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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer mit den
Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Eine solche Brennkammer
ist in den 6 und 7 gezeigt.
Die Brennkammer ist zur Anwendung auf eine Gasturbine geeignet,
die entsprechend einer Belastung laufen kann, indem eine Flamme
innerhalb eines Flammhaltekonus gehalten wird, der in einem an seinem
Vorderende zu einer Brennkammer hin offenen Innenzylinder angeordnet ist,
und indem mehrere Hauptdüsen
gezündet
und gelöscht
werden, um gemäß der Last
aktiviert und inaktiviert zu werden, wodurch die Anzahl aktiver Hauptdüsen geändert wird.
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Stand der Technik
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Im
Stand der Technik ist eine Gasturbine mit einer Brennkammer eingesetzt
worden, die gemäß einer
bestimmten Last laufen kann, indem eine im zentralen Abschnitt eines
an seinem Ende zu einer Brennkammer hin offenen Innenzylinders angeordnete
Pilotdüse,
die vorne einen sich an seinem Vorderendabschnitt zur Vorderseite
des Innenzylinders hin öffnenden
Flammhaltekonus aufweist, und indem mehrere Hauptdüsen aneinandergrenzend
um den Außenumfang
der Pilotdüse
so angeordnet sind, dass irgendeine oder alle Hauptdüse(n) gemäß einer Fluktuation
der Last aktiviert werden können,
angeordnet ist.
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In
einer zur Erzeugung elektrischer Energie zu verwendenden Gasturbine
wird/werden beispielsweise irgendeine oder alle der Hauptdüsen zur Nachtzeit
mit einem geringeren Energiebedarf inaktiviert, aber die Hauptdüsen in der
einer (bestimmten) Last entsprechenden Anzahl werden mit einer Flamme
gezündet,
die in einem Flammhaltekonus zur Tageszeit mit einem höheren Energiebedarf
gestartet und gezündet
wird, so dass die Gasturbine entsprechend der Last betrieben werden
kann.
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6 zeigt einen Aufbau einer Brennkammer,
die in einer solchen Gasturbine nach dem Stand der Technik eingesetzt
wird.
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Wie
in 6 gezeigt ist, ist eine Pilotdüse 02 an
der Achse eines Innenzylinders 01 mit einer zylindrischen
Form angeordnet, der an seinem Hinterendabschnitt an einer Trennwand 011 befestigt
ist. Um den Außenumfang
der Pilotdüse 02 sind
allgemein parallel mit der Pilotdüse 02 acht Hauptdüsen 03 angeordnet,
die mit einem gleichen umfangsmäßigen Abstand
angeordnet sind und die ebenfalls an ihren Hinterendabschnitten
an der Trennwand 011 befestigt sind.
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In
dem Innenzylinder 01 ist andererseits über dem Innenzylinder 01 eine
Basisplatte 04 quer angebracht, die mit Durchgangslöchern 05 zum
Zuführen eines
von der Pilotdüse 02 und
den Hauptdüsen 03 eingespeisten
Brennstoffs F versehen ist, einem Luftstrom A zum Erstellen eines
Gemischs M durch dessen Vermischen mit dem Brennstoff F und einem Kühlluftstrom
A. Die Trennwand 011, der Innenzylinder 01 und
die Basisplatte 04 bilden einen Gebläsekasten 06 um die
Pilotdüse 02 und
die Hauptdüsen 03 herum.
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Vor
der Pilotdüse 02 ist
außerdem
ein Flammhaltekonus 014 angeordnet, der an seinem Hinterendabschnitt
an der Basisplatte 04 befestigt ist und sich von der Basisplatte 04 in
einer Kegelstumpfform mit auseinandergehender Vorderseite erstreckt. Der
Flammhaltekonus 014 ist vor dem Innenzylinder 01 geöffnet, so
dass das Gemisch M des Brennstoffs F, das die Durchgangslöcher 05 passiert
hat, und der Luftstrom A gezündet
werden können,
um eine später
beschriebene Vorgemischflamme 013 vor dem Innenzylinder 01 und
in einer Brennkammer 018 herzustellen.
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Um
die einzelnen Außenumfänge der
Pilotdüse 02 und
jeder Hauptdüse 03 sind
andererseits ein Pilotdüsen-Außenzylinder 09 und
ein Hauptdüsen-Außenzylinder 010 angeordnet,
die individuell an ihren Vorderenden geöffnet sind, um mit den Durchgangslöchern 05 der
Basisplatte 04 zu kommunizieren, und die an den Innenseiten
ihrer Hinterenden mit einem Pilot-Verwirbelungselement 07 und
einem Hauptverwirbelungselement 08 zum Verwirbeln der in
den Gebläsekasten 06 eingeleiteten
Luftströmung A
ausgestattet sind.
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In
einer so aufgebauten Brennkammer 012 für die Gasturbine nach dem Stand
der Technik wird der Brennstoff F, wenn er vor der Basisplatte 04 von der
Pilotdüse 02 eingespeist
wird, mit der Wirbelströmung
des Luftstroms A gemischt, der von dem Gebläsekasten 06 eingeleitet
wird, und durch das Pilot-Verwirbelungselement 07 so verwirbelt,
dass er durch die Innenseite des Pilotdüsen-Außenzylinders 09 zur
Vorderseite der Basisplatte 04 geleitet wird, um dadurch
das Gemisch M herzustellen. Dieses Gemisch M wird durch den nicht
gezeigten Zünder
gezündet,
der an der Rückseite
im Flammhaltekonus 014 angeordnet ist, so dass die Vorgemischflamme 013 zu
jeder Zeit an einer Position von der Innenseite des Innenzylinders 01 vor
dem Flammhaltekonus 014 zur Innenseite der Brennkammer 018 gehalten werden
kann.
