EP0029619B1 - Brennkammer einer Gasturbine mit Vormisch/Vorverdampf-Elementen - Google Patents

Brennkammer einer Gasturbine mit Vormisch/Vorverdampf-Elementen Download PDF

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EP0029619B1
EP0029619B1 EP80200979A EP80200979A EP0029619B1 EP 0029619 B1 EP0029619 B1 EP 0029619B1 EP 80200979 A EP80200979 A EP 80200979A EP 80200979 A EP80200979 A EP 80200979A EP 0029619 B1 EP0029619 B1 EP 0029619B1
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EP
European Patent Office
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combustion chamber
orifices
elements
flame retention
flame
Prior art date
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Expired
Application number
EP80200979A
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English (en)
French (fr)
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EP0029619A1 (de
Inventor
Eduard Brühwiler
Hans Koch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BBC Brown Boveri AG Switzerland
Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Switzerland
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Publication date
Family has litigation
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Application filed by BBC Brown Boveri AG Switzerland filed Critical BBC Brown Boveri AG Switzerland
Publication of EP0029619A1 publication Critical patent/EP0029619A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0029619B1 publication Critical patent/EP0029619B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/30—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices
    • F23R3/32—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices being tubular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2209/00—Safety arrangements
    • F23D2209/10—Flame flashback

Definitions

  • the invention relates to the combustion chamber of a gas turbine according to the preamble of claim 1.
  • Gas turbines are increasingly subject to the stringent environmental regulations in many countries regarding exhaust gas composition. Above all, compliance with the regulations on the maximum permitted NO x emissions is extremely difficult when operating a gas turbine.
  • a combustion chamber of the type mentioned at the outset for the purpose of reducing the pollutants liberated during combustion is known from US-A-4 100 733. It is aimed there that the emission values of pollutants without the injection of aids such as water or steam into the combustion chamber under the allowable values fall from the emission regulations. This is achieved by adding a pre-mixing / pre-evaporation phase to the actual combustion process. For this purpose, the pre-mixing / pre-evaporation is carried out in several tubular elements, the fuel being mixed with air from the compressor with a large excess of air.
  • This known combustion chamber is designed in two stages and is operated in such a way that the first stage is operated at low load, i. H. that about half of the tubular elements are used in terms of fuel. The second stage is only operated at higher loads. The aim here is that the mixture in the first stage is always rich enough to ensure stable combustion. This can be achieved either by changing the resistance at the air inlets on the distribution chamber side or by using fuel injectors of different sizes.
  • the present invention is based on the object of improving a combustion chamber of the type mentioned in such a way that first of all a reliable ignition of all elements is ensured and that then a re-ignition of the Flame from the combustion chamber into the interior of the tubular elements is prevented.
  • pilot elements are used in the present invention, it is expedient to distribute them geometrically evenly among the tubular elements used. If these are still put into operation by initial ignition, then one does not apply to the elements which are put into operation later: the flame jumps from the pilot elements to the surrounding ones, favored by the fact that the flame holders of these pilot elements are provided either with swirl bodies or with oblique holes, so that divergent tongues of flame are generated, which additionally promote good caloric and air-jet mixing, which is reflected in a more uniform temperature and speed distribution after the combustion chamber.
  • both the oblique openings and the openings in the flame holder parallel to the axis of the flame holder have a length of at least 1.5 opening diameters. Through this opening, the air-fuel oil vapor mixture or the air-fuel gas mixture flows to the combustion chamber at an increased speed, as a result of which flame back ignition is avoided.
  • a further embodiment in order to avoid a flashback, is to design the openings in the flame holder as injectors, so that air is introduced into the boundary layer of the openings.
  • Another configuration of the openings in the flame holder is to design them as diffusers. With this solution, a higher speed is possible with the same pressure loss. The higher speed offers more security against the flame reigniting from the combustion chamber. To ensure the safe operation of the diffuser, it is necessary to add a cylindrical section with a minimum length of 1.5 diameter.
  • FIG. 1 shows schematically the concept of such a combustion chamber.
  • a larger number of tubular elements 2 are arranged in the upper area of the combustion chamber casing 1, which optimally fill the available space.
  • FIG. 2 An example of such an arrangement is shown in FIG. 2, in which thirty-seven tubular elements 2 are arranged. However, this number is not mandatory, because it depends on the size of the combustion chamber, which in turn is dependent on the desired combustion output.
  • a support bridge 27, on which the tubular elements 2 are connected by means of end nuts 5, is anchored to a support rib 23. In order to connect the tubular elements 2 to the support bridge 27, other types of connection can of course also be used.
  • the tubular elements 2 are guided laterally in the lower region by means of a guide plate 6.
  • the tubular elements 2 can also be guided individually, as can be seen in FIG. 16, in which case no guide plate is then used, but individual guide rings 25 take on this task.
  • the guide rings 25 are also carried here by support elements 22 which are firmly connected to the support bridge 27.
