EP0602404B1 - Gasturbinenbrennkammer - Google Patents

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EP0602404B1
EP0602404B1 EP93118569A EP93118569A EP0602404B1 EP 0602404 B1 EP0602404 B1 EP 0602404B1 EP 93118569 A EP93118569 A EP 93118569A EP 93118569 A EP93118569 A EP 93118569A EP 0602404 B1 EP0602404 B1 EP 0602404B1
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EP
European Patent Office
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zone
combustion
combustion chamber
fuel
constant
Prior art date
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EP93118569A
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English (en)
French (fr)
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EP0602404A1 (de
Inventor
Burkhard Dr. Schulte-Werning
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.)
ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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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
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • 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
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine premixing combustor according to the preamble of the claim.
  • combustion Different types of heat supply (combustion) are possible in a combustion chamber in terms of gas dynamics.
  • combustion with a constant cross-section is of primary practical importance.
  • a combustion chamber is known in which a diffuser is arranged upstream of the ignition devices in order to form a fuel / air mixture which can be ignited by means of ignition devices.
  • This diffuser has an opening angle of 30 °, which leads to a flow separation with the associated strong deceleration of the flow. Flow separation is used to create a turbulent mixture of air and fuel and to ensure flame stabilization.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. It is based on the task of creating a gas turbine premixing combustion chamber in which the total pressure loss and combustion chamber length are low at the same time.
  • this is the case with a gas turbine premixing combustor, which consists of the inflow zone for combustion air with injection of fuel, ignition delay zone for mixing the fuel and the combustion air, reaction zone for ignition and combustion of the fuel / air mixture, burnout zone for complete combustion and for the removal of carbon monoxide and from the transition zone to the turbine, achieved in that the reaction zone has such a widening cross section that the combustion can be carried out gas dynamically at constant pressure or at a constant Mach number.
  • the advantages of the invention are that, as a result of the combustion at a constant Mach number or at a constant pressure, only a small total pressure loss is caused and the combustion chamber length is reduced. As a result, the efficiency and performance of the combustion chamber are significantly better than in the prior art.
  • a combustion chamber according to the invention is shown schematically in FIG. 1.
  • the ratio of the combustion chamber height at the beginning of reaction zone 3 to the length of reaction zone 3 is approximately one.
  • half the duct opening angle ⁇ can easily be taken into account in the combustion chamber design.
  • the constant pressure combustion at which the flow velocity u is constant, is the most favorable.
  • FIG. 1 A combustion chamber optimized in this sense is shown in FIG. 1.
  • the ignition delay zone 2 is designed as a conventional diffuser.
  • zone 2 the fuel and combustion air are premixed before combustion.
  • zone 3 Downstream of this zone 2 is the reaction zone 3, in which the ignition and main combustion of the fuel / air mixture takes place.
  • the reaction zone 3 the cross-sectional expansion according to the invention to such a mass has taken place that the combustion takes place at constant pressure he follows.
  • the burnout zone 4 which has a constant (largest) cross section and is used primarily for the removal of carbon monoxide.
  • the transition zone 5 to the turbine is designed with a conventional nozzle geometry.
