EP0687860B1 - Self igniting combustion chamber - Google Patents
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- EP0687860B1 EP0687860B1 EP95810291A EP95810291A EP0687860B1 EP 0687860 B1 EP0687860 B1 EP 0687860B1 EP 95810291 A EP95810291 A EP 95810291A EP 95810291 A EP95810291 A EP 95810291A EP 0687860 B1 EP0687860 B1 EP 0687860B1
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- flow
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F23M9/00—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields
- F23M9/02—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields in air inlets
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- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
- F05B2240/00—Components
- F05B2240/10—Stators
- F05B2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
- F05B2240/122—Vortex generators, turbulators, or the like, for mixing
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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
- F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
- F23R2900/03341—Sequential combustion chambers or burners
Definitions
- the present invention relates to a combustion chamber according to Preamble of claim 1.
- a supersonic combustion chamber is known from WO 88/08927, in which a main amount of fuel in a premixing zone Supersonic combustion chamber is introduced into a supersonic flow.
- Combustion chamber can be due to the high Flow rate within the combustion chamber Flashback can be avoided; however are the basic thermodynamic data within one Supersonic burners of a very special nature, and can not readily in general applications Gas turbine combustors are transmitted.
- WO 088/08927 does not indicate how one is possible uniform mixing of the fuel in the working gas can be reached beforehand, and thereby one stable combustion in a well-defined downstream Ensure pre-mixing zone located combustion zone.
- the invention seeks to remedy this.
- the invention as it is characterized in the claims, the Task based on a combustion chamber of the beginning to propose measures mentioned, which a Induce flame stabilization and pollutant emissions minimize.
- Swirl generators vortex generators
- a protruding into the channel is suitable for this Fuel lance.
- a major advantage of the invention is that that the swirl flow originating from the vortex generators on the one hand for a large-scale distribution of the introduced fuel ensures, on the other hand this causes Turbulence a homogenization in the mixture formation of Combustion air with fuel.
- premixed fuel / air mixtures tend to general to self-ignition, therefore to one Flashback.
- the fuel is injected behind a narrowing point in the premix channel. This narrowing offers the advantage of being turbulent is reduced by increasing the axial speed, what the danger of a flashback from the Change in the turbulent flame speed minimized.
- Annular combustion chamber 1 shows, as can be seen from the shaft axis 16, a Annular combustion chamber 1, which is essentially in the form of a coherent has annular or quasi-annular cylinder.
- a combustion chamber can also be used a number of axially, quasi-axially or helically arranged and individually exist in self-contained combustion chambers.
- Such ring combustion chambers are excellent as self-igniting combustion chambers to be operated, which in Flow direction between two bearings on a shaft Turbines are placed.
- the upstream Turbine 2 designed only for a partial relaxation of the hot gases 3, with which the exhaust gases 4 are downstream with this turbine 2 a fairly high temperature in the inflow zone 5 of the annular combustion chamber 1 stream.
- This inflow zone 5 is on the inside and in the circumferential direction of the channel wall 6 with a series of vortex-generating elements 100, hereinafter only vortex generators called, populated, on which below is discussed in more detail.
- the exhaust gases 4 are caused by the Vortex generators 100 are twisted in such a way that subsequent pre-mixing section 7 no recirculation areas occur in the wake of the vortex generators 100 mentioned.
- this premixing section designed as a Venturi channel 7 several fuel lances 8 are planned, which is the supply of fuel 9 and supporting air 10 take over. These fuel lances 8 will be described below discussed in more detail.
- the feeding of these media to the individual Fuel lances 8, for example, cannot shown ring line can be made.
- the one from the vortex generators 100 triggered swirl flow ensures a large-scale distribution of the introduced fuel 9, if necessary also the admixed supporting air 10. Furthermore the swirl flow ensures homogenization of the mixture from combustion air and fuel.
- the one through the Fuel lance 8 fuel 9 injected into the exhaust gases 4 triggers a self-ignition, insofar as these exhaust gases 4 have that specific one Have temperature which is the fuel-dependent Auto ignition can trigger.
- the premix zone 7 is designed as a venturi channel is, on the other hand by the injection of the fuel 9 in Area of largest constriction in premix zone 7 is scheduled. Due to the restriction in the premix zone 7 becomes turbulence by increasing the axial speed diminishes what the risk of kickback due to the diminution the turbulent flame speed is minimized.
- the large-scale distribution of the fuel 9 continues to be guaranteed, since the circumferential component of the swirl flow originating from the vortex generators 100 is affected.
- Behind the relatively short premix zone 7 is followed by a combustion zone 11.
- the Transition between the two zones is marked by a radial one Cross-sectional jump 12 formed, the flow cross section first the combustion zone 11 induced.
- the cross-sectional jump 12 also presents a flame front on.
- the vortex generators 100 designed so that there is no recirculation in the premixing zone 7 takes place; only after the sudden cross-sectional expansion the swirl flow is desired to burst.
- the Swirl flow supports the quick reinstallation of the Flow behind the cross-sectional jump 12, so that through the full use of the volume of the combustion zone 11 high burnout achieved with a short overall length can be.
- Forms within this cross-sectional jump 12 there is a flow boundary zone during operation, in which due to the negative pressure prevailing there arise, which then stabilize the Lead flame front.
- the processed in the combustion zone 11 Exhaust gases 4 to hot gases 14 then act another downstream turbine 14.
- the exhaust gases 15 can then used to operate a steam cycle in the latter case, the system then is a combination system.
- a vortex generator 100, 101, 102 essentially consists of three freely flowing triangular surfaces. These are a roof surface 110 and two side surfaces 111 and 113. In their longitudinal extent, these surfaces run at certain angles in the direction of flow.
- the side walls of the vortex generators 100, 101, 102 which preferably consist of right-angled triangles, are fixed with their long sides on the channel wall 6 already mentioned, preferably gas-tight. They are oriented so that they form a joint on their narrow sides, including an arrow angle ⁇ .
- the joint is designed as a sharp connecting edge 116 and is perpendicular to each channel wall 6 with which the side surfaces are flush.
- the two side surfaces 111, 113 including the arrow angle ⁇ are symmetrical in shape, size and orientation in FIG. 4, they are arranged on both sides of an axis of symmetry 117 which is aligned in the same direction as the channel axis.
- the roof surface 110 lies against the same channel wall 6 as the side surfaces 111, 113 with a very narrow edge 115 running transversely to the flow channel. Its longitudinal edges 112, 114 are flush with the longitudinal edges of the side surfaces 111 protruding into the flow channel , 113.
- the roof surface 110 extends at an angle of inclination ⁇ to the channel wall 6, the longitudinal edges 112, 114 of which, together with the connecting edge 116, form a point 118.