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Andererseits
wird der Brennstoff F, wenn er von den Hauptdüsen 03 zur Vorderseite
der Basisplatte 04 geleitet wird, mit der Wirbelströmung des Luftstroms
A gemischt, der ebenfalls von dem Gebläsekasten 06 eingeleitet
und durch das Hauptverwirbelungselement 08 verwirbelt wird,
und der durch die Innenseite der Hauptdüsen-Außenzylinder 010 zur Vorderseite
der Basisplatte 04 geleitet wird, wodurch das Gemisch M
zubereitet wird. Dieses Gemisch M wird mit der vorgenannten Vorgemischflamme 013 gezündet, so
dass die Hauptdüsen 03 aktiviert
werden, um ein Verbrennungsgas G hoher Energie zur Erzeugung einer
Antriebskraft zu erzeugen.
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In
der in der Gasturbine nach dem Stand der Technik verwendeten Brennkammer 012 kann
es jedoch zu einer Stagnatoin oder einem Rückstrom in der sogenannten "Hauptverwirbelungszone 015" zwischen der Basisplatte 04 und
der Öffnung
des sich vor und nahe der Basisplatte 04 öffnenden
Hauptdüsen-Außenzylinders 010 kommen.
In diesem Fall kann bei aktiver Hauptdüse 03 die Vorgemischflamme 013,
die innerhalb des Innenzylinders 01 vor dem Flammhaltekonus 014 erzeugt
wird, sich zu der Hauptverwirbelungszone 015 hin fortsetzen,
um das Gemisch M zu zünden,
das um die Öffnung
des Hauptdüsen-Außenzylinders 010 herum
zu der Hauptverwirbelungszone 015 geströmt ist, zu zünden, wodurch
die heiße
Vorgemischflamme 013 unmittelbar vor der Basisplatte 04 gebildet
wird. Obwohl nur eine Hauptverwirbelungszone 015 in 6 gezeigt ist, um die Komplexität der Darstellung
zu vermeiden, kann sie um irgendeine der Öffnungen der Hauptdüsen-Außenzylinder 010 der
Hauptdüsen 03 im
aktiven Stadium gebildet werden.
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Infolgedessen
ist speziell die Bildung der Vorgemischflamme vor der Basisplatte 04 markant, wenn
die acht Hauptdüsen 03 aktiv
sind, d.h. wenn die Brennkammer 012 der Gasturbine unter
voller Last arbeitet.
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Die
als Vorgemischflamme 013 zu bildende heiße Vorgemischflamme 013 bewegt
sich vor der Basisplatte 04, und wenn sie unmittelbar vor
der Basisplatte 04 gebildet wird, nämlich in der sogenannten "Hauptverwirbelungszone 015", kommt es zu ernsthaften
Verbrennungen der Hauptdüsen 03 und der
Basisplatte 04, wodurch die Lebensdauer der Brennkammer 012 verkürzt wird.
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Als
nächstes
zeigt 7 ein Beispiel der Hauptdüse nach
dem Stand der Technik, die um den Außenumfang der Pilotdüse herum
angeordnet ist.
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In
der Wandfläche
der Hauptdüse 03 von 7 stromab der Position des Hauptverwirbelungselements 08 sind
mehrere oder vier Brennstoffdüsenöffnungen 025 zur
Zubereitung des Gemischs M durch Einspritzen des Brennstoffs F in
den Luftstrom A ausgebildet, der in den Hauptdüsen-Außenzylinder 010 von
dem Gebläsekasten 06 eingetreten
ist und von dem Hauptverwirbelungselement 08 verwirbelt wurde.
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In
jede Hauptdüse 03 gemäß 7 wird der Brennstoff F von den Brennstoffdüsenöffnungen 025, die
in der Wandfläche
der Hauptdüse 03 ausgebildet sind,
in den Hauptdüsen-Außenzylinder 010 eingespritzt,
und wird durch das Hauptverwirbelungselement 08 so verwirbelt,
dass es zur Bildung des Gemischs M mit dem Luftstrom A in dem Hauptdüsen-Außenzylinder 010 gemischt
wird. Dieses Gemisch M wird, wenn es von dem Hauptdüsen-Außenzylinder 010 in
die Brennkammer 018 strömt,
mit der in der Pilotdüse 07 gebildeten
Vorgemischflamme 013 gezündet, so dass das Verbrennungsgas
G von hoher Energie erzeugt wird.
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Im
Fall der Hauptdüse 03,
die stromab des Hauptverwirbelungselements 08 angeordnet
ist, um den Brennstoff F von den in der Wandfläche der Hauptdüse 03 gemäß 7 ausgebildeten Brennstoffdüsenöffnungen 025 einzuspritzen,
hat das in der Umgebung des Ausgangs des Hauptdüsen-Außenzylinders 010 zubereitete
Gemisch M jedoch eine Tendenz, zu einem Gemisch M mit hoher Konzentration
des Brennstoffs F in seinem zentralen Teil zu werden. Um eine Durchdringung
des Brennstoffs F zu erzielen, die zu einer effizienten Durchmischung des
Brennstoffs mit dem Luftstrom A nötig ist, der durch das Hauptverwirbelungselement 08 verwirbelt wird,
um in den Hauptdüsen-Außenzylinder 010 zu strömen, ist
es außerdem
nötig,
den Brennstoff F mit hoher Geschwindigkeit aus den Brennstoffdüsenöffnungen 025 in
den Luftstrom A in den Hauptdüsen-Außenzylinder 010 einzuspritzen.
Dies bringt den Nachteil mit sich, dass der Druck zur Zufuhr des Brennstoffs
F ins Innere der Hauptdüse 03 hoch
eingestellt werden muss.
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US-A-2
824 603 offenbart eine Brennkammer mit einem zentralen Führungsrohr,
das eine Hilfsbrennstoff-Verbrennungsvorrichtung
oder einen Pilotbrenner und mehrere in umfangsmäßig beabstandeten Positionen
um die Achse des Hilfs-Führungsrohrs
angeordnete Brennerköpfe
aufnehmen kann. Jeder Brennerkopf hat einen länglichen Aufbau und ist mit
einem Schlitz versehen, durch den ein Hauptteil eines gasförmigen Brennstoffgemischs ausgestoßen wird.
