EP0481111B1 - Brennkammer einer Gasturbine - Google Patents
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- EP0481111B1 EP0481111B1 EP90119900A EP90119900A EP0481111B1 EP 0481111 B1 EP0481111 B1 EP 0481111B1 EP 90119900 A EP90119900 A EP 90119900A EP 90119900 A EP90119900 A EP 90119900A EP 0481111 B1 EP0481111 B1 EP 0481111B1
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- combustion chamber
- burners
- premix burners
- combustion
- burner
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- 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
- F23R3/36—Supply of different fuels
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
- F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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- F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
- F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
- F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads
- F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
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- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
- F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
Definitions
- the present invention relates to a combustion chamber of a gas turbine according to the preamble of claim 1.
- premix burners With regard to the prescribed, extremely low NOx, CO and UHC emissions when operating a gas turbine, many manufacturers are adopting premix burners.
- One of the disadvantages of premix burners is that they extinguish at a ⁇ of approx. 2, even at very low air numbers, depending on the temperature downstream of the compressor of the gas turbine group.
- "lean premix combustion" in the low load range of a combustion chamber leads to poor combustion efficiency and correspondingly high NOx, CO and UHC emissions. This problem becomes particularly critical in multi-shaft machines because the combustion chamber pressure there is typically very low when idling. For this reason, the air temperature after the compressor is very low.
- the document EP-A1-0 387 532 describes an annular combustion chamber which has a number of premix burners on the inflow side in the circumferential direction.
- the large premix burners which are the main burners of the ring combustion chamber, and the small premix burners, which are the pilot burners, are placed alternately and at a uniform distance from one another. Both the pilot burner and the main burner open into a single annular front wall.
- a combustion chamber is installed downstream of this front wall. In the entire load range of the combustion chamber, the pilot burners work as independent premix burners, whereby the air ratio remains almost constant.
- the invention seeks to remedy this.
- the invention as characterized in the claims, is based on the object of maximizing the efficiency and minimizing the various pollutant emissions in a combustion chamber of the type mentioned at part-load operation.
- a pilot burner likewise designed on the basis of premix burner, between two main burners designed on the basis of premix burners, the pilot burners being combined with a pre-combustion chamber.
- the main burners are related to the pilot burners in relation to the size of the burner air flowing through them, which is determined on a case-by-case basis.
- the combination pilot burner / pre-combustion chamber is then operated in "rich primary mode". In this way, with the help of the fuel-rich combustion in the pre-combustion chamber, both the evaporation of the liquid fuel and the burnout of liquid or gaseous fuel can be decisively improved.
- the main burner system is then switched on and the pilot burners are then operated in "lean primary mode".
- main burners and the pilot burners consist of so-called double-cone burners of different sizes, and if these burners are integrated into an annular combustion chamber.
- Fig. 1 shows a section of a sector of an annular combustion chamber A along the front wall 10 thereof. This shows the placement of the individual main burners B and pilot burners C. These are placed along the front wall 10 at a uniform distance from one another, with an alternating distribution.
- the size difference shown between main burner B and pilot burner C is only of a qualitative nature.
- the effective size of the individual burners B and C and their distance from one another primarily depends on the size and performance of the respective combustion chamber.
- the size ratio between pilot burners C and main burners B is selected such that approximately 23% of the burner air flows through the pilot burners C and approximately 77% through the main burners B.
- the pilot burners C are each supplemented with a pre-combustion chamber C1, the configuration of which will be explained in more detail in FIG. 2.
- Fig. 2 is a schematic axial section through the annular combustion chamber in the plane of the burners B and C; both the main burner B and the pilot burner C all open same height in the uniform front wall 10 to the subsequent combustion chamber of the combustion chamber: the main burners B directly because of their outflow opening, the pilot burners C, however, via the pre-combustion chamber C1 downstream of the burner part in the outflow direction.
- the schematic representation of FIG. 2 already shows that both the main burners B and the pilot burners C are designed as premix burners, ie they do not need the otherwise usual premix zone. Of course, with such a design, it must always be ensured that backfire in the premixing zone of the respective burner, upstream of the front wall 10, is excluded.