  • the tubular elements 2 can also be anchored differently than with the support bridge 27 shown, but in such cases it will always be necessary to ensure that the chosen anchoring is placed as far away from the combustion chamber 7 as possible so that the thermal expansions cannot have a disruptive effect.
  • the greater part of the compressed air which is provided in the compressor (not shown), flows through the openings 9 into a distribution chamber 19 provided in the combustion chamber casing I, which distributes downwards through the support bridge 27 and upwards through the cover 35 flanged on the flange rib 38 is narrowed down. From this distribution chamber 19, the compressed air then flows through the air funnels 14 into the individual tubular elements 2.
  • the fuel supply is provided for each tubular element 2 by means of a fuel line 4, a fuel nozzle 15, which projects into the tubular element 2 and has one or more fuel openings (not shown), atomizing the fuel against the air inflow direction. The fuel does not necessarily have to be injected against the air flow.
  • fuel gas natural gas
  • the gas is blown in in the direction of air inflow. It is also possible to input and burn oil and gas at the same time.
  • fuel oil to achieve finer atomization, the smallest possible amount of compressed air can be added through the nozzle 15, which has an overpressure compared to the process pressure.
  • the fuel therefore mixes with the incoming compressed air in such a way that a pre-mixing nor evaporation process takes place in the tubular element 2.
  • This process can be intensified due to the turbulence which arises by inserting a flange 34 at the air inlet of the tubular element 2, as can be seen in FIG. 16.
  • the fuel injection or fuel injection through the fuel nozzle 15 must be carried out at an optimal distance from the mouth 34, but still in the region of the turbulence that has arisen.
  • the fuel evaporates and mixes with the air.
  • the degree of evaporation is stronger, the greater the temperature and the residence time and the smaller the drop size of the atomized fuel.
  • the critical time until the mixture self-ignites decreases, so that the length of the tubular elements 2 is coordinated in such a way that the best possible evaporation results for the shortest possible time.
  • gas there is no evaporation; the gas only needs to be distributed evenly with the air.
  • a remaining amount of compressed air does not flow into the distribution chamber 19, but into the combustion chamber casing I through the openings 26, is distributed between the tubular elements 2 and flows through the openings 18 recessed in the flame holder edge 13 (FIG. 2) to the combustion chamber, as a result of which the outer part of the flame holder 3 is cooled in such a way that the risk of burning, which is latent especially when producing divergent flame tongues, is counteracted.
  • the combustion of the mixture is aimed at with the largest possible excess of air, which is given by the fact that the flame is still burning and further by the fact that not too much CO is produced.
  • a good optimization can be present, for example, if the air content of the mixture is kept at 1.8 times the stoichiometric value.
  • the lower terminating rib 24 prevents free convection of the hot air from the combustion chamber 7, the terminating rib 24 also being cooled with the same residual air flowing in through the openings 26, which then flows out through the openings 18 of the adjacent flame shader edges 13 to the combustion chamber 7.
  • the flame holder 3 which forms the end of the downstream part of the tubular element 2, has the task of preventing the flame from reigniting from the combustion chamber 7 into the interior of the tubular element 2.
  • the inner wall of the combustion chamber casing 1 is provided with a cooling system (not shown) in the area of the combustion chamber 7, that is to say from the flame heater 3.
  • the flame holder 3 shown has a number of cylindrical holes 21 which run parallel to the axis of the tubular element 2. If additional divergent flame tongues are to be produced, as can be seen in FIGS. 4 and 5, the holes 30 in the flame holder 3, with the exception of the central hole, can be made obliquely in radial planes of the flame holder 3, the angle 38 from the center to the periphery of the flame holder 3 steadily increases or remains the same.
  • the length of both the parallel holes 21 and the oblique holes 30, 31 must be at least 1.5 hole diameter.
  • the resulting increased mixture speed in the holes 21, 30, 31 and the length of the holes counteract flame reignition from the combustion chamber 7.
  • the number of holes 21, 30, 31 must be adapted to the given conditions. In the example shown in FIG. 7, there are for example twenty-one holes 31.
  • the flame holder 3 consists of an upper plate 3a and a lower plate 3b, between which a channel 10 connected to the openings 8 runs.
  • the openings 8 provided in the flame holder 3 are each lined with two slightly conical bushes 11, 12, these overlapping in the region of the channel 10 telescopically and with play 16. Burning back of the flame from the combustion chamber 7, in particular in the boundary layer along the wall of the sleeve 12, is counteracted by introducing compressed air through the channel 10, which flows through the play 16 along the endangered wall of the sleeve 12 with the mixture . Flow separations, which would favor reignition, are prevented by the conical shape of the openings 8.
  • the flame holder 3 shown in FIG. 11 has sixteen openings 8, which are fed symmetrically from two channels 10 with compressed air.
  • the supply of the openings 8 made in the flame holder 3 with compressed air can be fulfilled by other channel configurations.
  • the openings 8 in the flame holder 3 are designed as diffusers 39.