Die Seitenwände
des Brennerkopfs sind mit konkaven Außenflächen ausgebildet, in denen
kleine Austragsöffnungen
vorgesehen sind, durch die ein kleiner Teil des Gas-Luftgemischs
ausgestoßen
wird, so dass die jeweiligen Brennstoffstrahlen, die durch diese Öffnungen
austreten, aufeinandertreffen. Das Vorderende der Brennerköpfe ist
fluchtend mit dem Vorderendabschnitt der Öffnung des Hilfsführungsrohrs.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer bereitzustellen,
welche einen Nachteil der Brennkammer nach dem Stand der Technik
beseitigt, nämlich
dass deren Lebensdauer durch die unmittelbar vor der vorgenannten
Basisplatte auftretende Vorgemischflamme verkürzt wird, und dadurch die Lebensdauer
bzw. Standzeit zu verlängern. Selbst
wenn alle Hauptdüsen
aktiv sind, so dass die Vorgemischflamme vorwiegend vor der Basisplatte gebildet
wird, um eine hohe Temperatur zu erzeugen, wird daher das Gemisch
des von der Hauptdüse
in die Brennkammer eingespritzten Brennstoffs und der Luftströmung stromab
der Öffnung
des Flammhaltekonus gezündet,
wobei verhindert wird, dass die Vorgemischflamme in dem Innenzylinder
vor dem Flammhaltekonus auftaucht und sich in die Hauptverwirbelungszone
in der Öffnung
vor und nahe der Basisplatte fortsetzt. Somit wird verhindert, dass
die Vorgemischflamme sich vor der Basisplatte bildet, wodurch das
Verbrennen der Hauptdüse
und der Basisplatte verringert wird, das andernfalls durch die Vorgemischflamme
verursacht werden könnte.
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Um
diese Aufgabe zu erfüllen,
wird gemäß der Erfindung
eine Brennkammer bereitgestellt, wie sie in Anspruch 1 definiert
ist, mit einem solchen Aufbau, dass mehrere Hauptdüsen sich
mit Öffnungen am
Vorderendabschnitt eines Flammhaltekonus erstrecken, der von der
Vorderseite im zentralen Abschnitt eines an seinem Vorderende zu
einer Brennkammer hin geöffneten
Innenzylinders angeordneten Pilotdüse 07 vorsteht, und
bei dem die Hauptdüsen um
seinen Außenumfang
angeordnet sind, um eine Vorgemischflamme darin und vor dem Innenzylinder zu
erzeugen und dadurch einen von den Hauptdüsen eingespritzten Brennstoff
zu zünden.
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Um
die Öffnungen
der Außenzylinder
der Hauptdüsen
bis zum Vorderendabschnitt des Flammhaltekonus in der Brennkammer
der Erfindung zu verlängern,
wird ein Aufbau mit Verlängerungsrohren einer
geeigneten Querschnittsform angewandt, die entlang des Außenumfangs
des Flammhaltekonus von der Vorderseite der einzelnen Hauptdüsen vorstehen,
um Öffnungen
an dem Vorderendabschnitt des Flammhaltekonus aufzuweisen, und die
in der Umfangsrichtung des Innenzylinders angeordnet sind.
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Zusätzlich zu
den bisher beschriebenen Aufbauten wird der Brennkammer der Erfindung
vorzugsweise eine Struktur verliehen, bei der elliptische Erweiterungsrohre
mit ihren zum Umfang des Innenzylinders hin angeordneten Langachsen
und mit einem transversalen Querschnitt einer elliptischen Form
als Erweiterungsrohre angewandt werden können, die von der Vorderseite
der einzelnen Hauptdüsen
vorstehen und sich zum Vorderende des Flammhaltekonus hin öffnen. Zusätzlich zu
diesem Aufbau ist die Struktur vorzugsweise so gestaltet, dass eine poröse Scheibe
mit einer Anzahl von Poren ausgebildet ist, um den zwischen der
Umfangskante der Öffnung
des Flammhaltekonus und den Umfangskanten der Öffnungen der Erweiterungsrohre
gebildeten Zwischenraum zu überspannen,
insbesondere wenn kegelstumpfförmige
Konusse als Erweiterungsrohre vorgesehen sind, um dadurch zu verhindern,
dass die Vorgemischflamme sich von dem Zwischenraum zu der Hauptverwirbelungszone
hin fortsetzt.
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Somit
sind in der Brennkammer gemäß der Erfindung
die Erweiterungsrohre vorgesehen, bei denen die Öffnungen der Hauptdüse zum Vorderendabschnitt
des Flammhaltekonus hin verlängert
sind, so dass der von den Hauptdüsen
in die Brennkammer eingeleitete Brennstoff daran gehindert wird,
in die Hauptverwirbelungszone zu strömen. Auch wenn es zu einer
Stagnation oder einer Rückströmung in der
Hauptverwirbelungszone kommt, wird verhindert, dass die Vorgemischflamme,
so wie sie am Ausgang des Flammhaltekonus erzeugt wird, sich stromaufwärts fortsetzt,
so dass vermieden wird, dass die mit den Hauptdüsen und dem Flammhaltekonus
versehene Basisplatte verbrannt wird.
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Bei
dem mit elliptischen Verlängerungsrohren
versehenen Aufbau wird andererseits die Verwirbelungsströmung des Luftstroms,
wie sie durch das Hauptverwirbelungselement in dem um die Hauptdüse angeordneten
Außenzylinder
hergestellt wird, gehalten und von dem Innenzylinder in den Brennofen so
eingespritzt, dass die Mischkraft des von den Hauptdüsen eingespritzten
Brennstoffs und der Luft verbessert werden kann, um die NOx-Emission
des Verbrennungsgases G zu reduzieren.