- the vortex generator 100, 101, 102 can also be provided with a bottom surface with which it is attached to the channel wall 6 in a suitable manner. Such a floor area is, however, unrelated to the mode of operation of the element.
- the mode of operation of the vortex generator 100, 101, 102 is the following: When flowing around edges 112 and 114, the Main flow converted into a pair of counter-rotating vortices, as schematically sketched in the figures.
- the swirl axes lie in the axis of the main flow.
- the swirl number and the location of the vortex breakdown (vortex breakdown), if the latter is sought, be replaced by appropriate Choice of the angle of attack ⁇ and the arrow angle ⁇ determined.
- the vortex strength or the swirl number becomes increased, and the location of the vortex burst shifts upstream into the area of the vortex generator 100, 101, 102 itself.
- these are two Angle ⁇ and ⁇ through constructional conditions and through predefined the process itself. These have to be adjusted Vortex generators only in terms of length and height, like this below in detail in FIG. 5 for execution will arrive.
- Fig. 3 is a so-called half "vortex generator" the basis of a vertebrae geneartor shown in FIG. 2.
- Vortex generator 101 shown here is only one of the two Provide side surfaces with the arrow angle ⁇ / 2.
- the other Side surface is straight and aligned in the direction of flow.
- a vortex on the swept side is created here, like this is symbolized in the figure. Accordingly, it is downstream this vortex generator does not have a vortex-neutral field, but instead a swirl is imposed on the current.
- Fig. 4 differs from Fig. 2 insofar as here the sharp connecting edge 116 of the vortex generator 102 is the point which is affected first by the channel flow becomes. The element is therefore rotated by 180 °. How it can be seen from the illustration that the two have opposite directions Vortex changed their sense of rotation.
- Fig. 5 shows the basic geometry of one in one Channel 5 built-in vortex generator 100.
- the influence on the ratio to be chosen of the two heights h / H is the pressure drop, that occurs when the vortex generator 100 flows around. It it goes without saying that with a larger ratio h / H the Pressure loss coefficient increases.
- the vortex generators 100, 101, 102 are mainly used when it comes to two currents with each other to mix.
- the main flow 4 in the form of combustion air attacks the transverse edge 115 in the direction of the arrow respectively the connecting edge 116.
- the secondary flow in Form of a gaseous and / or liquid fuel, the possibly enriched with a proportion of supporting air (cf. Fig. 13), has a substantially smaller mass flow than the mainstream. This secondary flow is in the present Fall downstream of the vortex generator into the main flow initiated, as can be seen particularly well from FIG. 1.
- FIG. 1 there are four vortex generators 100 distributed at a distance over the circumference of the channel 5.
- the vortex generators can be in Circumferential direction are also lined up so that none Spaces on the channel wall 6 are left blank.
- Figures 6-12 show other possible forms of introduction of fuel in combustion air 4. These variants can interact with one another in a variety of ways central fuel injection, such as from 1 emerges can be combined.
- the fuel is added to channel wall bores 120, which are located downstream of the vortex generators, also injected via wall holes 121, which are immediate next to the side surfaces 111, 113 and in their longitudinal extent are in the same channel wall 6 on which the Vortex generators are arranged.
- the introduction of fuel through the wall holes 121 gives the generated Whirling an extra impulse, extending the life of the Vortex generator extended.
- the fuel is passed through a slot 122 or injected via wall holes 123, both precautions immediately in front of the cross-canal extending edge 115 of the roof surface 110 and in the Longitudinal extension in the same channel wall 6 are located on the the vortex generators are arranged.
- the geometry of the Wall bores 123 or the slot 122 is selected so that the fuel at a certain injection angle into the Main flow 4 is entered and the re-placed vortex generator as a protective film against the hot main flow 4 largely shielded by flow.
- the secondary flow (See above) first of all via guides not shown through the channel wall 6 into the hollow interior of the vortex generators initiated. In this way, an internal cooling facility for the vortex generators created.
- the fuel is injected via wall bores 124, which is located directly within the roof area 110 behind and along the one running across the channel Edge 115.
- the vortex generator is cooled here more external than internal.
- the emerging secondary flow forms a flow against the roof surface 110 against this hot main flow 4 shielding protective layer.
- the fuel is injected via wall bores 125, which within the roof surface 110 along the line of symmetry 117 are staggered.
- the channel walls 6 are particularly good before the hot main flow 4 protected because the fuel is initially on the outer circumference the vertebra is introduced.
- the injection takes place via wall bores 127, which are in the side surfaces 111 and 113, on the one hand in the area of the longitudinal edges 112 and 114, on the other hand in Area of the connecting edge 116.
- This variant has a similar effect like those from FIG. 6 (bores 121) and from FIG. 11 (holes 126).
- FIG. 13 shows an embodiment of a fuel lance 8 in Flow direction 4 and from the front.
- This lance is for one central fuel injection designed. It is for about 10% of the total volume flow through the channel, where the fuel 9 is injected transversely to the direction of flow. It goes without saying that the fuel can also be injected lengthways be provided in the direction of flow. In this In this case, the injection pulse corresponds approximately to that of the main flow.
- the injected fuel 9 is in connection with a portion of supporting air 10 over several radial openings 17 entrained by the upstream injected vertebrae and with the main flow 4 is mixed.
- the injected fuel 9 follows the helical course of the vertebrae (see Fig. 2-4) and becomes uniform downstream of the vortex in the chamber finely divided.
- Fig. 14 shows a diagram regarding supply of fuel 9 and supporting air 10, and after which the described combustion chamber is approached. This is about starting to create those conditions that are optimal Mixing of the injected fuel with the main flow ensure optimal ignition behavior and optimal combustion in the transient range up to Full load of the combustion chamber.
- the ordinate Y carries the set of injected media to each other, the abscissa X the load the plant. Now you can see that at the start the amount Support air 10 is maximum; it increases with increasing load Combustion chamber successively decreases while fuel 9 is being injected gradually increases. At full load, the fuel 9 always points still a portion Z of supporting air 10.
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a combustion chamber according to Preamble of claim 1.
