EP0626542A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nachlaufbeeinflussung bei Brennkammereinbauten - Google Patents

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EP0626542A1
EP0626542A1 EP94103313A EP94103313A EP0626542A1 EP 0626542 A1 EP0626542 A1 EP 0626542A1 EP 94103313 A EP94103313 A EP 94103313A EP 94103313 A EP94103313 A EP 94103313A EP 0626542 A1 EP0626542 A1 EP 0626542A1
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EP
European Patent Office
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internals
combustion chamber
additional air
flow
mass flow
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Withdrawn
Application number
EP94103313A
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English (en)
French (fr)
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 AG Germany
Original Assignee
ABB Management AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F23R3/283—Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
    • 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
    • F23R3/16—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration with devices inside the flame tube or the combustion chamber to influence the air or gas flow
    • F23R3/18—Flame stabilising means, e.g. flame holders for after-burners of jet-propulsion plants
    • F23R3/20—Flame stabilising means, e.g. flame holders for after-burners of jet-propulsion plants incorporating fuel injection means

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for influencing the wake of combustion chamber internals, for example fuel nozzle holders, fuel nozzles, rib structures, supports, corners and steps.
  • Fuel injections as an example of a component integrated in a gas turbine combustion chamber are often implemented constructively via a curved feeder exposed to the combustion chamber flow.
  • the support of the fuel nozzle which is geometrically perpendicular to the main flow, also forms a dead water area with recirculating flow, as does the blunt end of the nozzle itself.
  • an unintentional flame holder effect can occur, i.e. the flame burns directly in this trailing area because fuel flows through the flow recirculation is transported from the injection point to the dead water area.
  • the thermal load on the component can increase, making more complex cooling of the component wall necessary.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. It is based on the task of developing a method and a device which favorably influence the wake in built-in combustion chambers.
  • this is achieved in a method in that in the wake of the part of the internals which is transverse to the main flow into a combustion chamber, an additional air mass flow is blown out in front of the actual combustion zone in such a way that the area of the recirculating flow is minimized.
  • this is achieved in a device for carrying out the method in that a channel for guiding the additional air mass flow is arranged within the internals, said duct being connected to blow-out openings which are arranged in at least one row in the part of the internals which is opposite to the main flow .
  • blow-out openings are arranged over the entire length of the part of the internals which is opposite to the main flow direction.
  • a fuel nozzle holder 8 and a fuel nozzle 9 are arranged on the combustion chamber wall.
  • the cylindrical fuel nozzle holder 8 is transverse to the main flow 1 of the combustion chamber. Like the blunt end of the fuel nozzle 9, it itself forms an area with recirculating flow. These areas are reduced or can also be completely eliminated if, as shown in FIGS. 1 and 2, the fuel nozzle holder 8 and the fuel nozzle 9 in their parts opposite to the main flow 1 have a plurality of blow-out openings 6 and a channel 5 for one have additional air mass flow 3 and this additional air mass flow 3 is blown out in front of the actual combustion zone in such a way that the flow recirculation is minimized.
  • the additional air mass flow 3 is mixed through the channel 5 and the blow-out openings 6 in front of the actual combustion zone, so that it fully participates in the combustion and does not lead to an indirect increase in the pollutant values.
  • the necessary reduction in the flame holder effect can be achieved with good mixing of the additional air mass flow 3 and main mass flow 1 before the fuel injection 10 or the combustion.
  • the additional air mass flow 3 is taken from the heated combustion chamber cooling air 4.
  • the additional air 3 can of course also be taken from other air flows.
  • Another advantage of the invention results from the fact that the additional air mass flow 3 also becomes one at the same time any necessary cooling of the fuel nozzle holder 8 and the fuel nozzle 9 can be used.
  • the solution according to the invention for reducing the wake-up recirculation can in principle be used in all internals 2 in combustion chambers, the wake of which carries the risk of an undesired flame holder. This can e.g. In addition to the fuel nozzle holders and fuel nozzles already mentioned, there are also rib structures, supports, corners and steps.