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Bei
dem Aufbau der Brennkammer der Erfindung, bei der die poröse Scheibe
mit den zahlreichen Poren vorgesehen ist, um den zwischen der Öffnung des
zum Innenzylinder hin geöffneten
Flammhaltekonus und den Öffnungen
der Verlängerungsrohre
gebildeten Zwischenraum zu schließen, um dadurch ein Propagieren
der Vorgemischflamme von dem Zwischenraum zu der Hauptverwirbelungszone
zu verhindern, wird andererseits durch die poröse Scheibe verhindert, dass
die Vorgemischflamme, so wie sie am Ausgang des Flammhaltekonus
erzeugt wird, von dem Zwischenraum zwischen der Öffnung des Flammhaltekonus
und den Öffnungen
der Verlängerungsrohre
zur Vorderseite der stromauf gelegenen Basisplatte zurückströmt, so dass
das heiße
Gas nicht in der Hauptverwirbelungszone erzeugt wird, womit noch
zuverlässiger
ein Verbrennen der die Hauptdüsen
tragenden Basisplatte und des Flammhaltekonus verhindert wird.
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Da
die poröse
Scheibe die Poren aufweist, kann der Kühlluftstrom, der durch die
Basisplatte vom Innenzylinder in den Brennofen eingespritzt wird,
homogen gestaltet werden, um die Kühlwirkung der Innenfläche des
Innenzylinders o.dgl. zu verbessern.
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Die
Brennkammer der Erfindung kann die Hauptdüse mit dem folgenden Aufbau
anwenden.
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Zunächst ist
ein stromaufwärtiges
Verwirbelungselement an einer stromaufwärtigen Innenseite des Außenzylinders
zum Verwirbeln der von dem Gebläsekasten
in den Außenzylinder
eintretenden Luft angeordnet.
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Dieses
stromaufwärtige
Verwirbelungselement ist vorzugsweise aus einer Platte hergestellt, die
umfangsmäßig zwischen
dem Außenumfang
der Hauptdüse
und dem Innenumfang des Außenzylinders
angebracht ist und die bezüglich
der Richtung eines im Außenzylinder
ausgebildeten Luftdurchgangs geneigt bzw. schräggestellt ist, um so eine Wirbelströmung des
von dem Gebläsekasten
in den Außenzylinder
kommenden Luftstroms zu erzeugen.
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Dabei
sind in der Wandfläche
der Hauptdüse Brennstoffdüsenöffnungen
ausgebildet, die vorzugsweise stromauf des stromaufwärtigen Verwirbelungselements
positioniert sind, die aber auch zwischen dem stromaufwärtigen Verwirbelungselement
und einem später
beschriebenen stromabwärtigen
Verwirbelungselement eingefügt
sein können.
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Ferner
ist das stromabseitige Verwirbelungselement vorgesehen, das innerhalb
des Außenzylinders
an der stromabwärtigen
Seite der Position des stromaufwärtigen
Verwirbelungselements angeordnet ist, um eine rückwärtsgerichtete Verwirbelungsströmung herzustellen,
um das Gemisch zu verwirbeln, das durch das Mischen des von den
Brennstoffdüsenöffnungen
in den Außenzylinder
eingespritzten Brennstoffs zubereitet wird, und der Luftströmung, die
durch das stromaufwärtige
Verwirbelungselement in der Rückwärtsrichtung
des von dem stromaufwärtigen
Verwirbelungselement erzeugten Wirbelstroms verwirbelt wird.
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Wie
das stromaufwärtige
Verwirbelungselement ist das stromabwärtige Verwirbelungselement bevorzugt
aus einer Platte gebildet, die umfangsmäßig zwischen dem Außenumfang
der Hauptdüse
und dem Innenumfang des Außenzylinders
angebracht ist.
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Hierbei
ist der Angriffswinkel des stromabwärtigen Verwirbelungselements
in bezug auf die Richtung des Luftdurchgangs gegenüber demjenigen des
stromaufwärtigen
Verwirbelungselements umgekehrt.
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Da
die bei der Erfindung angewandte Hauptdüse die bisher beschriebene
Struktur aufweist, wird der Brennstoff von den Hauptdüsenöffnungen
in den Luftstrom, der durch das stromaufwärtige Verwirbelungselement
im Außenzylinder
verwirbelt wurde, eingespritzt und mit diesem vermischt. Das so
durch das Mischen des Brennstoffs und des Luftstroms zubereitete
Gemisch wird ferner durch das stromabwärtige Verwirbelungselement
hinter der von dem stromaufwärtigen
Verwirbelungselement hergestellten Wirbelströmung verwirbelt, so dass das
Gemisch zwischen dem Brennstoff und der Luftströmung ausreichend gemischt wird.
Somit wird der Brennstoff, so wie er von den Brennstoffdüsenöffnungen
in den Außenzylinder
eingespritzt wird, nicht lokal im zentralen Teil des Gemischs belassen,
wodurch ein Gemisch bereitgestellt wird, das einen homogen verteilten Brennstoff
enthält,
so dass die Verbrennung in der Brennkammer wirksam durchgeführt werden
kann, um die NOx-Emission des Verbrennungsgases zu reduzieren.
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Außerdem kann
die Einspritzrate des von den Düsenöffnungen
einzuspritzenden Brennstoffs, die ausreichend hoch sein muss, um
eine Durchdringung mit Brennstoff zu ergeben, um den Brennstoff mit
dem Luftstrom wirksam zu vermischen, zur wirksamen Mischung des
Luftstroms und des Gemischs gesenkt werden, so dass der Brennstoff-Zuführdruck gesenkt
werden kann.