Bei Brennerkonfigurationen mit einer Vormischstrecke und einer in Abströmungsrichtung zum nachgeschalteten Brennraum freien Mündung stellt sich immer wieder das Problem, wie auf einfachste Art und Weise eine stabile Flammenfront bei extrem niedrigen NOx-, CO- und UHC- (= ungesättigte Kohlen/Wasserstoffe) Emissionen erstellt werden kann. Diesbezüglich sind bereits verschiedene Vorschläge bekanntgeworden, die an sich nicht zu befriedigen vermochten. Eine bis anhin bekanntgewordene Ausnahme bildet die in EP-A1-0 321 809 offenbarte Erfindung, deren Vorschläge betreffend die Flammenstabilisierung, den Wirkungsgrad und die Schadstoff-Emissionen, insbesondere was die NOx-Emissionen betrifft, einen Qualitätssprung darstellen. Es gibt indessen Feuerungsanlagen, bei welchen der obengenannte Erfindungsgegenstand aus verschiedenen Gründen nicht zum Einsatz gelangen kann, womit dort gezwungenermassen nach wie vor mit einer überholten Technik gefahren werden muss, sei es, dass Diffusionsbrenner zum Einsatz gelangen, sei es, dass die Vormischstrecke im Bereich der Flammenfront mit Drallerzeugern oder Flammenhaltern ergänzt wird. Im ersten Fall muss stets mit hohen NOx-Emissionen gerechnet werden, deren Ausstossmenge längst nicht mehr mit den neueren Gesetzgebungen der marktmässig wichtigsten Länder im Einklang steht; im zweiten Fall ist trotz Einbau der vorgeschlagenen Vorkehrungen immer noch ein Flammenrückschlag von der Flammenzone ins Innere der Vormischstrecke möglich, insbesondere entlang der Innenwand, wo naturgemäss eine relativ kleine Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft vorherrscht. Eine typische Feuerungsanlage, bei welcher die genannten Techniken gegen einen Flammenrückschlag versagen müssen, betrifft eine auf Selbstzündung ausgelegte Brennkammer. Hier handelt es sich in der Regel um ein weitgehend zylindrisches Rohr oder um eine Ringbrennkammer, worin ein Arbeitsgas mit einer relativ hohen Temperatur einströmt, dort mit einem eingedüsten Brennstoff zur Bildung eines Gemisches kommt, wobei der Brennstoff eine Selbstzündung auslöst. Die kalorische Aufbereitung des Arbeitsgases zu Heissgas findet allein innerhalb dieses Rohres oder dieser Ringbrennkammer statt. Handelt es sich um eine Nachbrennkammer, welche zwischen einer Hochdruck- und Niederdruck-Turbine wirkt, so ist es schon aus Platzgründen unmöglich, Vormischbrenner einzubauen oder Hilfsmittel gegen einen Flammenrückschlag vorzusehen, weshalb bis anhin auf diese an sich attraktive Verbrennungstechnik verzichtet werden musste. Geht das Postulat dahin, eine Ringbrennkammer als Nachbrennkammer einer auf einer Welle gelagerten Gasturbogruppe vorzusehen, so ergeben sich betreffend der Minimierung der Länge dieser Brennkammer zusätzliche Probleme, welche mit der Flammenstabilisierung im Zusammenhang stehen.For burner configurations with a premix section and one in the outflow direction to the downstream combustion chamber the free mouth always poses the problem as on easiest way a stable flame front at extreme low NOx, CO and UHC (= unsaturated carbons / hydrogens) Emissions can be created. In this regard various proposals have already become known, that in themselves could not satisfy. One up to now The exception that has become known is that in EP-A1-0 321 809 disclosed invention, its proposals regarding flame stabilization, the efficiency and the pollutant emissions, especially with regard to NOx emissions Represent a leap in quality. However, there are combustion plants in which the above-mentioned subject matter of various reasons can not be used, with what there still forced with an outdated one Technology must be driven, be it that diffusion burner be used, be it that the premixing section in the Area of the flame front with swirl generators or Flame holders is added. In the first case, always with high NOx emissions are expected, their emissions no longer with the newer legislation most important countries in market terms; in the second case is despite installation of the proposed Precautions still a flashback from the Flame zone inside the premixing section possible, especially along the inner wall, where naturally a relatively low flow rate of the combustion air prevails. A typical furnace, at who uses the techniques mentioned against you Flashback must fail, affects one on Combustion-designed combustion chamber. Here it is usually around a largely cylindrical tube or around an annular combustion chamber, in which a working gas with a flows in relatively high temperature, there with a injected fuel comes to form a mixture, the fuel triggers a self-ignition. The caloric treatment of the working gas to hot gas takes place alone within this tube or this annular combustion chamber instead of. Is it an afterburner, which acts between a high pressure and low pressure turbine, so it is impossible for reasons of space, premix burner to be installed or aids against a flashback to provide, which is why so far attractive to them Combustion technology had to be dispensed with. Is that possible Postulate there, an annular combustion chamber as an afterburning chamber to provide a gas turbine group mounted on a shaft, this results in minimizing the length of this Combustion chamber additional problems with the Flame stabilization related.
Aus der WO 88/08927 ist eine Überschallbrennkammer bekannt, bei der eine Hauptbrennstoffmenge in einer Vormischzone der Überschallbrennkammer in eine Überschallströmung eingebracht wird. Bei der in WO 88/08927 offenbarten Brennkammer kann aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Brennkammer ein Rückschlagen der Flamme zwar vermieden werden; jedoch sind die thermodynamischen Eckdaten innerhalb einer Überschallbrennammer ganz spezieller Natur, und können nicht ohne weiteres auf allgemeine Anwendungen in Gasturbinenbrennkammern übertragen werden. Weiterhin gibt die WO 088/08927 keinen Hinweis darauf, wie eine möglichst gleichmässige Vermischung des Brennstoffes im Arbeitsgas vorgängig der Verbrennung zu erreichen ist, und dabei eine stabile Verbrennung in einer wohldefinierten stromab der Vormischzone gelegenen Verbrennungszone zu gewährleisten.A supersonic combustion chamber is known from WO 88/08927, in which a main amount of fuel in a premixing zone Supersonic combustion chamber is introduced into a supersonic flow. In the disclosed in WO 88/08927 Combustion chamber can be due to the high Flow rate within the combustion chamber Flashback can be avoided; however are the basic thermodynamic data within one Supersonic burners of a very special nature, and can not readily in general applications Gas turbine combustors are transmitted. Furthermore there WO 088/08927 does not indicate how one is possible uniform mixing of the fuel in the working gas can be reached beforehand, and thereby one stable combustion in a well-defined downstream Ensure pre-mixing zone located combustion zone.
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 Massnahmen vorzuschlagen, welche eine Flammenstabilisierung induzieren und die Schadstoff-Emissionen minimieren.The invention seeks to remedy this. The invention, as it is characterized in the claims, the Task based on a combustion chamber of the beginning to propose measures mentioned, which a Induce flame stabilization and pollutant emissions minimize.