  • an initial cylindrical bore 32 is followed by a section formed as a diffuser 40, which is followed by a cylindrical bore 33 of larger diameter than the inlet bore 32, which has a length of at least 1.5 bore diameter.
  • a higher speed at the narrowest point is possible with the same pressure loss, which is reflected in greater safety against flame reignition from the combustion chamber 7.
  • the beginning of the flame in the combustion chamber 7 is brought into a corresponding distance from the diffuser 40 through the cylindrical bore 33.
  • the flow in the subsequent cylindrical part 33 will again rest against the wall.
  • the flame holder 3 can, as shown in FIG. 9 10 and 10, can be provided with a swirl body 28, the mixture being directed to the combustion chamber 7 in a swirling manner through its openings 41, for example fourteen in number.
  • the swirl body 28 promotes good air-jet mixing of the fuel / air mixture and good heat distribution, which results in a homogeneous temperature and speed distribution after the combustion chamber 7, with the effect that the turbine, not shown, is acted upon uniformly.
  • tubular elements 2 and the individual flame holder 3 itself in combination according to Figures 3, 4/5, 6/7/8, 9/10, 11/15 or 14 can be formed.
  • the combustion chamber casing 1 is optimally filled with a larger number of tubular elements 2. As shown in FIG. 2, among the thirty-seven tubular elements 2 used, thirteen pilot elements 17 are geometrically evenly distributed. When the combustion chamber is started, pilot elements 17 are initially put into operation by an initial ignition unit (not shown). When the load increases, the flame jumps from the pilot elements 17 to the surrounding ones, which have just been put into operation.
  • the openings 8 in the flame holder 3 of the pilot elements 17 can optionally be formed after the holes 30 and / or after the holes 31.
  • the use of swirl bodies 28 can also be provided for the pilot elements 17, which, like the holes 30, 31, also produce divergent flame tongues and thus favor the ignition of the surrounding tubular elements 2.
  • the flame holder 3 is hexagonal 20 in the circumferential direction. From these figures it can also be seen that the openings 18 made in the flame holder base 13 are evenly distributed between the hexagonal shape 20 and the tubular element. A polygon game 29 absorbs the thermal expansion in this area.
  • an orifice 34 is used, which in this area, that is to say directly around the fuel nozzle 15, generates turbulence which is suitable for this purpose; to intensify the premixing, atomization and pre-evaporation process in addition to the measures described above, that is to say in particular by the fine injection of the fuel against the direction of air inflow.
  • turbulence amplifiers can also be used instead of the on-board mouth 34.

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Description

  • Die Erfindung betrifft die Brennkammer einer Gasturbine gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Gasturbinen unterliegen zunehmend den strengen Umweltschutzvorschriften vieler Staaten bezüglich Abgaszusammensetzung. Aus dem Betrieb einer Gasturbine bereitet vor allem die Einhaltung der Vorschriften über die maximal erlaubten NOx-Emissionen grosse Schwierigkeiten.
  • Eine Brennkammer der eingangs genannten Art zum Zwecke der Verringerung der bei der Verbrennung freiwerdenden Schadstoffe ist bekannt aus der US-A-4 100 733. Dort wird angestrebt, dass die Emissionswerte von Schadstoffen ohne Einspritzung von Hilfsmitteln wie Wasser oder Dampf in den Verbrennungsraum unter die von den Emissionsvorschriften erlaubten Werte fallen. Dies wird erreicht, indem dem eigentlichen Verbrennungsprozess eine Vormisch/Vorverdampfungsphase vorgeschaltet wird. Zu diesem Zweck wird das Vormischen/Vorverdampfen in mehreren rohrförmigen Elementen durchgeführt, wobei der Brennstoff mit Luft aus dem Verdichter bei grosser Luftüberschusszahl vermengt wird. Diese bekannte Brennkammer ist zweistufig ausgebildet und wird derart gefahren, dass bei niedriger Last zunächst die erste Stufe betrieben wird, d. h. dass etwa die Hälfte der rohrförmigen Elemente brennstoffmässig im Einsatz ist. Erst bei höherer Last wird die zweite Stufe betrieben. Hierbei wird angestrebt, dass das Gemisch in der ersten Stufe immer fett genug ist, um eine stabile Verbrennung zu gewährleisten. Dies kann entweder durch veränderbaren Widerstand an den Verteilkammer-seitigen Lufteinlässen erreicht werden oder durch unterschiedlich grosse Brennstoffeinspritzdüsen.
  • Ausgehend von der Erkenntnis, dass die Verbrennung mit grösstmöglicher Luftüberschusszahl - einmal dadurch gegeben, dass die Flamme überhaupt noch brennt und im weiteren dadurch, dass nicht zuviel CO entsteht - nicht nur die Schadstoffmenge von NOx reduziert, sondern darüber hinaus auch eine konsistente Tiefhaltung anderer Schadstoffe wie z. B. CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe bewirkt, liegt der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass zunächst ein sicheres Zünden aller Elemente gewährleistet ist und dass dann ein Rückzünden der Flamme vom Brennraum ins Innere der rohrförmigen Elemente unterbunden wird.