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Nachlaufbeeinflussung von Brennkammereinbauten ist in den Einbauten (2) ein Kanal (5) zur Führung eines zusätzlichen Luftmassenstromes (3) angeordnet, welcher mit Ausblaseöffnungen (6) verbunden ist, die in dem sich entgegengesetzt zur Hauptströmung (1) befindendem Teil der Einbauten angeordnet sind. Der zusätzliche Luftmassenstrom (3) wird z.B. der Brennkammerkühlluft (4) entnommen, durch den Kanal (5) geführt und vor der eigentlichen Verbrennungszone so durch die Ausblaseöffnungen (6) ausgeblasen, dass im Nachlauf der Einbauten (2) das Gebiet der rezirkulierenden Strömung minimiert wird. <IMAGE>

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachlaufbeeinflussung von Brennkammereinbauten, beispielsweise Brennstoffdüsenhalterungen, Brennstoffdüsen, Rippenstrukturen, Abstützungen, Ecken und Stufen.
    • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, dass in Brennkammern oft verschiedene Einbauten angeordnet sind, deren Nachlauf die Gefahr eines unerwünschten Flammenhalters in sich birgt.
  • So werden Brennstoffeindüsungen als ein Beispiel eines in eine Gasturbinenbrennkammer integrierten Bauteils konstruktiv oft über eine gekrümmte, der Brennkammerströmung ausgesetzte Zuführung verwirklicht. Die geometrisch quer zur Hauptströmung stehende Halterung der Brennstoffdüse bildet ebenso ein Totwassergebiet mit rezirkulierender Strömung aus wie das stumpfe Ende der Düse selbst Dort kann sich unter bestimmten Bedingungen ein unbeabsichtigter Flammenhaltereffekt einstellen, d.h. die Flamme brennt stabil direkt in diesem Nachlaufgebiet, weil Brennstoff durch die Strömungsrezirkulation von der Eindüsungsstelle in das Totwassergebiet transportiert wird.
  • Der Nachteil dieses Standes der Technik besteht darin, dass in einer solchen Flamme durch die relativ langen Aufenhaltszeiten in der Verbrennungszone die Schadstoffbildung meist gegenüber der beabsichtigten (Vormisch-)Verbrennung stromab der Brennstoffeindüsung deutlich erhöht wird. Dieser Effekt ist im Hinblick auf die immer strenger werdenden Anforderungen an die Schadstoffemissionswerte unerwünscht.
  • Ebenso kann die thermische Belastung des Bauteiles steigen und damit eine aufwendigere Kühlung der Bauteilwand notwendig machen.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, welche den Nachlauf bei Brennkammereinbauten günstig beeinflussen.
  • Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren dadurch erreicht, dass im Nachlauf des quer zur Hauptströmung stehenden Teils der Einbauten in eine Brennkammer ein zusätzlicher Luftmassenstrom vor der eigentlichen Verbrennungszone so ausgeblasen wird, dass das Gebiet der rezirkulierenden Strömung minimiert wird. Erfindungsgemäss wird das bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dadurch erreicht, dass innerhalb der Einbauten ein Kanal zur Führung des zusätzlichen Luftmassenstromes angeordnet ist, welcher mit Ausblaseöffnungen verbunden ist, die in dem sich entgegengesetzt zur Hauptströmung befindendem Teil der Einbauten in mindestens einer Reihe angeordnet sind.
  • Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass der unerwünschte Flammenhaltereffekt vermindert wird und trotzdem eine gute Vermischung von Zusatzluft und Hauptmassenstrom vor der Brennstoffzufuhr bzw. Verbrennung erreicht wird, so dass die Schadstoffemissionen verringert werden. Ausserdem wird eine zusätzlich thermische Belastung des Bauteiles verhindert.
  • Es ist besonders zweckmässig, wenn der zusätzliche Luftmassenstrom der aufgeheizten Brennkammerkühlluft entnommen wird.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn der zusätzliche Luftmassenstrom zur eventuellen Kühlung der Einbauten eingesetzt wird.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Ausblaseöffnungen über die gesamte Länge des Teils der Einbauten, der sich entgegengesetzt zur Hauptströmungsrichtung befindet, angeordnet sind.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Brennstoffdüsenhalterung einer Gasturbinenbrennkammer dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1
    die Anordnung der Brennstoffdüsenhalterung in der Brennkammer;
    Fig. 2
    einen Querschnitt durch die Brennstoffdüsenhalterung.
  • Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Richtung der Brennkammerströmung und die Strömungsrichtung der Zusatzluft ist mit Pfeilen bezeichnet.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • In einer Gasturbinenbrennkammer sind an der Brennkammerwand 7 Einbauten 2 in Form einer Brennstoffdüsenhalterung 8 und einer Brennstoffdüse 9 angeordnet. Die zylinderförmige Brennstoffdüsenhalterung 8 steht quer zur Hauptströmung 1 der Brennkammer. Sie bildet wie das stumpfe Ende der Brennstoffdüse 9 selbst ein Gebiet mit rezirkulierender Strömung. Diese Gebiete werden reduziert bzw. können auch völlig beseitigt werden, wenn, wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, die Brennstoffdüsenhalterung 8 und die Brennstoffdüse 9 in ihren sich entgegengesetzt zur Hauptströmung 1 befindenden Teilen mehrere Ausblaseöffnungen 6 sowie einen Kanal 5 für einen zusätzlichen Luftmassenstrom 3 aufweisen und dieser zusätzliche Luftmassenstrom 3 vor der eigentlichen Verbrennungszone so ausgeblasen wird, dass die Strömungsrezirkulation minimiert wird.
  • Der zusätzliche Luftmassenstrom 3 wird dabei durch den Kanal 5 und die Ausblaseöffnungen 6 vor der eigentlichen Verbrennungszone zugemischt, so dass dieser vollständig an der Verbrennung teilnimmt und nicht zu einer indirekten Erhöhung der Schadstoffwerte führt.
  • Je nach Ausblaserate kann damit die notwendige Verminderung des Flammenhaltereffekts bei trotzdem guter Vermischung von zusätzlichem Luftmassenstrom 3 und Hauptmassenstrom 1 vor der Brennstoffeindüsung 10 bzw. der Verbrennung erreicht werden.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der zusätzliche Luftmassenstrom 3 der aufgeheizten Brennkammerkühlluft 4 entnommen. Selbstverständlich kann die Zusatzluft 3 auch anderen Luftströmungen entnommen werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, dass der zusätzliche Luftmassenstrom 3 auch gleichzeitig zu einer eventuell notwendigen Kühlung der Brennstoffdüsenhalterung 8 und der Brennstoffdüse 9 verwendet werden kann.
  • Die erfindungsgemässe Lösung zur Reduzierung der Nachlaufrezirkulation ist grundsätzlich bei allen Einbauten 2 in Brennkammern anwendbar, deren Nachlauf die Gefahr eines unerwünschten Flammenhalters in sich birgt. Das können z.B. neben den bereits erwähnten Brennstoffdüsenhalterungen und Brennstoffdüsen auch Rippenstrukturen, Abstützungen, Ecken und Stufen sein.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Hauptströmung
    2
    Einbauten
    3
    zusätzlicher Luftmassenstrom
    4
    Brennkammerkühlluft
    5
    Kanal
    6
    Ausblaseöffnungen
    7
    Brennkammerwand
    8
    Brennstoffdüsenhalterung
    9
    Brennstoffdüse
    10
    Brennstoffeindüsung