Die Verbrennungsluft für diese Brennkammer wird über Drallerzeuger (= Wirbel-Generatoren) derart verdrallt, dass in der Vormischstrecke keine Rezirkulationsgebiete im Nachlauf der genannten Wirbel-Generatoren auftreten. In diese grossraumige Drallstrukturen wird ein Brennstoff eingebracht. Hierzu eignet sich eine in den Kanal ragende Brennstofflanze.The combustion air for this combustion chamber is about Swirl generators (= vortex generators) are twisted in such a way that no recirculation areas in the premixing section After-run of the vortex generators mentioned occur. In this large swirl structure becomes a fuel brought in. A protruding into the channel is suitable for this Fuel lance.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die von den Wirbel-Generatoren stammende Drallströmung zum einen für eine grossräumige Verteilung des eingebrachten Brennstoffes sorgt, zum anderen bewirkt diese Turbulenz eine Homogenisierung bei der Gemischbildung von Verbrennungsluft mit Brennstoff.A major advantage of the invention is that that the swirl flow originating from the vortex generators on the one hand for a large-scale distribution of the introduced fuel ensures, on the other hand this causes Turbulence a homogenization in the mixture formation of Combustion air with fuel.
Indessen, vorgemischte Brennstoff/Luft-Mischungen neigen im allgemeinen zur Selbstzündung, demnach zu einem Flammenrückschlag. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Eindüsung des Brennstoffes hinter einer sich verengenden Stelle im Vormischkanal. Diese Verengung bietet den Vorteil, dass die Turbulenz durch Anhebung der Axialgeschwindigkeit vermindert wird, was die Gefahr eines Flammenrückschlages durch die Veränderung der turbulenten Flammengeschwindigkeit minimiert.Meanwhile, premixed fuel / air mixtures tend to general to self-ignition, therefore to one Flashback. In an advantageous embodiment of the Invention, the fuel is injected behind a narrowing point in the premix channel. This narrowing offers the advantage of being turbulent is reduced by increasing the axial speed, what the danger of a flashback from the Change in the turbulent flame speed minimized.
Des weiteren wird bei dieser Konfiguration die Aufenthaltszeit zur Verhinderung einer Selbstzündung verringert.Furthermore, with this configuration the Stay time to prevent self-ignition decreased.
Ferner ist die grossräumige Verteilung des Brennstoffes weiterhin gewährleistet, da die Umfangskomponente der Drallströmung nicht beeinträchtigt wird. Furthermore, the large-scale distribution of the fuel continues to be guaranteed because the peripheral component of the Swirl flow is not affected.
Nach der verengenden Stelle im Vormischkanal wird die Axialkomponente durch die dort stattfindende Oeffnung wieder vermindert: der Vorteil daraus ist darin zu sehen, dass die nun stärker werdende Turbulenz für eine homogene Vermischung sorgt.After the narrowing point in the premixing channel, the axial component reduced again by the opening taking place there: The advantage of this is that they are now increasing turbulence for homogeneous mixing worries.
Abströmungsseitig des Vormischkanals findet eine Querschnittserweiterung statt, deren Grösse den eigentlichen Strömungsquerschnitt des Brennraumes oder der Verbrennungszone ergibt. Innerhalb dieser Querschnittserweiterung bilden sich während des Betriebes Randzonen, in welchen durch den dort strömungsbedingt entstehenden Unterdruck Wirbelablösungen, d.h. Wirbelringe, entstehen, welche wiederum zu einer Stabilisierung der Flammenfront führen. Diese Konfiguration ist besonders dort vorteilhaft, wo die Brennkammer auf Selbstzündung ausgelegt ist. Eine solche Brennkammer hat nämlich vorzugsweise im wesentlichen die Form einer annularen oder ringförmigen Brennkammer, sie ist von kurzer axialer Baulänge, und sie wird mit einem Arbeitsgas hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit durchströmt. Die genannten periphären Wirbelablösungen stabilisieren die Flammenfront, dergestalt, dass keine zusätzliche Vorkehrungen mehr gegen eine Rückzündung der Flamme vonnöten sind.On the outflow side of the premixing channel, there is a cross-sectional expansion instead, the size of the actual Flow cross-section of the combustion chamber or the combustion zone results. Form within this cross-sectional extension marginal zones during operation, in which by the there negative pressure vortex detachment, i.e. Vortex rings arise, which in turn become one Stabilize the flame front. This configuration is particularly advantageous where the combustion chamber is open Autoignition is designed. Such a combustion chamber has namely preferably essentially the shape of an annular one or annular combustion chamber, it is short axial Length, and it is made with a working gas of high temperature and flows through at high speed. The said peripheral Vortex detachments stabilize the flame front in such a way that no additional precautions against one Flashback is necessary.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient developments of the inventive Task solutions are dependent in the others Labeled claims.
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. In the following, exemplary embodiments are described with reference to the drawings the invention explained in more detail. All for the immediate Understanding the invention does not require elements are omitted. The same elements are in the different Figures with the same reference numerals. The flow direction the media is indicated by arrows.
Es zeigt:
- Fig. 1
- eine selbstzündende Brennkammer, als Ringbrennkammer konzipiert,
- Fig. 2
- eine perspektivische Darstellung des Wirbel-Generators,
- Fig. 3
- eine Ausführungsvariante des Wirbel-Generators,
- Fig. 4
- eine Anordnungsvariante des Wirbel-Generators nach Fig. 3,
- Fig. 5
- einen Wirbel-Generator im Vormischkanal,
- Fig. 6-12
- Varianten der Brennstoffzuführung im Zusammenhang mit Wirbel-Generatoren,
- Fig. 13
- eine Ausführung einer Lanze zur Eindüsung von Brennstoff und Stützluft, in Anströmungsrichtung und von vorne gesehen und
- Fig. 14
- ein Anfahrdiagramm der Brennkammer bezüglich der Interdependenz zwischen Brennstoff und Stützluft.
- Fig. 1
- a self-igniting combustion chamber, designed as a ring combustion chamber,
- Fig. 2
- a perspective view of the vortex generator,
- Fig. 3
- a variant of the vortex generator,
- Fig. 4
- 3 shows a variant of the arrangement of the vortex generator according to FIG. 3,
- Fig. 5
- a vortex generator in the premix channel,
- Fig. 6-12
- Variants of fuel supply in connection with vortex generators,
- Fig. 13
- an execution of a lance for the injection of fuel and supporting air, seen in the direction of flow and from the front and
- Fig. 14
- a start-up diagram of the combustion chamber with respect to the interdependence between fuel and supporting air.
Fig. 1 zeigt, wie aus der Wellenachse 16 hervorgeht, eine
Ringbrennkammer 1, welche im wesentlich die Form eines zusammenhängenden
annularen oder quasi-annularen Zylinders aufweist.
Darüber hinaus kann eine solche Brennkammer auch aus
einer Anzahl axial, quasi-axial oder schraubenförmig angeordneter
und einzeln in sich abgeschlossener Brennräume bestehen.