  • Von besonderem Vorteil ist hierbei, dass ohne Eingriff in das Luftverteilsystem oder das Brennstoffeinspritzsystem bei der Lastregelung jeweils nur soviele Elemente mit Brennstoff betrieben werden, dass sich für die jeweilige Betriebsphase (Start, Teillast usw.) immer die optimale Luftüberschusszahl ergibt.
  • Zwar ist es aus der GB-A-2 012413 ebenfalls bereits bekannt, zwecks Vormischen des eingespritzten Brennstoffs mit der Brennluft eine Mehrzahl von rohrförmigen Elementen vorzusehen, wobei diese Elemente brennkammerseitig mit Unstetigkeiten in Form von Verengungen versehen sind. Jedoch dienen diese Verengungen ausschliesslich der Brennstoffzufuhr zwischen den bündelartig zusammengefassten Rohren. Eine flammenabhaltende Funktion können sie nicht erfüllen.
  • Sofern bei der vorliegenden Erfindung mehrere Pilot-elemente zum Einsatz gelangen, ist es zweckmässig, diese geometrisch gleichmässig unter den eingesetzten rohrförmigen Elementen zu verteilen. Wenn jene noch durch Initialzündung in Betrieb genommen werden, so entfällt eine solche für die später in Betrieb genommenen Elemente : Von den Pilotelementen springt die Flamme zu den umliegenden über, dadurch begünstigt, dass die Flammenhalter dieser Pilotelemente entweder mit Drallkörpern oder mit Schräglöchern versehen werden, so dass divergierende Flammenzungen erzeugt werden, welche zusätzlich eine gute kalorische und luftstrahlige Durchmischung begünstigen, was sich in einer gleichmässigeren Temperatur und Geschwindigkeitsverteilung nach dem Brennraum niederschlägt.
  • Von Vorteil ist es, wenn sowohl die schrägen als auch die zur Achse des Flammenhalters parallelen Oeffnungen im Flammenhalter eine Länge von mindestens 1,5 Oeffnungsdurchmesser besitzen. Durch diese Oeffnung strömt das Luft-Brennöldampfgemisch bzw. das Luft-Brenngasgemisch mit erhöhter Geschwindigkeit zum Brennraum, wodurch eine Flammenrückzündung vermieden wird.
  • Eine weitere Ausgestaltung, um ein Flammenrückschlagen zu vermeiden, besteht darin, die Oeffnungen im Flammenhalter als Injektoren auszubilden, so dass Luft in die Grenzschicht der Oeffnungen eingeführt wird.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Oeffnungen im Flammenhalter besteht darin, sie als Diffusoren auszubilden. Mit dieser Lösung ist bei gleichem Druckverlust eine höhere Geschwindigkeit möglich. Die höhere Geschwindigkeit bietet mehr Sicherheit gegen die Rückzündung der Flamme aus dem Brennraum. Zur sicheren Funktionsweise des Diffusors ist es notwendig eine zylindrische Partie mit einer Mindestlänge von 1,5 Durchmesser nachzuschalten.
  • Von Vorteil ist es auch, wenn die Einspritzung des Brennstoffes gegen die Lufteinströmungsrichtung gerichtet ist. Dadurch wird der VormischNorverdampfungsprozess soweit begünstigt, dass die Länge des rohrförmigen Elementes gegenüber einer anderen Brennstoffzufuhrsart erheblich kürzer gehalten werden kann. Hierdurch wird die Verweilzeit des Gemisches im rohrförmigen Element reduziert und die Selbstzündungsgefahr unterbunden.
  • Durch den Einsatz einer Bordamündung am Lufteingang des rohrförmigen Elementes wird in diesem Bereich eine Turbulenz erzeugt, welche den Vormischungs-, Zerstäubungs- und Vorverdampfungsprozess zusätzlich intensiviert.
  • Es ist zweckmässig, den Umfang des Flammenhalterrandes als Polygon auszubilden, so dass sich die rohrförmigen Elemente platzsparend ineinanderfügen.
  • Es empfiehlt sich, im Flammenhalterrand, um den Aussenmantel des rohrförmigen Elementes herum, mehrere Oeffnungen auszunehmen, durch welche eine Teilmenge der Verdichterluft durchströmt und so den Flammenhalterrand kühlt.