  • FIG. 2 Another embodiment of the invention is shown schematically in FIG. 2 on the longitudinal section of a combustion chamber.
  • the combustion chamber is designed in such a way that a constant Mach number is ensured in the reaction zone 3 by a suitable cross-sectional expansion being superimposed on the heat supply by the chemical reaction in this combustion process.
  • Half the channel opening angle ⁇ is smaller here than in the first embodiment.
  • the inflow zone 1, the ignition delay zone 2 and the burnout zone 4 can of course be structurally similar to those in embodiment 1 or also have other geometric shapes, as shown in a variant in FIG. 2.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenvormischbrennkammer gemäss Oberbegriff des Patentanspruches.
    • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, dass in Brennkammern auf Grund der Energiezufuhr und der damit in Strömungsrichtung ansteigenden Temperatur eine Beschleunigung des Heissgases auftritt. Daraus resultiert auch reibungsfrei ein Totaldruckverlust, dessen Höhe vom Verhältnis der Aus- zur Eintrittstemperatur abhängig ist. Dieser prozesswirksame Totaldruckverlust schlägt sich in einer Reduzierung von Wirkungsgrad und Leistung der Anlage nieder.
  • In einer Brennkammer sind gasdynamisch verschiedene Arten der Wärmezufuhr (Verbrennung) möglich. Praktische Bedeutung hat dabei hauptsächlich der Sonderfall der Verbrennung bei konstantem Querschnitt.
  • Wird die Verbrennung bei konstantem Querschnitt realisiert, so ist der Totaldruckverlust relativ gross. Demzufolge sind der Wirkungsgrad und die Leistung der Brennkammer gering und die zusätzliche Beschleunigung des Heissgases führt bei gegebener Zeitkonstante für die chemische Umsetzung zu einer relativ langen Brennkammer.
  • Aus US-A-2 565 308 ist eine Brennkammer bekannt, bei der zur Bildung eines mittels Zündeinrichtungen zündbaren Brennstoff/Luft-Gemisches stromaufwärts der Zündeinrichtungen ein Diffusor angeordnet ist. Dieser Diffusor weist einen Öffnungswinkel von 30° auf, der mit der damit verbundenen starken Verzögerung der Strömung zu einer Strömungsablösung führt. Die Strömungsablösung wird benutzt, um eine turbulente Vermischung von Luft und Brennstoff herbeizuführen und die Flammenstabilisierung zu gewährleisten.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenvormischbrennkammer zu schaffen, bei der gleichzeitig Totaldruckverlust und Brennkammerlänge gering sind.
  • Erfindungsgemäss wird dies bei einer Gasturbinenvormischbrennkammer, welche aus Zuströmungszone für Verbrennungsluft mit Eindüsung von Brennstoff, Zündverzugszone zur Mischung des Brennstoff und der Verbrennungsluft, Reaktionszone zur Zündung und Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches, Ausbrandzone zur vollständigen Verbrennung und zum Herausbringen von Kohlenmonoxid und aus Übergangszone zur Turbine besteht, dadurch erreicht, dass die Reaktionszone einen sich derart erweiternden Querschnitt aufweist, dass die Verbrennung gasdynamisch bei konstantem Druck oder bei konstanter Mach-Zahl durchführbar ist.
  • Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass infolge der Verbrennung bei konstanter Mach-Zahl oder bei konstantem Druck nur ein geringer Totaldruckverlust verursacht wird und die Brennkammerlänge reduziert wird. Dadurch sind der Wirkungsgrad und die Leistung der Brennkammer im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich besser.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Gasturbinenvormischbrennkammer dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt der Brennkammer für p=const;
    Fig. 2
    einen Längsschnitt der Brennkammer für Ma=const.
  • Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist beispielsweise der Brenner. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • In Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemässe Brennkammer dargestellt. Das Verhältnis von Brennkammerhöhe am Beginn der Reaktionszone 3 zur Länge der Reaktionszone 3 beträgt ungefähr Eins.