- the size ratio between the main burner B and the pilot burner C to a certain extent also indicates the operating mode with regard to the load range: At low partial load, only the pilot burner C (one or more stages) is supplied with fuel in such a configuration. "Lean premix combustion" leads to poor combustion efficiency in the low load range of a combustion chamber and correspondingly high NOx, CO and HC emissions. Where multi-shaft machines are used, for example, this problem becomes particularly critical because the combustion chamber pressure is typically very low when idling. For this reason, the air temperature after the compressor is also very low, which does not result in optimal premixing of this compressor air with the fuel used.
- FIG. 3 which can be both main burner B and pilot burner C in structure, consists of two half hollow partial cone bodies 1, 2 which are radially offset from one another with respect to their longitudinal axis of symmetry.
- the offset of the respective longitudinal axis of symmetry 1b, 2b to each other creates a tangential air inlet slot 19, 20 on both sides of the partial cone body 1, 2 in the opposite inflow arrangement (see FIGS. 4-6) through which the combustion air 15 enters the interior of the burner , ie flows in the cone cavity 14 formed by the two partial cone bodies 1, 2.
- the cone shape of the ge showed partial cone body 1, 2 in the flow direction has a certain fixed angle.
- the partial cone bodies 1, 2 can have a progressive or degressive taper in the direction of flow.
- the two last-mentioned embodiments are not included in the drawing, since they can easily be reread. Which form is ultimately preferred essentially depends on the combustion parameters specified in each case.
- the two partial cone bodies 1, 2 each have a cylindrical initial part 1a, 2a, which, analogous to the partial cone bodies 1, 2, are offset from one another, so that the tangential air inlet slots 19, 20 are present throughout the entire burner.
- a nozzle 3 is accommodated in this cylindrical starting part 1a, 2a, the fuel injection 4 of which coincides with the narrowest cross section of the conical cavity 14 formed by the two partial cone bodies 1, 2.
- the size of this nozzle 3 depends on the type of burner, ie whether it is a pilot burner C or main burner B. Of course, the burner can be made purely conical, that is to say without cylindrical starting parts 1a, 2a.
- Both partial cone bodies 1, 2 each have a fuel line 8, 9 provided with openings 17, through which a gaseous fuel 13 is fed, which in turn is admixed to the combustion air 15 flowing into the cone cavity 14 through the tangential air inlet slots 19, 20.
- the fuel lines 8, 9 should preferably be provided at the end of the tangential inflow, immediately before entering the cone cavity 14, in order to achieve an optimal speed-related admixture 16 between fuel 13 and inflowing combustion air 15. Of course, mixed operation with both fuels 12, 13 is possible .
- the outlet opening of the burner B / C merges into a front wall 10, in which bores, which are not shown in the drawing, proceed can be seen, this in order to be able to supply dilution air or cooling air to the front part of the combustion chamber if required.
- the liquid fuel 12, which preferably flows through the nozzle 3, is injected into the cone hollow body 14 at an acute angle, in such a way that the most homogeneous conical spray pattern is obtained in the burner outlet plane, which is only possible if the inner walls of the partial cone bodies 1, 2 through the Fuel injection 4, which can be an air assisted or pressure atomization, are not wetted.
- the tapered liquid fuel profile 5 is enclosed by the combustion air 15 flowing in tangentially and a further combustion air flow 15a brought in axially.
- the concentration of the liquid fuel 12 is continuously reduced by the mixed-in combustion air 15.
- gaseous fuel 13 is used via the fuel lines 8, 9, the mixture formation with the combustion air 15 takes place, as has already been briefly explained above, directly in the area of the air inlet slots 19, 20, at the inlet into the hollow cone body 14
- the injection of the liquid fuel 12 is achieved in the area of the vortex, ie in the area of the backflow zone 6, the optimal homogeneous fuel concentration over the cross section.
- the ignition takes place at the tip of the return flow zone 6. Only at this point can a stable flame front 7 arise.