Solche Ringbrennkammern eignen sich vorzüglich, als
selbstzündende Brennkammern betrieben zu werden, welche in
Strömungsrichtung zwischen zwei auf einer Welle gelagerten
Turbinen plaziert sind. Wird eine solche Ringbrennkammer 1
auf Selbstzündung betrieben, so ist die stromauf wirkende
Turbine 2 nur auf eine Teilentspannung der Heissgase 3 ausgelegt,
womit die Abgase 4 stromab dieser Turbine 2 noch mit
einer recht hohen Temperatur in die Zuströmzone 5 der Ringbrennkammer
1 strömen. Diese Zuströmzone 5 ist innenseitig
und in Umfangsrichtung der Kanalwand 6 mit einer Reihe von
wirbelerzeugenden Elementen 100, im folgenden nur noch Wirbel-Generatoren
genannt, bestückt, auf welche weiter unten
noch näher eingegangen wird. Die Abgase 4 werden durch die
Wirbel-Generatoren 100 derart verdrallt, dass in der
anschliessenden Vormischstrecke 7 keine Rezirkulationsgebiete
im Nachlauf der genannten Wirbel-Generatoren 100 auftreten.
In Umfangsrichtung dieser als Venturikanal ausgebildete Vormischstrecke
7 sind mehrere Brennstofflanzen 8 disponiert,
welche die Zuführung eines Brennstoffes 9 und einer Stützluft
10 übernehmen. Auf diese Brennstofflanzen 8 wird weiter unten
näher eingegangen. Die Zuführung dieser Medien zu den einzelnen
Brennstofflanzen 8 kann bespielsweise über eine nicht
gezeigte Ringleitung vorgenommen werden. Die von den Wirbel-Generatoren
100 ausgelöste Drallströmung sorgt für eine
grossräumige Verteilung des eingebrachten Brennstoffes 9,
allenfalls auch der zugemischten Stützluft 10. Des weiteren
sorgt die Drallströmung für eine Homogenisierung des Gemisches
aus Verbrennungsluft und Brennstoff. Der durch die
Brennstofflanze 8 in die Abgase 4 eingedüste Brennstoff 9
löst eine Selbstzündung aus, soweit diese Abgase 4 jene spezifische
Temperatur aufweisen, welche die brennstoffabhängige
Selbstzündung auszulösen vermag. Wird die Ringbrennkammer 1
mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben, muss für die
Inizierung einer Selbstzündung eine Temperatur der Abgase 4
grösser 850°C vorliegen. Bei einer solchen Verbrennung
besteht, wie bereits oben gewürdigt, an sich die Gefahr eines
Flammenrückschlages. Dieses Problem wird behoben, indem
einerseits die Vormischzone 7 als Venturikanal ausgebildet
wird, andererseits indem die Eindüsung des Brennstoffes 9 im
Bereich der grössten Einschnürung in der Vormischzone 7
disponiert wird. Durch die Verengung in der Vormischzone 7
wird die Turbulenz durch die Anhebung der Axialgeschwindigkeit
vermindert, was die Rückschlaggefahr durch die Verminderung
der turbulenten Flammengeschwindigkeit minimiert wird.
Andererseits wird die grossräumige Verteilung des Brennstoffes
9 weiterhin gewährleistet, da die Umfangskomponente der
von den Wirbel-Generatoren 100 stammenden Drallströmung nicht
beeinträchtigt wird. Hinter der relativ kurz gehaltenen Vormischzone
7 schliesst sich eine Verbrennungszone 11 an. Der
Uebergang zwischen der beiden Zonen wird durch einen radialen
Querschnittssprung 12 gebildet, der zunächst den Durchflussquerschnitt
der Verbrennungszone 11 induziert. In der Ebene
des Querschnittssprunges 12 stellt sich auch eine Flammenfront
ein. Um eine Rückzündung der Flamme ins Innere der Vormischzone
7 zu vermeiden muss die Flammenfront stabil gehalten
werden. Zu diesem Zweck werden die Wirbel-Generatoren 100
so ausgelegt, dass in der Vormischzone 7 noch keine Rezirkulation
stattfindet; erst nach der plötzlichen Querschnittserweiterung
ist das Aufplatzen der Drallströmung erwünscht. Die
Drallströmung unterstützt das schnelle Wiederanlegen der
Strömung hinter dem Querschnittssprung 12, so dass durch die
möglichst vollständige Ausnutzung des Volumens der Verbrennungszone
11 ein hoher Ausbrand bei kurzer Baulänge erzielt
werden kann. Innerhalb dieses Querschnittssprunges 12 bildet
sich während des Betriebes eine strömungsmässige Randzone, in
welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen
entstehen, welche dann zu einer Stabilisierung der
Flammenfront führen. Die in der Verbrennungszone 11 aufbereiteten
Abgase 4 zu Heissgasen 14 beaufschlagen anschliessend
eine weitere stromab wirkende Turbine 14. Die Abgase 15 können
anschliessend zum Betrieb eines Dampfkreislaufes herangezogen
werden, wobei im letztgenannten Fall die Anlage dann
eine Kombianlage ist.1 shows, as can be seen from the
In den Figuren 2, 3 und 4 ist die eigentliche Zuströmzone 5
nicht dargestellt. Dargestellt ist hingegen durch einen Pfeil
die Strömung der Abgase 4, womit auch die Strömungsrichtung
vorgegeben ist. Gemäss diesen Figuren besteht ein Wirbel-Generator
100, 101, 102 im wesentlichen aus drei frei
umströmten dreieckigen Flächen. Es sind dies eine Dachfläche
110 und zwei Seitenflächen 111 und 113. In ihrer Längserstreckung
verlaufen diese Flächen unter bestimmten Winkeln in
Strömungsrichtung. Die Seitenwände der Wirbel-Generatoren
100, 101, 102, welche vorzugsweise aus rechtwinkligen Dreiecken
bestehen, sind mit ihren Längsseiten auf der bereits
angesprochenen Kanalwand 6 fixiert, vorzugsweise gasdicht.
Sie sind so orientiert, dass sie an ihren Schmalseiten einen
Stoss bilden unter Einschluss eines Pfeilwinkels α. Der Stoss
ist als scharfe Verbindungskante 116 ausgeführt und steht
senkrecht zu jeder Kanalwand 6, mit welcher die Seitenflächen
bündig sind. Die beiden den Pfeilwinkel α einschliessenden
Seitenflächen 111, 113 sind in Fig. 4 symmetrisch in Form,
Grösse und Orientierung, sie sind beidseitig einer Symmetrieachse
117 angeordnet, welche gleichgerichtet wie die
Kanalachse ist.
Die Dachfläche 110 liegt mit einer quer zum durchströmten
Kanal verlaufenden und sehr schmal ausgebildeten Kante 115 an
der gleichen Kanalwand 6 an wie die Seitenflächen 111, 113.