  • Im folgenden ist anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Brennkammer schematisch dargestellt und näher erläutert. Alle für das Verständnis der Erfindung unwesentlichen Elemente sind nicht dargestellt. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Es zeigt :
    • Figur 1 Eine Schnittdarstellung einer Brennkammer,
    • Figur 2 Eine Anordnung der rohrförmigen Elemente in der Brennkammer,
    • Figur 3 Eine Schnittdarstellung eines Flammenhalters mit parallelen Löchern,
    • Figuren 4 und 5 Eine Darstellung eines weiteren Flammenhalters mit schrägen Löchern,
    • Figuren 6, 7 und 8 Eine Darstellung eines weiteren Flammenhalters mit schrägen Löchern,
    • Figuren 9 und 10 Eine Darstellung eines weiteren Flammenhalters mit Drallkörper versehen,
    • Figur 11 Eine Schnittdarstellung eines weiteren Flammenhalters mit Oeffnungen als Injektoren ausgebildet,
    • Figuren 12 und 13 Eine Darstellung eines Pilotelementes mit Diffusionsflamme,
    • Figur 14 Eine Schnittdarstellung eines weiteren Flammenhalters mit Oeffnungen als Diffusoren ausgebildet,
    • Figur 15 Eine Ansicht des Flammenhalters von Fig. 11 einschliesslich Ausgestaltung des Luftzuführungskanals,
    • Figur 16 Eine Darstellung der mittels Ringe geführten rohrförmigen Elemente mit Bordamündung.
  • Fig. 1 zeigt schematisch die Konzeption einer solchen Brennkammer. Im oberen Bereich der Brennkammerhülle 1 sind eine grössere Anzahl rohrförmiger Elemente 2 angeordnet, welche den zur Verfügung stehenden Raum optimal ausfüllen. Ein Beispiel einer solchen Anordnung geht aus Fig. 2 hervor, in der siebenunddreissig rohrförmige Elemente 2 angeordnet sind. Diese Anzahl ist indessen nicht zwingend, denn sie hängt von der Grösse der Brennkammer ab, welche wiederum in Abhängigkeit zur gewünschten Brennleistung steht. Eine Tragbrücke 27, an der die rohrförmigen Elemente 2 mittels Abschluss-' muttern 5 verbunden sind, ist an einer Tragrippe 23 verankert. Um die rohrförmigen Elemente 2 mit der Tragbrücke 27 zu verbinden, können selbstverständlich auch andere Verbindungsarten herangezogen werden. Die rohrförmigen Elemente 2 sind im unteren Bereich mittels einer Führungsplatte 6 seitlich geführt. Mehrere Tragelemente 22, welche ihrerseits mit der Tragbrücke 27 fest verbunden sind, tragen die Führungsplatte 6. Selbstverständlich können die rohrförmigen Elemente 2 auch einzeln geführt werden, wie dies aus Fig. 16 hervorgeht, wobei dann nicht mehr eine Führungsplatte eingesetzt wird, sondern einzelne Führungsringe 25 diese Aufgabe übernehmen. Die Führungsringe 25 werden auch hier von Tragelementen 22 getragen, die mit der Tragbrücke 27 fest verbunden sind. Selbstverständlich können die rohrförmigen Elemente 2 auch anders als mit der dargestellten Tragbrücke 27 verankert werden, immer wird man aber in solchen Fällen darauf achten müssen, dass die gewählte Verankerung möglichst weit weg vom Brennraum 7 plaziert ist, damit die Wärmedehnungen keine störende Wirkung entfalten können.
  • Der grössere Teil der verdichteten Luft, die im nicht dargestellten Verdichter bereitgestellt wird, strömt durch die Oeffnungen 9 in eine in der Brennkammerhülle I vorgesehene Verteilkammer 19 ein, welche nach unten durch die Tragbrücke 27 und nach oben durch den an der Flanschrippe 38 geflanschten Deckel 35 eingegrenzt ist. Von dieser Verteilkammer 19 aus strömt dann die verdichtete Luft durch die Lufttrichter 14 in die einzelnen rohrförmigen Elemente 2 ein. Die Brennstoffzuführung wird je rohrförmiges Element 2 durch eine Brennstoffleitung 4 beigestellt, wobei eine Brennstoffdüse 15, welche ins rohrförmige Element 2 hineinragt und eine oder mehrere nicht dargestellte Brennstofföffnungen aufweist, die Zerstäubung des Brennstoffes gegen die Lufteinströmungsrichtung besorgt. Der Brennstoff muss aber nicht notwendigerweise gegen den Luftstrom eingespritzt werden. Im Falle eines Einsatzes von Brenngas (Erdgas) beispielsweise wird das Gas in Lufteinströmungsrichtung eingeblasen. Es ist auch möglich, Oel und Gas gleichzeitig einzugeben und zu verbrennen. Auch kann bei Einsatz von Brennöl, zur Erzielung einer feineren Zerstäubung, durch die Düse 15 eine kleinstmögliche Menge Druckluft beigegeben werden, welche gegenüber dem Prozessdruck einen Ueberdruck aufweist. Der Brennstoff vermischt sich demnach mit der einströmenden verdichteten Luft, dergestalt, dass im rohrförmigen Element 2 ein VormischNorverdampfungsprozess abläuft. Dieser Prozess kann durch die Einsetzung einer Bordamündung 34 am Lufteingang des rohrförmigen Elementes 2, wie dies aus Fig. 16 hervorgeht, auf Grund der entstehenden Turbulenz intensiviert werden. In einem solchen Falle muss die Brennstoffeinspritzung bzw. Brennstoffeinblasung durch die Brennstoffdüse 15 in optimalem Abstand von der Bordamündung 34, aber noch im Bereich der entstandenen Turbulenz vorgenommen werden.