- a flashback of the flame into the interior of the burner B, C as can potentially always be the case with known premixing sections, while there is a remedy with complicated flame holders, there is no fear here.
- an accelerated, holistic evaporation of the liquid fuel 12 occurs before the point at the outlet of the burner B, C is reached, at which the ignition of the mixture can take place.
- the degree of evaporation is of course dependent on the size of the Burner B, C, depending on the drop size of the injected fuel and on the temperature of the combustion air streams 15, 15a. Minimized pollutant emission levels occur when full evaporation can be provided before entering the combustion zone.
- the axial speed can also be influenced by the axial supply of combustion air 15a.
- the design of the burner is particularly suitable, given the given length of the burner, to change the size of the tangential air inlet slots 19, 20 by pushing the partial cone bodies 1, 2 towards or away from each other, whereby the distance between the two central axes 1b, 2b is reduced or respectively. enlarged, the gap size of the tangential air inlet slots 19, 20 also changes accordingly, as can be seen particularly well from FIGS. 4-6.
- the partial cone bodies 1, 2 can also be displaced relative to one another in another plane, as a result of which even an overlap thereof can be controlled.
- 4-6 now shows the geometric configuration of the guide plates 21a, 21b. They have flow introduction functions, whereby, depending on their length, they extend the respective end of the partial cone bodies 1, 2 in the direction of flow of the combustion air 15.
- the channeling of the combustion air 15 into the cone cavity 14 can be optimized by opening or closing the guide plates 21a, 21b around a pivot point 23 placed in the area of the entry into the cone cavity 14, this is particularly necessary if the original gap size of the tangential air inlet slots 19, 20 is changed.
- the burner B, C can of course also be operated without baffles, or other aids can be provided for this.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer einer Gasturbine gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Im Hinblick auf die vorgeschriebenen, extrem niedrige NOx-, CO- und UHC-Emissionen beim Betrieb einer Gasturbine gehen viele Hersteller dazu über, Vormischbrenner einzusetzen. Einer der Nachteile von Vormischbrennern besteht darin, dass sie bereits bei sehr niedrigen Luftzahlen, je nach Temperatur stromab des Verdichters der Gasturbogruppre bei einer λ von ca. 2 löschen. Zum anderen führt die "Lean-Premix-Verbrennung" im niedrigen Lastbereich einer Brennkammer zu einer schlechten Verbrennungswirkungsgrad und entsprechend hohen NOx-, CO- und UHC-Emissionen. Dieses Problem wird insbesondere bei Mehrwellenmaschinen deshalb kritisch, weil dort der Brennkammerdruck bei Leerlauf typischerweise sehr niedrig ist. Aus diesem Grund ist auch die Lufttemperatur nach dem Verdichter sehr niedrig. Im Falle einer Oelverbrennung wird die Situation dann besonders schwierig, wenn die Lufttemperatur die Siedetemperaturen eines grossen Teils der Fraktionen des Brennstoffs unterschreitet. Eine vermeintliche Abhilfe hiergegen besteht darin, die Vormischbrenner im Teillastbetrieb von einem oder mehreren Pilotbrennern zu stützen. In der Regel werden hierfür Diffusionsbrenner eingesetzt. Diese Technik ermöglicht zwar sehr niedrige NOx-Emissionen im Bereich der Vollast. Demgegenüber führt dieses Stützbrennersystem bei Teillastbetrieb zu wesentlichen höheren NOx-Emissionen. Der verschiedentlich bekannt gewordene Versuch, die Diffusions-Stützbrenner magerer zu fahren oder kleinere Stützbrenner zu verwenden, muss daran scheitern, dass sich der Ausbrand verschlechtert und die CO- und UHC-Emissionen sehr stark ansteigen. In der Fachsprache ist dieser Zustand unter der Bezeichnung CO/UHC-NOx-Schere bekannt geworden.