Ihre längsgerichteten Kanten 112, 114 sind bündig mit den in
den Strömungskanal hineinragenden, längsgerichteten Kanten
der Seitenflächen 111, 113. Die Dachfläche 110 verläuft unter
einem Anstellwinkel Θ zur Kanalwand 6, deren Längskanten 112,
114 bilden zusammen mit der Verbindungskante 116 eine Spitze
118. Selbstverständlich kann der Wirbel-Generator 100, 101,
102 auch mit einer Bodenfläche versehen sein, mit welcher er
auf geeignete Weise an der Kanalwand 6 befestigt ist. Eine
derartige Bodenfläche steht indessen in keinem Zusammenhang
mit der Wirkungsweise des Elementes.The
The
Die Wirkungsweise des Wirbel-Generators 100, 101, 102 ist die
folgende: Beim Umströmen der Kanten 112 und 114 wird die
Hauptströmung in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt ,
wie dies in den Figuren schematisch skizziert ist. Die Wirbelachsen
liegen in der Achse der Hauptströmung. Die Drallzahl
und der Ort des Wirbelaufplatzens (Vortex Breakdown),
sofern letzteres angestrebt wird, werden durch entsprechende
Wahl des Anstellwinkels und des Pfeilwinkels α bestimmt.
Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl
erhöht, und der Ort des Wirbelaufplatzens verschiebt
sich stromaufwärts bis hin in den Bereich des Wirbel-Generators
100, 101, 102 selbst. Je nach Anwendung sind diese beiden
Winkel und α durch konstruktive Gegebenheiten und durch
den Prozess selbst vorgegeben. Angepasst werden müssen diese
Wirbel-Generatoren nur noch bezüglich Länge und Höhe, wie
dies weiter unten unter Fig. 5 noch detailliert zur Ausführung
gelangen wird.The mode of operation of the
In Fig. 2 bildet die Verbindungskante 116 der beiden Seitenflächen
111, 113 die stromabwärtsseitige Kante des Wirbel-Generators
100. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende
Kante 115 der Dachfläche 110 ist somit die von der Kanalströmung
zuerst beaufschlagte Kante.2 forms the connecting
In Fig. 3 ist ein sogenannter halber "Wirbel-Generator" auf
der Basis eines Wirbel-Geneartors nach Fig. 2 gezeigt. Beim
hier gezeigten Wirbel-Generator 101 ist nur die eine der beiden
Seitenflächen mit dem Pfeilwinkel α/2 versehen. Die andere
Seitenfläche ist gerade und in Strömungsrichtung ausgerichtet.
Im Gegensatz zum symmetrischen Wirbel-Generator wird
hier nur ein Wirbel an der gepfeilten Seite erzeugt, wie dies
in der Figur versinnbildlicht wird. Demnach liegt stromab
dieses Wirbel-Generators kein wirbelneutrales Feld vor, sondern
der Strömung wird ein Drall aufgezwungen.In Fig. 3 is a so-called half "vortex generator"
the basis of a vertebrae geneartor shown in FIG. 2. At the
Fig. 4 unterscheidet sich gegenüber Fig. 2 insoweit, als hier
die scharfe Verbindungskante 116 des Wirbel-Generators 102
jene Stelle ist, welche von der Kanalströmung zuerst beaufschlagt
wird. Das Element ist demnach um 180° gedreht. Wie
aus der Darstellung ersichtlich ist, haben die beiden gegenläufigen
Wirbel ihren Drehsinn geändert.Fig. 4 differs from Fig. 2 insofar as here
the sharp connecting
Fig. 5 zeigt die grundsätzliche Geometrie eines in einem
Kanal 5 eingebauten Wirbel-Generators 100. In der Regel wird
man die Höhe h der Verbindungskante 116 mit der Kanalhöhe H,
oder der Höhe des Kanalteils, welchem dem Wirbel-Generator
zugeordnet ist, so abstimmen, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar
stromab des Wirbel-Generators 100 bereits eine solche
Grösse erreicht, dergestalt, dass damit die volle Kanalhöhe H
ausgefüllt wird. Dies führt zu einer gleichmässigen Geschwindigkeitsverteilung
in dem beaufschlagten Querschnitt. Ein
weiteres Kriterium, das Einfluss auf das zu wählende Verhältnis
der beiden Höhen h/H nehmen kann, ist der Druckabfall,
der beim Umströmen des Wirbel-Generators 100 auftritt. Es
versteht sich, dass mit grösserem Verhältnis h/H auch der
Druckverlustbeiwert ansteigt.Fig. 5 shows the basic geometry of one in one
Die Wirbel-Generatoren 100, 101, 102 werden hauptsächlich
dort eingesetzt, wo es darum geht, zwei Strömungen miteinander
zu mischen. Die Hauptströmung 4 in Form von Verbrennungsluft
attackiert in Pfeilrichtung die quergerichtete Kante 115
respektiv die Verbindungskante 116. Die Sekundärströmung in
Form eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffes, der
allenfalls mit einem Anteil Stützluft angereichert ist (Vgl.
Fig. 13), weist einen wesentlichen kleineren Massenstrom als
die Hauptströmung auf. Diese Sekündärströmung wird im vorliegenden
Fall stromab des Wirbel-Generators in die Hauptströmung
eingeleitet, wie dies aus Fig. 1 besonders gut hervorgeht.The
Im dargestellten Beispiel gemäss Fig. 1 sind vier Wirbel-Generatoren
100 mit Abstand über den Umfang des Kanals 5 verteilt.