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Infolgedessen
kann die Kapazität
des Verbrennungskompressors verringert werden, um dadurch dessen
Kosten sowie die für
die Brennkammer erforderlichen Betriebskosten zu reduzieren.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine Brennkammer gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, wobei (a) ein Längsschnitt
ist, und (b) eine entlang den Pfeilen A-A von (a) vorgenommene Vorderansicht
ist,
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2 eine Brennkammer gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, wobei (a) ein Längsschnitt
ist und (b) eine entlang Pfeilen A-A von (a) vorgenommene Vorderansicht
ist,
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3 eine Brennkammer gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung, wobei (a) ein Längsschnitt
ist und (b) eine entlang Pfeilen A-A von (a) vorgenommene Vorderansicht
ist,
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4 eine Hauptdüse der Brennkammer gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung, wobei (a) ein Längsschnitt
ist, und (b) ein entlang Pfeilen A-A von (a) vorgenommener Querschnitt
ist,
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5 eine Hauptdüse der Brennkammer gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung, wobei (a) ein Längsschnitt
ist und (b) ein entlang Pfeilen A-A von (a) vorgenommener Querschnitt
ist,
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6 einen Aufbau einer in einer Gasturbine nach
dem Stand der Technik verwendeten Brennkammer, wobei 6(a) ein Längsschnitt
ist und 6(b) eine entlang Pfeilen A-A
von 6(a) vorgenommene Vorderansicht
ist, und
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7 ein weiteres Beispiel der Hauptdüse der Brennkammer
nach dem Stand der Technik, wobei 7(a) ein
Längsschnitt
ist, und 7(b) ein entlang Pfeilen A-A
von 7(a) vorgenommener Querschnitt
ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Ausführungsform
einer Brennkammer der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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(Erste Ausführungsform)
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Zunächst wird
die erste Ausführungsform
der Brennkammer der Erfindung mit Bezug auf 1 beschrieben.
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In 1 werden Elemente, die identisch oder ähnlich mit
denjenigen der 6 sind, durch die gemeinsamen
Bezugsziffern bezeichnet und ihre Beschreibung fällt weg.
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Wie
in 1 gezeigt ist, wird einer Brennkammer 012 dieser
Ausführungsform
ein Aufbau gegeben, bei dem elliptische Erweiterungs- bzw. Verlängerungsrohre 016 so
zur vorderen Öffnung
eines Flammhaltekonus 014 hin verlängert sind, dass sie der Öffnung am
Vorderendabschnitt eines Hauptdüsen-Außenzylinders 010 kommunizieren.
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Die
elliptischen Verlängerungsrohre 016 erstrecken
sich axial im Innenzylinder 01 und haben Öffnungen
an im wesentlichen den gleichen axialen Positionen wie die Öffnung des
Flammhaltekonus 014. Diese elliptischen Verlängerungsrohre 016 sind so
gestaltet, dass ihre Verbindungsabschnitte zu den Hauptdüsen-Außenzylindern 010,
d.h. ihre an einer Basisplatte 04 zu befestigenden Hinterendabschnitte zylindrisch
gefertigt sind, und dass sie abwärts
allmählich
so elliptisch geformt sind, dass ihre Langachsen in der Umfangsrichtung
der Brennkammer 012 angeordnet sind. Die elliptischen Verlängerungsrohre 016 sind
ferner so gestaltet, dass ihre Außenumfangs-Randabschnitte parallel
zu der Außenumfangskante
des Flammhaltekonus 014 sind.
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Im
einzelnen ist zwischen dem Ausgang des Flammhaltekonus 014,
der an seinem Hinterendabschnitt am Umfangsrandabschnitt der Vorderendöffnung eines
Pilotdüsen-Außenzylinders 09 befestigt
ist und nach vorne vorsteht, und dem Innenumfang des Innenzylinders 01 ein
Ring ausgebildet, der einen langen Umfang und eine geringe Breite
aufweist. Daher sind Verlängerungsrohre
vor der Hauptdüse 03 zu
elliptischen Verlängerungsrohren 016 ausgebildet,
die derart elliptisch gestaltet sind, dass der Ring am Ausgangsabschnitt
minimiert sein bzw. werden kann.
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In
der Brennkammer 012 dieser Ausführungsform wird ein Gemisch
M zubereitet, wenn ein Brennstoff F, der durch die Hauptdüsen 03 von
dem Vorderendabschnitt eingespritzt wird, und ein Luftstrom A, wie
er von einem Gebläsekasten 06 eingeleitet
und von einem Hauptverwirbelungselement 08 verwirbelt wird
und durch das Innere des Hauptdüsen-Außenzylinders 010 von
dem Vorderendabschnitt aus eingespritzt wird, gemischt werden. Dieses
Gemisch M wird gezündet,
wenn es von dem Vorderende des Hauptdüsen-Außenzylinders 010 durch
die elliptischen Verlängerungsrohre 016 passiert
und von den Vorderendöffnungen
in den Innenzylinder 01 strömt, wobei die Flamme in der
Umgebung des Ausgangs des Flammhaltekonus 014 gehalten
wird, so dass eine Vorgemischflamme 013 von der Öffnung des
Innenzylinders 01 in die Brennkammer 018 eingespritzt
wird.
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Auch
wenn eine Stagnation oder eine Rückströmung in
der Öffnung
des Hauptdüsen-Außenzylinders 010 vorhanden
ist, der sich unmittelbar vor und nahe der Basisplatte 04 öffnet, und
in der sogenannten "Hauptverwirbelungszone 015", die zwischen dem
Hauptdüsen-Außenzylinder 010 und
dem Pilotdüsen-Außenzylinder 09 ausgebildet
ist, kommt es nicht dazu, dass der Brennstoff F ins Innere der Hauptdüsen 03 gelangt
und von den Hauptdüsen 03 in
die Brennkammer 018 ausgestoßen wird. Infolgedessen setzt
sich die Vorgemischflamme 013, so wie sie am Ausgang des
Flammhaltekonus 014 erzeugt wird, weder zu der Hauptverwirbelungszone 015 fort, noch
erscheint die heiße
Vorgemischflamme 013 in der Hauptverwirbelungszone 015,
so dass weder die Hauptdüse 03 noch
die Basisplatte 04 durch die Vorgemischflamme 013 verbrannt
werden, was andernfalls in der Hauptverwirbelungszone 015 vorkommen könnte.