  • In der Zeit, in der das Gemisch durch das rohrförmige Element 2 bis zum Ausgang durch die im Flammenhalter 3 ausgenommenen Oeffnungen 8 strömt, verdampft der Brennstoff und vermischt sich mit der Luft. Der Grad der Verdampfung ist umso stärker, je grösser die Temperatur und die Verweilzeit und je kleiner die Tropfengrösse des zerstäubten Brennstoffes sind. Mit der Zunahme von Druck und Temperatur verringert sich jedoch die kritische Zeitdauer bis zur Selbstzündung des Gemisches, so dass die Länge der rohrförmigen Elemente 2 derart abgestimmt ist, dass eine möglichst gute Verdampfung während einer möglichst kurzen Zeit resultiert. Im Falle von Gas entfällt die Verdampfung ; das Gas muss mit der Luft nur gleichmässig verteilt werden.
  • Eine restliche Menge verdichteter Luft strömt nicht in die Verteilkammer 19, sondern durch die Oeffnungen 26 in die Brennkammerhülle I ein, verteilt sich zwischen den rohrförmigen Elementen 2 und strömt durch die im Flammenhalterrand 13 (Fig. 2) ausgenommenen Oeffnungen 18 dem Brennraum zu, wodurch der äussere Teil des Flammenhalters 3 gekühlt wird, dermassen, dass der Abbrandgefahr, die insbesondere bei Erzeugung von divergierenden Flammenzungen latent vorhanden ist, entgegengewirkt wird.
  • Die Verbrennung des Gemisches wird, wie bereits erwähnt, mit dem grösstmöglichen Luftüberschuss angestrebt, wobei dieser einmal dadurch gegeben ist, dass die Flamme überhaupt noch brennt und im weiteren dadurch, dass nicht zuviel CO entsteht. Eine gute Optimierung kann beispeilsweise vorliegen, wenn der Luftanteil des Gemisches auf das 1,8-fache des stöchiometrischen Wertes gehalten wird. Die untere Abschlussrippe 24 verhindert eine freie Konvektion der heissen Luft aus dem Brennraum 7, wobei die Abschlussrippe 24 mit der gleichen durch die Oeffnungen 26 einströmenden Restluft, die dann durch die Oeffnungen 18 der benachbarten Flammenhatterränder 13 zum Brennraum 7 abströmt, mitgekühlt wird.
  • Der Flammenhalter 3, welcher den Abschluss des Strömungsabwärts gelegenen Teils des rohrförmigen Elementes 2 bildet, hat die Aufgabe, eine Rückzündung der Flamme vom Brennraum 7 ins Innere des rohrförmigen Elementes 2 zu verhindern. Die innere Wandung der Brennkammerhülle 1 ist im Bereich des Brennraumes 7, also ab Flammenhatter 3, mit einem nicht dargestellten Kühlungssystem versehen.
  • Wie aus Fig. 3 hervorgeht, weist der dargestellte Flammenhalter 3 eine Anzahl zylindrische und parallel zur Achse des rohrförmigen Elementes 2 verlaufende Löcher 21 auf. Sollen zusätzlich divergierende Flammenzungen erzeugt werden, so können, wie auf Fig. 4 und Fig. 5 hervorgeht, die Löcher 30 im Flammenhalter 3, mit Ausnahme des zentralen Loches, schräg in Radialebenen des Flammenhalters 3 angebracht werden, wobei der Winkel 38 von der Mitte zur Peripherie des Flammenhalters 3 hin stetig zunimmt oder gleichbleibt. Wie aus Fig. 6, 7 und 8 hervorgeht, können die Löcher 31 im Flammenhalter 3, mit Ausnahme des zentralen Loches, auch schräg in Tangentialebenen des Flammenhalters 3 angebracht werden, wobei der Winkel 37, ähnlich wie oben, von der Mitte zur Peripherie des Flammenhalters 3 hin stetig zunimmt oder gleichbleibt. Die Länge sowohl der parallelen Löcher 21 als auch der schrägen Löcher 30, 31 muss mindestens 1,5 Lochdurchmesser betragen. Durch die sich daraus ergebende erhöhte Gemischgeschwindigkeit in den Löchern 21, 30, 31 und die Länge der Löcher wird einer Flammenrückzündung aus dem Brennraum 7 entgegengewirkt. Die Anzahl der Löcher 21, 30, 31 muss jeweils den gegebenen Verhältnissen angepasst werden. Im dargestellten Beispiel aus Fig. 7 sind es beispielsweise einundzwanzig Löcher 31.