- Die Druckschrift EP-A1-0 387 532 beschreibt eine Ringbrennkammer, welche anströmungsseitig in Umfangsrichtung eine Reihe von Vormischbrennern aufweist. Die grossen Vormischbrenner, welche die Hauptbrenner der Ringbrennkammer sind, und die kleinen Vormischbrenner, welche die Pilotbrenner sind, sind abwechslungsweise und im einheitlichen Abstand zueinander plaziert. Sowohl die Pilotbrenner als auch die Hauptbrenner münden in eine einzige ringförmige Frontwand. Ein Brennraum ist dieser Frontwand nachgeschaltet. Im gesamten Lastbereich der Brennkammer arbeiten hier die Pilotbrenner als selbstgängige Vormischbrenner, wobei die Luftzahl fast konstant bleibt. Da auch diese Pilotbrenner nach dem Prinzip der Vormischung arbeiten, sind die Schadstoff-Emissionen bei idealem Gemisch an sich gering, wobei die NOx-Emissionen sich leichter minimieren lassen als die übrigen Schadstoff-Emissionen. Dies kann sich jedoch im transienten Lastbereich allgemein rasch ändern, insbesondere wenn Brennstoffe zum Einsatz gelangen, deren Verdampfung innerhalb der Vormischbrenner schwer zu erreichen ist. Dann ist eine brennstoffreiche Verbrennung im Umfeld der Pilotbrenner nicht mehr zu gewährleisten. Dabei sind nicht nur die Schadstoff-Emissionen betroffen, sondern auch der Wirkungsgrad der Anlage leidet ebenfalls darunter.
- Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art bei Teillastbetrieb den Wirkungsgrad zu maximieren und die verschiedenen Schadstoff-Emissionen zu minimieren.
- Dazu wird vorgesehen, jeweils zwischen zwei auf Basis Vormischbrenner gestalteten Hauptbrennern einen ebenfalls auf Basis Vormischbrenner gestalteten Pilotbrenner vorzusehen, wobei die Pilotbrenner mit einer Vorbrennkammer kombiniert werden. Die Hauptbrenner stehen zu den Pilotbrennern bezüglich der dort durchströmten Brennerluft in einem Grössenverhältnis zueinander, das fallweise festgelegt wird. Bei tiefer Teillast werden nur die Pilotbrenner (ein- oder mehrstufig) mit Brennstoff beliefert. Die Kombination Pilotbrenner/Vorbrennkammer wird dann im "Rich Primary Mode" betrieben. Auf diese Weise gelingt es, mit Hilfe der brennstoffreichen Verbrennung in der Vorbrennkammer, sowohl die Verdampfung des flüssigen Brennstoffs als auch der Ausbrand von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff entscheidend zu verbessern. Bei ausreichend hoher Last, sobald der Brennkammerdruck genügend hoch ist, wird dann das Hauptbrennersystem zugeschaltet, und die Pilotbrenner werden dann im "Lean Primary Mode" betrieben.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird dann erreicht, wenn die Hauptbrenner und die Pilotbrenner aus unterschiedlich grossen sogenannten Doppelkegelbrennern bestehen, und wenn diese Brenner in eine Ringbrennkammer integriert werden.
- Vorteilhafte zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
- Im folgenden wird anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. In den verschidenen Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen gekennzeichnet.
- Es zeigt:
- Fig. 1
- eine schematische Aufsicht auf einen Teil der Frontwand einer Ringbrennkammer, mit ebenfalls schematischer Ansicht der dort plazierten Haupt- und Pilotbrenner,
- Fig. 2
- einen schematischen Achsialschnitt durch einen Sektor der Ringbrennkammer in der Brennerebene,
- Fig. 3
- einen Brenner von der Form eines Doppelkegelbrenners der sowohl Hauptbrenner als auch Pilotbrenner ist, in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten und
- Fig. 4, 5, 6
- entsprechende Schnitte durch die Ebenen IV-IV (= Fig. 4), V-V (= Fig. 5) und VI-VI (= Fig. 6), wobei diese Schnitte nur eine schematische, vereinfachte Darstellung des Doppelkegelbrenners gemäss Fig 3.
- Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Sektors einer Ringbrennkammer A entlang der Frontwand 10 derselben. Daraus geht die Plazierung der einzelnen Hauptbrenner B und Pilotbrenner C hervor. Diese sind entlang der Frontwand 10 in gleichmässigem Abstand zueinander plaziert, wobei sie eine abwechslungsweise Verteilung aufweisen. Der dargestellte Grössenunterschied zwischen Hauptbrenner B und Pilotbrenner C ist nur von qualitativer Natur. Die effektive Grösse der einzelnen Brenner B und C sowie deren Abstand zueinander richtet sich vornehmlich nach der Grösse und Leistung der jeweiligen Brennkammer. Bei einer Ringbrennkammer mittlerer Grösse wird das Grössenverhältnis zwischen Pilotbrennern C und Hauptbrennern B so gewählt, dass etwa 23% der Brennerluft durch die Pilotbrenner C und etwa 77% durch die Hauptbrenner B strömen. Die Figur zeigt des weiteren auf, dass die Pilotbrenner C jeweils mit einer Vorbrennkammer C1 ergänzt sind, deren Ausgestaltung in Figur 2 näher zur Erläuterung kommen wird.
- Fig. 2 ist ein schematischer axialer Schnitt durch die Ringbrennkammer in der Ebene der Brenner B und C; sowohl die Hauptbrenner B als auch die Pilotbrenner C münden alle auf gleicher Höhe in die einheitliche Frontwand 10 zum nachfolgenden Brennraum der Brennkammer: Die Hauptbrenner B direkt aufgrund ihrer Ausströmungsöffnung, die Pilotbrenner C hingegen über die dem Brennerteil in Abströmungsrichtung nachgelagerte Vorbrennkammer C1. Schon die schematische Darstellung von Fig. 2 lässt erkennen, dass sowohl die Hauptbrenner B als auch die Pilotbrenner C als Vormischbrenner ausgelegt sind, d.h., sie kommen ohne der sonst üblichen Vormischzone aus. Freilich muss bei einer solchen Auslegung immer sichergestellt werden, dass eine Rückzündung in die Vormischzone des jeweiligen Brenners, stromauf der Frontwand 10, ausgeschlossen wird. Ein Brenner, der diese Bedingung zu erfüllen vermag, wird in den Fig. 3-6 näher zur Erläuterung kommen. Das Grössenverhältnis zwischen Hauptbrenner B und Pilotbrennern C zueinder indiziert bis zu einem gewissen Grad auch die Betriebsfahrweise bezüglich Lastbereichs: Bei tiefer Teillast werden bei einer solchen Konfiguration nur die Pilotbrenner C (ein- oder mehrstufig) mit Brennstoff beliefert. Die "Lean-Premix-Verbrennung" führt im niedrigen Lastbereich einer Brennkammer zu einer schlechten Verbrennungswirkungsgrad und entsprechend höhen NOx-, CO- und HC-Emissionen. Dort wo beispielsweise Mehrwellenmaschinen zum Einsatz gelangen, wird dieses Problem besonders kritisch, weil der Brennkammerdruck bei Leerlauf typischerweise sehr niedrig ist. Aus diesem Grund ist auch die Lufttemperatur nach dem Verdichter sehr niedrig, was keine optimale Vormischung dieser Verdichterluft mit dem eingesetzten Brennstoff ergibt. Im Falle einer Oelverbrennung wird die Situation dann besonders schwierig, weil ebendiese Lufttemperatur die Siedetemperaturen eines grossen Teils der Fraktionen der letztgenannten Brennstoffes unterschreitet. Dem schlechten Teillastwirkungsgrad und den hohen Schadstoff-Emissionen wird Abhilfe getan, indem die Pilotbrenner C mit der verschiedentlich schon erwähnten Vormischkammer C1 kombiniert werden. Ausgehend von der Tatsache, dass bei tiefer Teillast nur die Pilotbrenner C betrieben werden, d.h. mit Brennstoff beliefert werden, gelingt es mit Hilfe der Vorbrennkammer C1, welche stromab der grössten Ausströmungsöffnung des Pilotbrenners C plaziert ist, und unmittelbar stromauf des Brennraums der Ringbrennkammer liegt, eine brennstoffreiche Vorverbrennung zu betreiben. In dieser Vorbrennkammer C1 lässt sich die Verdampfung eines flüssigen Brennstoffes als auch der Ausbrand von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen entscheidend verbessern. Bei ausreichend hoher Last, sobald der Brennkammerdruck genügend hoch ist, wird dann das Hauptbrennersystem zugeschaltet. Die Pilotbrenner C werden dann im "Lean Primary Mode" betrieben. Dieses System lässt sich auch ohne weiteres mit Vorteil auch bei Einwellenmaschinen einsetzen, insbesondere dort, wo die Leerlauftemperatur der Luft nicht mindestens 300° beträgt.