  • Damit ergeben sich folgende, in der Tabelle dargestellte Werte für verschiedene Fälle, wobei po der Totaldruck ist. Die Querschnittsfläche ist mit A bezeichnet, die Strömungsgeschwindigkeit mit u und der halbe Kanalöffnungswinkel mit Θ. Der Index 1 bezieht sich jeweils auf die Werte am Eintritt in die Reaktionszone 3, während der Index 2 sich jeweils auf die Werte am Austritt aus der Reaktionszone 3 bezieht.
    Figure imgb0001
  • Der halbe Kanalöffnungswinkel Θ kann bei diesem Beispiel problemlos in der Brennkammerkonstruktion berücksichtigt werden.
  • Wie der Tabelle zu entnehmen ist, ist die Gleichdruckverbrennung, bei der auch die Strömungsgeschwindigkeit u konstant ist, am günstigsten. Die Gleichdruckverbrennung hat den Vorteil, dass bei ihr der Totaldruckverlust, die Brennkammerlänge und der Differenzdruck über die Brennkammerwand auf ein Minimum reduziert werden. Sollte z. B. aus geometrischen Gründen (Kanalöffnungswinkel in der Reaktionszone 3 ist relativ gross) konstruktiv keine Gleichdruckverbrennung realisiert werden können, so kann zur Optimierung der Brennkammer die Verbrennung bei konstanter Mach-Zahl zu Grunde gelegt werden, da diese im Vergleich zum Stand der Technik (A=const) den Totaldruckverlust und die Beschleunigung des Heissgases durch die Energiezufuhr ebenfalls noch erheblich reduziert.
  • Eine in diesem Sinne optimierte Brennkammer zeigt Fig. 1. Nach der Zuströmung der Verbrennungsluft mit Eindüsung des brennstoffes (Zuströmungszone 1) ist die Zündverzugszone 2 als üblicher Diffusor gestaltet. In der Zone 2 werden der Brennstoff und die Verbrennungsluft vor der Verbrennung vorgemischt. Stromab dieser Zone 2 befindet sich die Reaktionszone 3, in der die Zündung und hauptsächliche Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches erfolgt. In der Reaktionszone 3 ist die erfindungsgemässe Querschnittserweiterung auf solche Masse erfolgt, dass die Verbrennung bei konstantem Druck erfolgt. Danach schliesst sich die Ausbrandzone 4 an, die einen konstanten (grössten) Querschnitt aufweist und vorwiegend dem Herausbringen von Kohlenmonoxid dient. Die Übergangszone 5 zur Turbine ist mit einer üblichen Düsengeometrie gestaltet.
  • In Fig. 2 ist schematisch am Längsschnitt einer Brennkammer ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Brennkammer ist so ausgelegt, dass in der Reaktionszone 3 eine konstante Mach-Zahl gewährleistet wird, indem bei diesem Verbrennungsprozess der Wärmezufuhr durch die chemische Reaktion eine geeignete Querschnittserweiterung überlagert wird. Der halbe Kanalöffnungswinkel Θ ist hier kleiner als im ersten Ausführungsbeispiel. Die Zuströmungszone 1, die Zündverzugszone 2 und die Ausbrandzone 4 können selbstverständlich kon-struktiv ähnlich gestaltet sein wie im Ausführungsbeispiel 1 oder auch andere geometrische Formen aufweisen, wie in einer Variante in Fig. 2 dargestellt ist.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zuströmungszone
    2
    Zündverzugszone
    3
    Reaktionszone
    4
    Ausbrandzone
    5
    Übergangszone
    p
    Druck
    A
    Querschnitt
    u
    Strömungsgeschwindigkeit
    Θ
    halber Kanalöffnungswinkel
    Ma
    Mach-Zahl

Claims (1)

  1. Gasturbinenvormischbrennkammer, bestehend aus Zuströmungszone (1) für Verbrennungsluft mit Eindüsung von Brennstoff, Zündverzugszone (2) zur Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft, Reaktionszone (3) zur Zündung und Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches, Ausbrandzone (4) zur vollständigen Verbrennung und zum Herausbringen von Kohlenmonoxid und aus Übergangszone (5) zur Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone (3) einen sich in Strömungsrichtung derart erweiternden Querschnitt aufweist, dass die Verbrennung gasdynamisch bei konstantem Druck oder bei konstanter Mach-Zahl durchführbar ist.
EP93118569A 1992-12-17 1993-11-18 Gasturbinenbrennkammer Expired - Lifetime EP0602404B1 (de)

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DE4242650A DE4242650A1 (de) 1992-12-17 1992-12-17 Gasturbinenbrennkammer
DE4242650 1992-12-17

Publications (2)

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EP0602404A1 EP0602404A1 (de) 1994-06-22
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EP0602404A1 (de) 1994-06-22
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