  • In der in Fig. 11 gezeigten Anordnung, besteht der Flammenhalter 3 aus einer Oberplatte 3a und einer Unterplatte 3b, zwischen denen ein mit den Oeffnungen 8 in Verbindung stehender Kanal 10 verläuft. Die im Flammenhalter 3 angebrachten Oeffnungen 8 sind mit je zwei leicht konischen Büchsen 11, 12 ausgekleidet, wobei diese im Bereich des Kanals 10 sich teleskopartig und mit Spiel 16 überlappen. Ein Rückbrennen der Flamme aus dem Brennraum 7, insbesondere in der Grenzschicht entlang der Wandung der Büchse 12, wird entgegengewirkt, indem durch den Kanal 10 Druckluft herangeführt wird, welche durch das Spiel 16, entlang der gefährdeten Wandung der Büchse 12, mit dem Gemisch abströmt. Strömungsablösungen, die ein Rückzünden begünstigen würden, werden durch die konische Form der Oeffnungen 8 verhindert.
  • Aus Fig. 15 geht hervor, dass der in Fig. 11 dargestellte Flammenhalter 3 sechzehn Oeffnungen 8 aufweist, welche symmetrisch aus zwei Kanälen 10 mit Druckluft gespeist werden. Selbstverständlich kann die Speisung der im Flammenhalter 3 angebrachten Oeffnungen 8 mit Druckluft durch andere Kanalkonfigurationen erfüllt werden.
  • Wie in Fig. 14 dargestellt ist, werden die Oeffnungen 8 im Flammenhalter 3 als Diffusoren 39 ausgebildet. In Strömungsrichtung des Gemisches zum Brennraum 7 folgt einer anfänglichen zylindrischen Bohrung 32 eine Partie als Diffusor 40 ausgebildet, welchem eine zylindrische Bohrung 33 grösseren Durchmessers als die Eingangsbohrung 32 folgt, wobei jene eine Länge von mindestens 1,5 Bohrungsdurchmesser aufweist. Mit dieser Ausbildung ist bei gleichem Druckverlust eine höhere Geschwindigkeit an der engsten Stelle möglich, was sich in mehr Sicherheit gegen eine Flammenrückzündung aus dem Brennraum 7 niederschlägt. Durch die zylindrische Bohrung 33 wird der Flammenanfang im Brennraum 7 in eine entsprechende Distanz zum Diffusor 40 gebracht. Dadurch wird bei momentanen Strömungsablösungen im Diffusor 40 die Strömung im nachfolgenden zylindrischen Teil 33 wieder an die Wandung anliegen.
  • Der Flammenhalter 3 kann, wie dies aus Fig. 9 und 10 hervorgeht, mit einem Drallkörper 28 versehen werden, wobei durch dessen Oeffnungen 41, beispielsweise mit vierzehn an der Zahl, das Gemisch drallförmig zum Brennraum 7 geleitet wird. Der Drallkörper 28 begünstigt eine gute luftstrahlige Durchmischung des Brennstoff/Luftgemisches und eine gute Wärmeverteilung, wodurch daraus eine homogene Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung nach dem Brennraum 7 resultiert mit dem Effekt, dass die nicht dargestellte Turbine gleichmässig beaufschlagt wird.
  • Selbstverständlich können die rohrförmigen Elemente 2 und der einzelne Flammenhalter 3 selbst, kombinationsweise nach Figuren 3, 4/5, 6/7/8, 9/10, 11/15 oder 14 ausgebildet werden.
  • Wie vorne bereits angedeutet, wird die Brennkammerhülle 1 mit einer grösseren Anzahl rohrförmiger Elemente 2 optimal ausgefüllt. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind unter den eingesetzten siebenunddreissig rohrförmigen Elementen 2 dreizehn Pilotelemente 17 geometrisch gleichmässig verteilt. Beim Start der Brennkammer werden vorerst die Pilotelemente 17 durch ein nicht dargestelltes Initialzündungsaggregat in. Betrieb genommen. Bei Lasterhöhung springt die Flamme von den Pilotelementen 17 zu den umliegenden, die soeben in Betrieb genommen wurden, über.
  • Die Oeffnungen 8 im Flammenhalter 3 der Pilotelemente 17 können wahlweise nach den Löchern 30 und/oder nach den Löchern 31 ausgebildet werden. Für die Pilotelemente 17 kann auch der Einsatz von Drallkörpern 28 vorgesehen werden, welche ebenfalls wie die Löcher 30, 31 divergierende Flammenzungen erzeugen und so die Zündung der umliegenden rohrförmigen Elemente 2 begünstigen.
  • Die Anordnung wie sie aus Fig. 12 und 13 hervorgeht, also mit Drallkörper 28, ist als weitere Variante für die Pilotelemente 17 gedacht. Da hierbei die Brennstoffdüse 15 in den Brennraum 7 hineinragt, findet im rohrförmigen Element 2 kein VormischNorverdampfungsprozess statt. Diese Variante eignet sich dementsprechend auch nur als Starthilfe, womit gesagt ist, dass nur wenige Pilotelemente 17 nach dieser Ausführung vorgesehen zu werden brauchen.