Claims (5)

  1. Verfahren zur Nachlaufbeeinflussung von Brennkammereinbauten, dadurch gekennzeichnet, dass im Nachlauf des quer zur Hauptströmung (1) stehenden Teils der Einbauten (2) in eine Brennkammer ein zusätzlicher Luftmassenstrom (3) vor der eigentlichen Verbrennungszone so ausgeblasen wird, dass das Gebiet der rezirkulierenden Strömung minimiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Luftmassenstrom (3) der aufgeheizten Brennkammerkühlluft (4) entnommen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Luftmassenstrom (3) zur Kühlung der Einbauten (2) eingesetzt wird.
  4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Einbauten (2) ein Kanal (5) zur Führung des zusätzlichen Luftmassenstromes (3) angeordnet ist, welcher mit Ausblaseöffnungen (6) verbunden ist, die in dem sich entgegengesetzt zur Hauptströmung (1) befindenden Teil der Einbauten (2) in mindestens einer Reihe angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausblaseöffnungen (6) über die gesamte Länge des Teils der Einbauten (2), der sich entgegengesetzt zur Hauptströmung (1) befindet, angeordnet sind.
EP94103313A 1993-03-22 1994-03-04 Verfahren und Vorrichtung zur Nachlaufbeeinflussung bei Brennkammereinbauten Withdrawn EP0626542A1 (de)

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DE4309131A DE4309131A1 (de) 1993-03-22 1993-03-22 Verfahren und Vorrichtung zur Nachlaufbeeinflussung bei Brennkammereinbauten
DE4309131 1993-03-22

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