (15, 25) konfiguriert sind, eine vorbestimmte Menge an Luftströmung einzubringen, etwa 21 % bzw. 27% der Luftströmung, die in die Brennkammer gelangt.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei die erste und die zweite Anordnung (15, 25) konfiguriert sind, eine vorbestimmte Menge an Luftströmung einzubringen, etwa 23% bzw. 25% der Luftströmung, welche in die Brennkammer gelangt.