  • Wie aus Fig. 2, 5, 7, 10, 13 und 15 hervorgeht, ist der Flammenhalter 3 in Umfangsrichtung sechskantförmig 20 ausgebildet. Aus diesen Figuren geht ferner hervor, dass die im Flammenhalterboden 13 angebrachten Oeffnungen 18 zwischen sechskantförmigem Umfang 20 und rohrförmigen Element gleichmässig verteilt sind. Ein Polygonspiel 29 fängt die Wärmedehnungen in diesem Bereich auf.
  • Wie bereits angedeutet geht aus Fig. 16 hervor, dass am Lufteingang des rohrförmigen Elementes 2, nach dem Lufttrichter 14, eine Bordamündung 34 eingesetzt ist, welche in diesem Bereich, also unmittelbar um die Brennstoffdüse 15, eine Turbulenz erzeugt, die dazu geeignet ist; den Vormischungs-, Zerstäubungs- und Vorverdampfungsprozess zusätzlich zu den weiter oben beschriebenen Massnahmen, also insbesondere durch die feine Einspritzung des Brennstoffes gegen die Lufteinströmungsrichtung, zu intensivieren. Selbstverständlich können auch andere Turbulenzverstärker an Stelle der Bordamündung 34 zum Einsatz gelangen.

Claims (12)

1. Brennkammer einer Gasturbine, in welcher innerhalb der Brennkammerhülle (1) die Luftverteilkammer (19) und der Brennraum (7) örtlich voneinander getrennt sind und bei der zwischen Verteilkammer (19) und Brennraum (7) mehrere rohrförmige Elemente (2) eingeordnet sind, in denen das Vormischen und das Vorverdampfen des am Verteilkammer-seitigen Ende durch Düsen (15) zugeführten Brennöls und/oder das Vormischen des am Verteilkammer-seitigen Ende durch Düsen (15) zugeführten Brenngases mit der Verdichterluft bei grosser Luftüberschusszahl abläuft, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den rohrförmigen Elementen (2) ein oder mehrere Pilotelemente (17) befinden und dass jedes rohrförmige Element (2) und das oder die Pilotelemente (17) an ihrem Brennraum-seitigen Ende durch einen mit einer oder mehreren Oeffnungen (8) versehenen Flammenhalter (3) verschlossen ist.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Pilotelementen (17) diese unter den rohrförmigen Elementen (2) so geometrisch gleichmässig angeordnet sind, dass bei in Abhängigkeit zur Maschinenlast gestaffelter Inbetriebnahme der einzelnen rohrförmigen Elemente (2) ein Ueberspringen der Flamme zu den jeweils umliegenden stattfindet.
3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung des durch Düsen (15) zugeführten Brennstoffes gegen die Lufteinströmungsrichtung gerichtet ist.
4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen (8) im Flammenhalter (3) zylindrische und parallel zur Achse des rohrförmigen Elementes (2) verlaufende Löcher (21) sind, deren Länge - 1,5 Lochdurchmesser ist.
5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen (8) im Flammenhalter (3) schräg in Radialebenen des Flammenhalters (3) verlaufende Löcher (30) sind, wobei der Winkel (36) von der Mitte zur Peripherie des Flammenhalters (3) hin stetig zunimmt oder gleichbleibt und wobei die Länge der Löcher (30) 1,5 Lochdurchmesser ist.
6. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen (8) im Flammenhalter (3) schräg in Tangentialebenen des Flammenhalters (3) verlaufende Löcher (31) sind, wobei der Winkel (37) von der Mitte zur Peripherie des Flammenhalters (3) hin stetig zunimmt oder gleichbleibt und wobei die Länge der Löcher (31) , 1,5 Lochdurchmesser ist.
7. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen (8) im Flammenhalter (3) mit Drallkörpern (28) versehen sind.
8. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammenhalter (3) aus einer Oberplatte (3a) und einer Unterplatte (3b) besteht, zwischen denen ein mit den Oeffnungen (8) in Verbindung stehender Kanal (10) verläuft und dass die Oeffnungen (8) mit je zwei konischen Büchsen (11, 12) ausgekleidet sind, welche sich im Bereich des Kanals (10) teleskopartig und mit Spiel (16) überlappen, wodurch das durch den Kanal (10) herströmende Medium mit dem Gemisch aus dem rohrförmigen Element (2) abströmt.
9. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen (8) im Flammenhalter (3) als Diffusoren (40) mit anschliessend zylindrischen Oeffnungen (33) ausgebildet sind, deren Länge mindestens das 1,5- fache ihres Durchmessers beträgt.
10. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Flammenhalterrand (13), um den Aussenmantel des rohrförmigen Elementes (2) herum, mehrere Oeffnungen (18) ausgenommen sind.
11. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenumfang des Flammenhalters (3) als Polygon (20) ausgebildet ist.
12. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes rohrförmige Element (2) am Verteilkammerseitigen Ende mit einem Lufttrichter (14) und einer anschliessenden Bordamündung (34) versehen ist.
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