Selbstverständlich können die Wirbel-Generatoren in
Umfangsrichtung auch so aneinander gereiht werden, dass keine
Zwischenräume an der Kanalwand 6 freigelassen werden. Für die
Wahl der Anzahl und der Anordnung der Wirbel-Generatoren ist
letzlich der zu erzeugenden Wirbel entscheidend.In the example shown in FIG. 1 there are four
Die Figuren 6-12 zeigen weitere mögliche Formen der Einführung
des Brennstoffes in die Verbrennungsluft 4. Diese Varianten
können auf vielfältige Weise miteinander und mit einer
zentralen Brennstoffeindüsung, wie sie beispielsweise aus
Fig. 1 hervorgeht, kombiniert werden.Figures 6-12 show other possible forms of introduction
of fuel in
In Fig. 6 wird der Brennstoff, zusätzlich zu Kanalwandbohrungen
120, die sich stromabwärts der Wirbel-Generatoren befinden,
auch über Wandbohrungen 121 eingedüst, die sich unmittelbar
neben der Seitenflächen 111, 113 und in deren Längserstreckung
in der gleichen Kanalwand 6 befinden, an der die
Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Einleitung des Brennstoffes
durch die Wandbohrungen 121 verleiht den erzeugten
Wirbeln einen zusätzlichen Impuls, was die Lebensdauer des
Wirbel-Generators verlängert.In Fig. 6, the fuel is added to channel wall bores
120, which are located downstream of the vortex generators,
also injected via wall holes 121, which are immediate
next to the side surfaces 111, 113 and in their longitudinal extent
are in the
In Fig. 7 und 8 wird der Brennstoff über einen Schlitz 122
oder über Wandbohrungen 123 eingedüst, wobei sich beide Vorkehrungen
unmittelbar vor der quer zum durchströmten Kanal
verlaufenden Kante 115 der Dachfläche 110 und in deren
Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 6 befinden, an der
die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Geometrie der
Wandbohrungen 123 oder des Schlitzes 122 ist so gewählt, dass
der Brennstoff unter einem bestimmten Eindüsungswinkel in die
Hauptströmung 4 eingegeben wird und den nachplazierten Wirbel-Generator
als Schutzfilm gegen die heisse Hauptströmung 4
durch Umströmung weitgehend abschirmt.7 and 8, the fuel is passed through a
In den nachstehend beschriebenen Beispielen wird die Sekundärströmung
(Vgl. oben) zunächst über nicht gezeigte Führungen
durch die Kanalwand 6 ins hohle Innere der Wirbel-Generatoren
eingeleitet. Damit wird, ohne weitere Dispositiven vorzusehen,
eine interne Kühlmöglichkeit für die Wirbel-Generatoren
geschaffen.In the examples described below, the secondary flow
(See above) first of all via guides not shown
through the
In Fig. 9 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 124 eingedüst,
welche sich innerhalb der Dachfläche 110 unmittelbar
hinter und entlang der quer zum durchströmten Kanal verlaufenden
Kante 115. Die Kühlung des Wirbel-Generators erfolgt
hier mehr extern als intern. Die austretende Sekundärströmung
bildet beim Umströmen der Dachfläche 110 eine diese gegen die
heisse Hauptströmung 4 abschirmende Schutzschicht.9, the fuel is injected via wall bores 124,
which is located directly within the
In Fig. 10 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 125 eingedüst,
welche innerhalb der Dachfläche 110 entlang der Symmetrielinie
117 gestaffelt angeordnet sind. Mit dieser Variante
werden die Kanalwände 6 besonders gut vor der heissen Hauptströmung
4 geschützt, da der Brennstoff zunächst am Aussenumfang
der Wirbel eingeführt wird.10 the fuel is injected via wall bores 125,
which within the
In Fig. 11 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 126 eingedüst,
die sich in den längsgerichteten Kanten 112, 114 der
Dachfläche 110 befinden. Diese Lösung gewährleistet eine gute
Kühlung der Wirbel-Generatoren, da der Brennstoff an dessen
Extremitäten austritt und somit die Innenwandungen des Elementes
voll umspült. Die Sekundärströmung wird hier direkt in
den entstehenden Wirbel hineingegeben, was zu definierten
Strömungsverhältnissen führt.11 the fuel is injected via wall bores 126,
which are located in the
In Fig. 12 geschieht die Eindüsung über Wandbohrungen 127,
die sich in den Seitenflächen 111 und 113 befinden, einerseits
im Bereich der Längskanten 112 und 114, andererseits im
Bereich der Verbindungskante 116. Diese Variante ist wirkungsähnlich
wie jene aus Fig. 6 (Bohrungen 121) und aus Fig.
11 (Bohrungen 126).12, the injection takes place via wall bores 127,
which are in the side surfaces 111 and 113, on the one hand
in the area of the
Fig. 13 zeigt eine Ausführung einer Brennstofflanze 8 in
Anströmungsrichtung 4 und von vorne. Diese Lanze ist für eine
zentrale Brennstoffeindüsung ausgelegt. Sie ist für etwa 10%
des Gesamtvolumenstrom durch den Kanal dimensioniert, wobei
der Brennstoff 9 quer zur Strömungsrichtung eingedüst wird.
Selbstverständlich kann auch eine Längseindüsung des Brennstoffes
in Strömungsrichtung vorgesehen werden. In diesem
Fall entspricht der Eindüsungsimpuls etwa jenem der Hauptströmung.
Der eingedüste Brennstoff 9 wird in Verbindung mit
einem Anteil an Stützluft 10 über mehrere radiale Oeffnungen
17 von den stromauf inizierten Wirbeln mitgerissen und mit
der Hauptströmung 4 vermischt. Der eingedüste Brennstoff 9
folgt dem schraubenförmigen Verlauf der Wirbel (Vgl. Fig. 2-4)
und wird stromab der Wirbel in der Kammer gleichmässig
feinverteilt. Dadurch reduziert sich die Gefahr von Aufprallstrahlen
an der gegenüberliegenden Kanalwand sowie die Bildung
von sogenannten "hot spots", wie dies bei einer unverwirbelten
Strömung der Fall ist. Da der hauptsächliche Mischprozess
in den Wirbeln erfolgt, und er weitgehend unempfindlich
gegen den Eindüsungsimpuls der Sekündärströmung ist,
kann die Brennstoffeinspritzung flexibel gehalten werden und
an andere Grenzbedingungen angepasst werden. So kann im ganzen
Lastbereich an sich der gleiche Eindüsungsimpuls beibehalten
werden, wobei hier der Vollständigkeit halber auf die
Ausführungen unter Fig. 14 verwiesen wird. Demnach, da die
Mischungsgüte weitgehend von der Geometrie der Wirbel-Generatoren
bestimmt wird, muss allenfalls bloss im transienten
Bereich auf die Brennstoffeindüsung eingegriffen werden.
Indem der Verbrennungsprozess durch Anpassen der Zündverzugszeit
des Brennstoffes 9 an der Mischzeit der Wirbel optimiert
wird, ist eine allgemeine Minimierung der Schadstoff-Emissionen
gewährleistet. Des weiteren ist hervorzuheben, dies im
Zusammenhang mit der Beschreibung der Wirbel-Generatoren
unter Fig. 2-4, dass die intensive Vermischung ein gutes Temperaturprofil
über den ganzen durchströmten Querschnitt
ergibt, was bewirkt, dass das Auftreten von thermoakustischen
Instabilitäten reduziert wird. Sonach wirken die Wirbel-Generatoren,
für sich allein betrachtet, als Dämpfungsmassnahme
gegen thermoakustische Schwingungen. Die Brennstofflanze 8
weist des weiteren die bereits angetippte Zuführung von
Stützluft 10 auf. Nachfolgend wird auf diese Betreibungsart
näher eingetreten.13 shows an embodiment of a
Fig. 14 zeigt ein Schema betreffend Zuführung von Brennstoff
9 und Stützluft 10, und nach welchem die beschriebene Brennkammer
angefahren wird. Dabei geht es hier darum, beim Anfahren
jene Bedingungen zu erstellen, welche eine optimale
Mischung des eingedüsten Brennstoffes gegenüber der Hauptströmung
gewährleisten, also optimales Zündungsverhalten und
optimale Verbrennung im transienten Bereich bis hin zur
Vollast der Brennkammer. Die Ordinate Y trägt die Menge der
eingedüsten Medien zueinander auf, die Abszisse X die Last
der Anlage. Nun ist ersichtlich, dass beim Start die Menge
Stützluft 10 maximal ist; sie nimmt mit zunehmender Last der
Brennkammer sukzessiv ab, während der eingedüste Brennstoff 9
allmählich zunimmt. Bei Vollast weist der Brennstoff 9 immer
noch einen Anteil Z an Stützluft 10 auf. Der Vorteil dieser
Verfahrensweise ist darin zu sehen, dass die Stützluft 10
sich gut eignet, Flexionen des Brennstoffimpulses, welche
eine Verschlechterung der Vermischung bewirken, abzufangen.