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Andererseits
behält
das Gemisch M, so wie es durch den Mischvorgang zwischen dem von
den Hauptdüsen 03 eingespritzten
Brennstoff F und der in der Wirbelströmung von dem Hauptdüsen-Außenzylinder 010 ausgetragene
Luftströmung
A zubereitet wird, die Verwirbelungskraft des Hauptverwirbelungselements 08 bei,
während
es durch die elliptischen Verlängerungsrohre 016 zu
den Öffnungen
der elliptischen Verlängerungsrohre 016 strömt, an denen
das Gemisch M mit der Flamme zu entzünden ist. Infolgedessen kann
die Mischung zwischen dem Brennstoff F und der Luftströmung A verbessert
werden, um die Emission von NOx in einem aus der Brennkammer 012 auszutragenden
Verbrennungsgas G zu mindern.
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(Zweite Ausführungsform)
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Als
nächstes
wird eine Brennkammer gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung mit Bezug auf 2 beschrieben.
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In
der Brennkammer 012 dieser Ausführungsform gemäß 2 ersetzen die Verlängerungsrohre, die sich zu
der Position der vorderen Öffnung des
Flammhaltekonus 014 erstrecken, während sie mit der Öffnung des
Vorderendabschnitts des Hauptdüsen-Außenzylinders 010 kommunizieren,
die elliptischen Verlängerungsrohre 016,
die gemäß der ersten
Ausführungsform
in ihrem Querschnitt zu der elliptischen Form ausgebildet sind,
durch ein ringförmiges
Verlängerungsrohr 016', dem eine ringförmige Öffnung gegeben
wird, indem sein Innenumfang zum Außenumfang der Öffnung des
Vorderendabschnitts des Flammhaltekonus 014 gemacht wird
und sein Außenumfang
zum Innenumfang des Innenzylinders 01.
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Dieses
ringförmige
Verlängerungsrohr 016' ist an seiner
Verbindungsstelle zu dem Hauptdüsen-Außenzylinder 010 zu
einer zylindrischen Form wie bei den vorgenannten elliptischen Verlängerungsrohren 016 ausgebildet
und ist allmählich
nach unten von der zylindrischen Form so verformt, dass es die Sektoröffnungen
bildet, die durch Trennwände 026,
welche den Ring in die Anzahl der Hauptdüsen 03 unterteilt,
aufgeteilt sind.
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Im
Vergleich zu dem elliptischen Verlängerungsrohr 016 der
ersten Ausführungsform
ist das ringförmige
Verlängerungsrohr 016' dieser Ausführungsform
zu der zylindrischen Form an seinem Verbindungsabschnitt mit der
Basisplatte 04 und zu der Sektorform an seiner Öffnung ausgebildet.
Infolgedessen sind die Funktionen und Wirkungen, die von dem ringförmigen Verlängerungsrohr 016' dieser Ausführungsform
zu erhalten sind, ähnlich
denjenigen der elliptischen Verlängerungsrohre 016,
obwohl Nachteile auftreten in: einer erforderlichen hochentwickelten
Arbeitstechnik zum Bearbeiten der stromabwärtigen Formung, insbesondere
der vorderen Öffnung,
zu den Sektorformen, sowie in einer Bearbeitungsstärke an den
Ecken der Öffnung
und der Homogenität
des Gemischs M an den Ecken.
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Wenn
das/die Verlängerungsrohr
e) ungeachtet dessen, ob sie durch die elliptischen Verlängerungsrohre 016 oder
das ringförmige
Verlängerungsrohr 016' als Beispiel
dargestellt werden, vorzusehen sind, ist es andererseits wichtig,
dass die Bearbeitung an der Öffnung
einfach ist und dass die Bearbeitbarkeit der Öffnung ausgezeichnet ist, wenn zahlreiche
Verlängerungsrohre
bereitzustellen sind. In dieser Hinsicht ist das ringförmige Verlängerungsrohr 016' gegenüber den
elliptischen Verlängerungsrohren 016 überlegen,
da es kaum eine Bearbeitung an der Öffnung erfordert.
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Bei
dem mit dem ringförmigen
Verlängerungsrohr 016' versehenen
Aufbau kann außerdem der
Zwischenraum, der zwischen dem Außenumfang der Öffnung des
Flammhaltekonus 014 und dem Innenumfang des Innenzylinders 01 auszubilden
ist, ausreichend reduziert werden, obwohl er auch ein wenig bei
den elliptischen Verlängerungsrohren 016 verringert
werden kann. Infolgedessen kann das Auftreten der Vorgemischflamme 013 in
der Hauptverwirbelungszone 015 noch besser gemindert werden, um
das Verbrennen der Hauptdüsen 03 und
der Basisplatte 04 zuverlässig zu verhindern.
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(Dritte Ausführungsform)
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Eine
Brennkammer gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf 3 beschrieben.
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In
einer Brennkammer 012 dieser Ausführungsform gemäß 3 ist ein Zwischenraum zwischen der Öffnung des
Flammhaltekonus 014 gemäß 1 und den Öffnungen der elliptischen Verlängerungsrohre 016 mit
einer porösen
Scheibe 017 geschlossen.
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In
dieser porösen
Scheibe 017 sind eine Anzahl von Poren 019 ausgebildet,
um zu verhindern, dass der Raum, der zwischen den Außenumfängen des
Flammhaltekonus 014 und der elliptischen Verlängerungsrohre 016 gebildet
wird, an seiner vorderen stromabwärtigen Seite geschlossen wird.
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Die
Kühlluftströmung A,
die direkt von der Innenseite des Gebläsekastens 06 in den
Innenzylinder 010 vor der Basisplatte 04 einströmt, wird
zum sanften Strömen
durch die poröse
Scheibe 017 gebracht und im Innenzylinder 01 homogen
gestaltet.