- Um den Aufbau des Brenners B und C besser zu verstehen ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 3 die einzelnen darin ersichtlichen Schnitte nach den Figuren 4-6 herangezogen werden. Des weiteren, um Fig. 3 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach Fig. 4-6 schematisch gezeigten Leitbleche 21a, 21b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden werden bei der Beschreibung von Fig. 3 nach Bedarf auf die anderen Figuren 4-6 hingewiesen.
Der Brenner gemäss Fig. 3, der vom Aufbau her sowohl Hauptbrenner B als auch Pilotbrenner C sein kann, besteht aus zwei halben hohlen Teilkekegelkörpern 1, 2, die bezüglich ihrer Längssymmetrieachse radial versetzt zueinander aufeinander stehen. Die Versetzung der jeweiligen Längssymmetrieachse 1b, 2b zueinander schafft auf beiden Seiten der Teilkegelkörper 1, 2 in entgegengesetzter Einströmungsanordnung jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 19, 20 frei (Vgl. hierzu Fig. 4-6), durch welche die Verbrennungsluft 15 in den Innenraum des Brenners, d.h. in den von beiden Teilkegelkörpern 1, 2 gebildeten Kegelhohlraum 14 strömt. Die Kegelform der ge zeigten Teilkegelkörper 1, 2 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich können die Teilkegelkörper 1, 2 in Strömungsrichtung eine progressive oder degressive Kegelneigung aufweisen. Die beiden letztgenannten Ausführungsformen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie ohne weiteres nachempfindbar sind. Welche Form schlussendlich den Vorzug gegeben wird, hängt im wesentlichen von den jeweils vorgegebenen Parametern der Verbrennung ab. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 haben je einen zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a, die, analog zu den Teilkegelkörpern 1, 2, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittssschlitze 19, 20 durchgehend über die ganze des Brenners vorhanden sind. In diesem zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a ist eine Düse 3 untergebracht, deren Brennstoffeindüsung 4 mit dem engsten Querschnitt des durch die zwei Teilkegelkörper 1, 2 gebildeten kegeligen Hohlraumes 14 zusammenfällt. Die Grösse dieser Düse 3 richtet sich nach der Art des Brenners, d.h., ob es sich um einen Pilotbrenner C oder Hauptbrenner B handelt. Selbstverständlich kann der Brenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 1a, 2a, ausgeführt werden. Beide Teilkegelkörper 1, 2 weisen je eine mit Oeffnungen 17 versehene Brennstoffleitung 8, 9 auf, durch welche ein gasförmiger Brennstoff 13 herangeführt wird, welcher seinerseits der durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 in den Kegelhohlraum 14 einströmenden Verbrennungsluft 15 zugemischt wird 16. Die Brennstoffleitungen 8, 9 sind vorzugsweise am Ende der tangentialen Einströmung, unmittelbar vor Eintritt in den Kegelhohlraum 14, vorzusehen, dies um eine optimale geschwindigkeitsbedingte Zumischung 16 zwischen Brennstoff 13 und einströmender Verbrennungsluft 15 zu erzielen.-Selbstverständlich ist ein Mischbetrieb mit beiden Brennstoffen 12, 13 möglich. Brennraumseitig 22 geht die Ausgangsöffnung des Brenners B/C in eine Frontwand 10 über, in welcher allenfalls in der Zeichnung nicht dargestellte Bohrungen vor gesehen werden können, dies um bei Bedarf Verdünnungsluft oder Kühlluft dem vorderen Teil des Brennraumes zuführen zu können. Der durch die Düse 3 vorzugsweise strömende flüssige Brennstoff 12 wird in einem spitzen Winkel in den Kegelhohlkörper 14 eingedüst, dergestalt, dass sich in der Brenneraustrittsebene ein möglichst homogenes kegeliges Sprühbild einstellt, was nur möglich ist, wenn die Innenwände der Teilkegelkörper 1, 2 durch die Brennstoffeindüsung 4, bei welcher es sich um eine Luftunterstützte- oder Druck-Zerstäubung handeln kann,nicht benetzt werden. Zu diesem Zweck wird das kegelige Flüssigbrennstoffprofil 5 von der tangential einströmenden Verbrennungsluft 15 und einem achsial herangeführten weiteren Verbrennungsluftstrom 15a umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des flüssigen Brennstoffes 12 fortlaufend durch die eingemischte Verbrennungsluft 15 abgebaut. Wird gasförmiger Brennstoff 13 über die Brennstoffleitungen 8, 9 eingesetzt, so geschieht die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 15, wie bereits oben kurz zur Erläuterung gekommen ist, direkt im Bereich der Lufteintrittsschlitze 19, 20, am Eintritt in den Kegelhohlkörper 14. Im Zusammenhang mit der Eindüsung des flüssigen Brennstoffes 12 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 6, die optimale homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 6. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 7 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Brenners B, C, wie dies bei bekannten Vormischstrecken potentiell immer der Fall sein kann, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft vorgewärmt, so stellt sich eine beschleunigte ganzheitliche Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 12 ein, bevor der Punkt am Ausgang des Brenners B, C errreicht ist, an dem die Zündung des Gemisches stattfinden kann. Der Grad der Verdampfung ist selbstverständlich von der Grösse des Brenners B, C, von der Tropfengrösse des eingedüsten Brennstoffes sowie von der Temperatur der Verbrennungsluftströme 15, 15a abhängig. Minimierte Schadstoffemissionswerte treten auf, wenn eine vollständige Verdampfung vor Eintritt in die Verbrennungszone bereitgestellt werden kann. Gleiches gilt auch für den nahstöchiometrischen Betrieb, wenn die Ueberschussluft durch ein rezirkulierende Abgas ersetzt wird. Bei der Gestaltung der Teilkegelkörper 1, 2 hinsichtlich Kegelwinkels und der Breite der tangentialewn Lufteintrittsschlitze 19, 20 sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Luft mit ihrer Rückströmzone 6 im Bereich der Brennermündung zur Flammenstabilisierung einstellt. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der Lufteintrittsschlitze 19, 20 die Rückströmzone 6 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung käme. Immerhin ist hier zu sagen, dass die einmal fixierte Rückströmzone 6 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Kegelform des Brenners zu. Die Achsialgeschwindigkeit lässt sich des weiteren durch axiale Zuführung von Verbrennungsluft 15a beeinflussen. Die Konstruktion des Brenners eignet sich vorzüglich, bei vorgegebener Baulänge des Brenners, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 zu verändern, indem die Teilkegelkörper 1, 2 zu oder auseinander geschoben werden, wodurch sich der Abstand der beiden Mittelachsen 1b, 2b verkleinert resp. vergrössert, dementsprechend sich auch die Spaltgrösse der tangentialen ufteintrittsschlitze 19, 20 verändert, wie die aus Fig. 4-6 besonders gut hervorgeht. Selbstverständlich sind die Teilkegelkörper 1, 2 auch in einer anderen Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Ueberlappung derselben angesteuert werden kann. Ja es ist sogar möglich, die Teilkegelkörper 1, 2 durch eine gegenläufige drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschieben, oder die Teilkegelkörper 1, 2 durch eine axiale Verschiebung gegenein ander zu verschieben. Somit hat man es in der Hand, die Form und die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 beliebig zu variieren, womit der Brenner B, C ohne Veränderung seiner Baulänge in einer gewissen betriebliche Bandbreite individuell angepasst werden kann. - Aus Fig. 4-6 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 21a, 21b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktionen, wobei sie, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der Teilkegelkörper 1, 2 in Anströmungsrichtung der Verbrennungsluft 15 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 15 in den Kegelhohlraum 14 kann durch Oeffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 21a, 21b um einen im Bereich des Eintrittes in den Kegelhohlraum 14 plazierten Drehpunkt 23 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 verändert wird. Selbstverständlich kann der Brenner B, C auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vorgesehen werdem.