Des weiteren, schlagartige Veränderungen des Brennstoffimpulses
führen zu thermoakustische Instabilitäten innerhalb der
Brennkammer. Dies wird durch eine ständige Zuführung eines
minimalen Anteils Z an Stützluft 10 verhindert. Fig. 14 shows a diagram regarding supply of
- 11
- RingbrennkammerAnnular combustion chamber
- 22nd
- Turbineturbine
- 33rd
- HeissgaseHot gases
- 44th
- AbgaseExhaust gases
- 55
- Zuströmzone, Kanal der ZuströmzoneInflow zone, channel of the inflow zone
- 66
- Kanalwand der ZuströmzoneCanal wall of the inflow zone
- 77
- VormischzonePremixing zone
- 88th
- BrennstofflanzeFuel lance
- 99
- Brennstofffuel
- 1010th
- StützluftSupport air
- 1111
- VerbrennungszoneCombustion zone
- 1212th
- QuerschnittssprungCross-sectional jump
- 1313
- HeissgaseHot gases
- 1414
- Turbineturbine
- 1515
- AbgaseExhaust gases
- 1616
- WellenachseShaft axis
- 1717th
- Oeffnungen für Eindüsung Brennstoff/StützluftOpenings for fuel / supporting air injection
- 100, 101, 102100, 101, 102
- Wirbel-GeneratorenVortex generators
- 110110
- DachflächeRoof area
- 111, 113111, 113
- SeitenflächenSide faces
- 112, 114112, 114
- Längsgerichtete KantenLongitudinal edges
- 115115
- Querverlaufende KanteTransverse edge
- 116116
- VerbindungskanteConnecting edge
- 117117
- SymmetrieachseAxis of symmetry
- 120-127120-127
- Bohrungen zur Eindüsung eines BrennstoffesDrilling holes for fuel injection
- L, h,L, h,
- Abmessungen des Wirbel-GeneratorsDimensions of the vortex generator
- HH
- Höhe des KanalsHeight of the channel
- αα
- PfeilwinkelArrow angle
-
- AnstellwinkelAngle of attack
- YY
- Ordinate Schema Fig. 14Ordinate scheme Fig. 14
- XX
- Abszisse Schema Fig. 14Abscissa diagram Fig. 14
- ZZ.
- Anteil Stützluft bei VollastProportion of supporting air at full load
Claims (10)
- Combustion chamber having self-ignition, which essentially consists of an inflow zone designed as a duct (5) and a combustion zone, the two zones being arranged in succession and having the same direction of flow, and in which combustion chamber a premixing zone (7) is arranged downstream of the inflow zone (5), into which premixing zone a gaseous and/or liquid fuel (9) can be injected as secondary flow into a gaseous main flow (4), characterized in that the inflow zone (5) has vortex generators (100, 101, 102), of which a plurality are arranged next to one another over the periphery of the duct through which flow passes, and in that there is a jump (12) in cross-section between the premixing zone (7) and the combustion zone (11), which jump in cross-section induces the initial cross-section of flow of the combustion zone (11).
- Combustion chamber according to Claim 1, characterized in that the fuel (9) is provided with a portion of assisting air (10).
- Combustion chamber according to either of Claims 1 or 2, characterized in that the premixing zone (7) is a venturi-shaped duct, and characterized in that the fuel (9) can be injected via a fuel nozzle (8) along or transversely to the main flow (4) in the region of the greatest reduction in area of the venturi-shaped duct.
- Combustion chamber according to Claim 1, characterized in that the combustion chamber is an annular combustion chamber (1).
- Combustion chamber according to Claim 1, characterized in that a vortex generator (100) has three surfaces around which flow occurs freely and which extend in the direction of flow and of which one forms the top surface (110) and the other two form the side surfaces (111, 113), in that the side surfaces (111, 113) are flush with an identical wall segment of the duct (5) and enclose the angle () of sweepback with one another, in that the top surface (110), with an edge (115) running transversely to the duct (5) through which the flow passes, bears against the same wall segment of the duct (6) [sic] as the side surfaces (111, 113), and in that longitudinally directed edges (112, 114) of the top surface (110) are flush with the longitudinally directed edges of the side surfaces (111, 113) projecting into the duct (5) and run at an angle () of incidence to the wall segment of the duct (5).
- Combustion chamber according to Claim 5, characterized in that the two side surfaces (11 [sic], 113), enclosing the angle () of sweepback, of the vortex generator (100) are arranged symmetrically around an axis (117) of symmetry.
- Combustion chamber according to Claim 5, characterized in that the two side surfaces (111, 113) enclosing the angle (, /2) of sweepback enclose a connecting edge (116) with one another which together with the longitudinally directed edges (112, 114) of the top surface (110) form a point (118), and in that the connecting edge (116) lies in the radial line of the circular duct (5).
- Combustion chamber according to Claim 7, characterized in that the connecting edge (116) and/or the longitudinally directed edges (112, 114) of the top surface (110) are designed to be at least more or less sharp.
- Combustion chamber according to Claims 5, 6, 7, characterized in that the axis (117) of symmetry of the vortex generator (100) runs parallel to the duct axis, in that the connecting edge (116) of the two side surfaces (111, 113) forms the downstream edge of the vortex generator (100), and in that the edge (115) of the top surface (10) [sic] running transversely to the duct (5) through which flow passes is the edge acted upon first by the main flow (4).
- Combustion chamber according to Claim 1, characterized in that the ratio of height (h) of the vortex generator to height (H) of the duct (5) is selected in such a way that the vortex produced fills the full height (H) of the duct (5) and the full height (h) of the duct part allocated to the vortex generator (100) directly downstream of the vortex generator (100).
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