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Außerdem ist
die poröse
Scheibe 017 im Innenzylinder 01 durch Verschweißen seiner
Außenumfangskante
an der Innenfläche
des Innenzylinders 01 und ebenso an der Umfangskante der Öffnung des
Flammhaltekonus 01 und den Umfangskanten der Öffnungen
der elliptischen Verlängerungsrohre 016 befestigt.
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In
der Brennkammer 012 dieser Ausführungsform nach obiger Beschreibung
wird der Zwischenraum zwischen den Öffnungen der elliptischen Verlängerungsrohre 016 an
der vorderen Öffnung des
Hauptdüsen-Außenzylinders 016 und
der Öffnung
des Flammhaltekonus 014 so mit der porösen Scheibe 017 verschlossen,
dass er nicht versiegelt ist, da die zahlreichen Poren 019 durch
die poröse Scheibe 017 hindurch
ausgebildet sind. Infolgedessen wir das heiße Gas, wie es vor den Öffnungen
der elliptischen Verlängerungsrohre 016 und
der Öffnung des
Flammhaltekonus 014 erzeugt wird, durch die poröse Scheibe 017 und
die mit hoher Geschwindigkeit von den Poren 019 der porösen Scheibe 017 ausströmenden Kühlluftströmung A daran
gehindert, nach rückwärts von
dem Zwischenraum in den Raum, der zwischen den Außenumfängen des Flammhaltekonus 014 vor
der Basisplatte 04 gebildet ist, und den elliptischen Verlängerungsrohren 016 zu strömen.
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Infolgedessen
wird die heiße
Vorgemischflamme 013 weniger in der Hauptverwirbelungszone erzeugt,
womit zuverlässiger
verhindert wird, dass die Außenumfänge des
Flammhaltekonus 014 oder der elliptischen Verlängerungsrohre 016 oder
der Vorderfläche
der Basisplatte 04 dem heißen Gas ausgesetzt sind, so
dass die Hauptdüsen 03 oder
die Basisplatte 04 weniger verbrannt wird.
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Da
die zahlreichen Poren 019 in der porösen Scheibe 017 gebildet
sind, wird andererseits der zwischen den Außenumfängen des Flammhaltekonus 014 vor
der Basisplatte 04 und den elliptischen Verlängerungsrohren 016 zu
bildende Raum nicht versiegelt. Infolgedessen wird die Kühlluftströmung, die die
Basisplatte 04 und das Innere des Innenzylinders 01 passieren
und in die Brennkammer 018 eintreten soll, vereinheitlicht,
um die Innenfläche
des Innenzylinders 01, die Außenflächen der Hauptdüsen 03 und die
Pilotdüse 02 oder
die Außenumfänge des
Flammhaltekonus 014 und der elliptischen Verlängerungsrohre 016 wirksam
zu kühlen.
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(Vierte Ausführungsform)
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Eine
vierte Ausführungsform
der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf 4 beschrieben.
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Hierbei
sind die Elemente, die denen in der 7 identisch
oder ähnlich
sind, durch gemeinsame Bezugsziffern bezeichnet, und ihre Beschreibung wird
so knapp wie möglich
gehalten.
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Wie
in 4 gezeigt ist, sind die Hauptdüsen 03 in
der Brennkammer dieser Ausführungsform
so aufgebaut, dass das Hauptverwirbelungselement, das um die Hauptdüsen 03 herum
anzuordnen ist, in zwei Teile geteilt ist. Im einzelnen sind im
Tandem und mit einer geeigneten Beabstandung in der Axialrichtung
der Hauptdüsen 03 angeordnet:
ein stromaufwärtiges
Hauptverwirbelungselement 028a als stromaufwärtiges Verwirbelungselement,
das am Hinterendabschnitt oder an der stromaufwärtigen Seite des Hauptdüsen-Außenzylinders 010 angeordnet
ist, sowie ein stromabwärtiges
Hauptverwirbelungselement 028b als stromabwärtiges Verwirbelungselement,
das am Vorderendabschnitt oder an der stromabwärtigen Seite des Hauptdüsen-Außenzylinders 010 angeordnet
ist.
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Das
stromaufwärtige
Hauptverwirbelungselement 028a und das stromabwärtige Hauptverwirbelungselement 028b kehren
die Verwirbelungsrichtungen der Wirbelströmung um, die in der Luftströmung A herzustellen
ist, welche in einem zwischen den Außenumfängen der Hauptdüsen 03 und
dem Innenumfang des Hauptdüsen-Außenzylinders 010 ausgebildeten
Luftdurchgang 024 strömt.
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Im
einzelnen ist das stromaufwärtige
Hauptverwirbelungselement 028a aus einer Platte hergestellt,
die in bezug auf die Richtung des in dem Hauptdüsen-Außenzylinder 010 ausgebildeten
Luftdurchgangs 024 so geneigt, dass eine Wirbelströmung im
Uhrzeigersinn erzeugt werden kann, wenn der von dem Gebläsekasten 06 in
den Hauptdüsen-Außenzylinder 010 strömende Luftstrom
A diesen passiert. Dabei ist das das stromabwärtige Hauptverwirbelungselement 028b bildende
Plattenelement so in bezug auf die Richtung des Luftdurchgangs 024 geneigt,
dass eine Luftströmung
im Gegenuhrzeigersinn umgekehrt zu der des stromaufwärtigen Hauptverwirbelungselements 028a in
dem Luftstrom A hergestellt werden kann.
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Andererseits öffnen sich
vier Brennstoffdüsenöffnungen 025,
die beispielsweise vertikal oder horizontal durch die Wände der
Hauptdüsen 03 gebildet
sind, so dass der Brennstoff F von den Hauptdüsen 03 in die Luftdurchgänge 024 eingespritzt
wird, stromauf des stromaufwärtigen
Hauptverwirbelungselements 028a.