-
- A
- Brennkammer, Ringbrennkammer
- B
- Hauptbrenner
- C
- Pilotbrenner
- C1
- Vorbrennkammer
- 1, 2
- Teilkegelkörper
- 1a, 2a
- Zylindrischer Anfangsteil
- 1b, 2b
- Mittelachse
- 3
- Brennstoffdüse
- 4
- Brennstoffeindüsung
- 5
- Brennstoffsäule
- 6
- Rückströmzone (Vortex Breakdown)
- 7
- Flammenfront
- 8, 9
- Brennstoffleitung
- 10
- Frontwand
- 12
- Flüssiger Brennstoff
- 13
- Gasförmiger Brennstoff
- 14
- Kegelhohlraum
- 15, 15a
- Verbrennungsluft
- 16
- Eindüsung gasförmigen Brennstoffes
- 17
- Oeffnungen
- 19, 20
- Tangentialer Eintrittsschlitz für Verbrennungsluft
- 21a, 21b
- Leitblech
- 22
- Brennraum
- 23
- Drehpunkt
Claims (8)
- Brennkammer einer Gasturbine, welche anströmungsseitig mit einer Anzahl Vormischbrenner (B, C) bestückt ist und einen den Vormischbrennern in Strömungsrichtung nachgeschalteten Brennraum (22) aufweist, wobei die Vormischbrenner (B, C) nebeneinander angeordnet und, bezüglich durchströmbaren Luftstromes, unterschiedlich gross sind, und wobei zwischen zwei grossen Vormischbrennern (B) jeweils ein kleiner Vormischbrenner (C) plaziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinen Vormischbrenner (C) stromab ihrer grössten Ausströmungsöffnung eine Vorbrennkammmer (C1) aufweisen.
- Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (A) eine Ringbrennkammer ist, dass die Ringbrennkammer eine ringförmige Frontwand (10) stromauf des Brennraumes (22) aufweist, dass die grossen Vormischbrenner (B) und die kleinen Vormischbrenner (C) entlang der Frontwand abwechlungsweise untereinander angeordnet sind, dass die grossen Vormischbrenner (B) und die Vorbrennkammer (C1) der kleinen Vormischbrenner (C) in die Frontwand (10) münden.
- Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die grossen Vormischbrenner (B) die Hauptbrenner, die kleinen Vormischbrenner (C) die Pilotbrenner der Brennkammer (A) sind.
- Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (B, C) in Strömungrichtung aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen, kegelförmigen Teilkörpern (1, 2) besteht, deren Längssymmetrieachsen (1b, 2b) zueinander radial versetzt verlaufen, dass die versetzt velaufenden Längssymmetrieachsen (1b, 2b) strömungsmässig entgegengesetzte tangentiale Eintrittsschlitze (19, 20) für einen Verbrennungsluftstrom (15) schaffen, dass im von den kegelförmigen Teilkörpern (1, 2) gebildeten Kegelhohlraum (14) mindestens eine Brennstoffdüse (3) plaziert ist, deren Eindüsung (4) des Brennstoffes (12) mittig der zueinander versetzt verlaufenden Längssymmetrieachsen (1b, 2b) der kegelförmigen Teilkörper (1, 2) liegt.
- Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze (19, 20) weitere Düsen (17) eines weiteren Brennstoffes (13) vorhanden sind.
- Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Teilkörper (1, 2) in Strömungsrichtung unter einem festen Winkel kegelig erweitern.
- Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (1, 2) in Strömungsrichtung eine progressive Kegelneigung aufweisen.
- Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (1, 2) in Strömungsrichtung eine degressive Kegelneigung aufweisen.
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