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Dabei
können
die Brennstoffdüsenöffnungen 025 zwischen
dem stromaufwärtigen
Hauptverwirbelungselement 028a und dem stromabwärtigen Hauptverwirbelungselement 028b münden. Bei
dieser Anordnung der Brennstoffdüsenöffnungen 025 ist
jedoch vorauszusehen, dass die Vergleichmäßigung der Konzentration geringfügig schlechter
ist als bei dem vorgenannten Fall, bei dem die Brennstoffdüsenöffnungen 025 stromauf
des stromaufwärtigen Hauptverwirbelungselements 028a ausgebildet
sind, so dass der Mischabschnitt durch Zubereiten des Gemischs M
und durch dessen Passierenlassen durch das stromaufwärtige Hauptverwirbelungselement 028a verlängert werden
kann, wodurch eine homogenere Konzentration sichergestellt wird.
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Infolgedessen
strömt
der Brennstoff F, so wie er von den Brennstoffdüsenöffnungen 025 in den Luftdurchgang 024 eingespritzt
wird, während
er mit der Luftströmung
A, die das stromaufwärtige
Hauptverwirbelungselement 028a passiert hat und in einer Wirbelströmung im
Uhrzeigersinn beispielsweise durch den Luftdurchgang 024 strömt, gemischt
wird, so dass das Gemisch M in das stromabwärtige Hauptverwirbelungselement 028b strömt.
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Außerdem wird
dem Gemisch M, das in das stromabwärtige Hauptverwirbelungselement 028b geströmt ist,
die Verwirbelungskraft im Gegenuhrzeigersinn vermittelt, während es
durch das stromabwärtige
Hauptverwirbelungselement 028b hindurchströmt, so dass
das homogenere Gemisch M von dem Luftdurchgang 024 in die
in den 1 bis 3 dargestellte
Brennkammer 018 strömt.
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Obwohl
nur ein Hauptverwirbelungselement 08 in jeder Hauptdüse 03 nach
dem Stand der Technik angeordnet ist, werden bei den Hauptdüsen 03 bei
der Brennkammer dieser Ausführungsform
das stromaufwärtige
Hauptverwirbelungselement 028a und das stromabwärtige Hauptverwirbelungselement 028b individuell
an den stromaufwärtigen
und stromabwärtigen
Seiten der Brennstoffdüsenöffnungen 025 angeordnet
und es werden ihnen umgekehrte Verwirbelungsrichtungen vermittelt.
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Infolgedessen
wird der Brennstoff F, so wie er von den Brennstoffdüsenöffnungen 025 zur
stromaufwärtigen
Seite der beiden stromaufwärtigen Hauptverwirbelungselemente 028a eingespritzt
wird, mit dem Luftstrom A gemischt, der das stromaufwärtige Hauptverwirbelungselement 028 passiert
hat, und er strömt
stromab zu dem Luftdurchgang 024, während er in einer Richtung
wirbelt, und strömt
weiter durch das stromabwärtige
Hauptverwirbelungselement 028b, um die Wirbelströmung in
der anderen Richtung herzustellen, so dass das Gemisch M, das in
die Brennkammer 018 von dem Ausgang des Hauptdüsen-Außenzylinders 010 einzuspritzen
ist, in der Brennstoff-Konzentrationsverteilung vergleichmäßigt wird.
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Infolgedessen
kann dieses homogene Gemisch M mit der Diffusionsflamme gezündet werden, die
vor der Pilotdüse 02 gehalten
wird, um die Menge an im Verbrennungsgas G in der Brennkammer 018 erzeugtem
NOx zu mindern.
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Andererseits
erfordern die Hauptdüsen 03 des
Standes der Technik einen hohen Brennstoffzuführdruck, um das homogene Gemisch
M am Ausgang des Hauptdüsen-Außenzylinders 010 herzustellen.
In dieser Ausführungsform
jedoch wird der Brennstoff F stromauf des stromaufwärtigen Hauptverwirbelungselements 028a zugeführt, so
dass der von den Brennstoffdüsenöffnungen 025 eingespritzte Brennstoff
F und die Luftströmung
A in den Hauptdüsen-Außenzylinders 010 zwangsläufig durch
die Verwirbelungskräfte
in den beiden umgekehrten Richtungen gemischt werden. Infolgedessen
kann ein zufriedenstellender Mischzustand auch unter einem niedrigen
Brennstoffzuführdruck
hergestellt werden.
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(Fünfte Ausführungsform)
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Als
nächstes
wird eine fünfte
Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
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Bei
dem Aufbau der Hauptdüsen 03 der Brennkammer
dieser Ausführungsform
gemäß 5 erstrecken sich die elliptischen Verlängerungsrohre 016 zu
der Position der vorderen Öffnung
des Flammhaltekonus 014, wie bei der Brennkammer 012 der
ersten Ausführungsform
gemäß 1, während
sie mit der Öffnung
des Vorderendabschnitts des Hauptdüsen-Außenzylinders 010 kommunizieren.
Wie bei der Brennkammer 012 der in 4 gezeigten
vierten Ausführungsform
setzt sich darüberhinaus
das Hauptverwirbelungselement 08, das in jeder der um den
Flammhaltekonus 014 angeordneten Hauptdüsen 03 angeordnet
ist, aus dem stromaufwärtigen
Hauptverwirbelungselement 028a und dem stromabwärtigen Hauptverwirbelungselement 028b zusammen.
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Infolgedessen
können
nicht nur Funktionen und Wirkungen ähnlich denjenigen der Hauptdüsen 03 mit
den elliptischen Verlängerungsrohren 016 der vorstehenden
ersten Ausführungsform,
sondern auch Funktionen und Wirkungen ähnlich denjenigen der Hauptdüsen 03 mit
den stromaufwärtigen
Hauptverwirbelungselementen 028a und den stromabwärtigen Hauptverwirbelungselementen 028b der
vorstehenden vierten Ausführungsform
erzielt werden, so dass die mannigfaltigen Funktionen und Wirkungen
der beiden Ausführungsformen
erzielt werden können.