EP0718561B1 - Combustor - Google Patents
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- EP0718561B1 EP0718561B1 EP95810763A EP95810763A EP0718561B1 EP 0718561 B1 EP0718561 B1 EP 0718561B1 EP 95810763 A EP95810763 A EP 95810763A EP 95810763 A EP95810763 A EP 95810763A EP 0718561 B1 EP0718561 B1 EP 0718561B1
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- EP
- European Patent Office
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- combustion chamber
- flow
- fuel
- stage
- combustion
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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
- F23R3/34—Feeding into different combustion zones
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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
- F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
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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
- F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
- F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
- F23C6/045—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure
- F23C6/047—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure with fuel supply in stages
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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
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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
- F23R3/04—Air inlet arrangements
- F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
- F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
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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
- 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
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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 Claim 1. It also concerns a procedure to operate such a combustion chamber.
- EP-A-0 694 740 discloses a two-stage combustion chamber in which in a first stage a fuel / air mixture is burned by means of a catalytic converter. In the hot gases formed in this way, fuel is generated downstream of vortex generators and air was injected and burned in a second combustion chamber stage.
- the invention seeks to remedy this.
- the invention how it is characterized in the claims, the task lies the basis for a combustion chamber and a method of the beginning mentioned type, all occurring during the combustion Minimize pollutant emissions regardless which type of fuel is used.
- the main advantage of the combustion chamber according to the invention is that there are two burner characteristics to one inventive combinations are focused, with the final purpose, especially the NOx emissions towards zero to strive.
- the first part of the combustion chamber based on a premix combustion, only with part of the Combustion air flows through, and supplies the hot gas for the downstream second part of the combustion chamber.
- the second Part of the combustion chamber becomes the total mass flow flows through.
- the goal is the first part of the combustion chamber operate with the lowest possible temperature in "premix mode", the lowest possible basic NOx level of a few to achieve vppm. This is achieved by the temperature the combustion air before the first partial combustion chamber preheated to a temperature on the order of 500-700 ° C becomes.
- This combustion air can be relatively simple the compressor end temperature has been raised to the desired level be, preferably with the fact that they are previously direct used as cooling air for the combustion chamber itself or on integrated Heat exchanger elements is passed.
- the Hot gases are then downstream of the first partial combustion chamber by injecting the rest, in combustion air not used in the first partial combustion chamber brought to that temperature which in the second Combustion chamber part comes to self-ignition, this one second combustion chamber part is equipped with vortex generators.
- Another advantage of the invention is that the second combustion chamber part as a single-stage load combustion chamber driven, in contrast to the first combustion chamber part, the is operated as an idle combustion chamber.
- the second part of the combustion chamber works up to gas temperatures of approx. 1600 ° C due to the extremely good mixture is NOX neutral and delivers Total NOx potential with a very flat temperature / NOx characteristic from 1-2 vppm.
- Another advantage of the invention is that by adjusting the temperature at the entrance to the second Combustion chamber part the ignition delay times for different fuels can be optimally adjusted.
- FIG. 1 shows, as can be seen from the shaft axis 16, a Annular combustion chamber, which is essentially the shape 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 in self-contained combustion chambers consist.
- the combustion chamber can also consist of a single one Pipe exist.
- the annular combustion chamber according to FIG. 1 exists from a first 1 and a second stage 2, which one after the other are switched, and wherein the second stage 2 also actual combustion zone 11 includes.
- the first stage 1 initially consists of a number of in the flow direction circumferentially arranged burners 100, this Brenner is further described below.
- the NOx emissions are very low, in the order of 1-3 vppm.
- the hot gases 4 flow into an inflow zone 5 and there they are accelerated to approx. 80-120 m / s.
- the Inflow zone 5 is on the inside and in the circumferential direction of the channel wall 6 with a series of vortex generating elements 200, hereinafter referred to as vortex generators only, which will be discussed in more detail below.
- the hot gases 4 are in this area by wall cooling effects and by injecting the remaining air 17, preferably by effusion cooling, this injection preferably is also carried out via the vortex generators 200, brought to a temperature of 800-1100 ° C.
- the total air is then swirled by the vortex generators 200 in such a way that in the subsequent premixing section 7 there are no recirculation areas more in the wake of the vortex generators mentioned 200 occur.
- the premix section 7 the can be designed as a venturi channel, several fuel lances 8 scheduled, which is the supply of a fuel 9 and a supporting air 10 take over.
- the feeder this media to the individual fuel lances 8 can, for example made via a ring line, not shown be, the fuel supply also via the vortex generators 200 integrated fuel lances 3 made can be.
- the one triggered by the vortex generators 200 Swirl flow ensures a large distribution of the introduced fuel 9, possibly also the admixed Support air 10 to a fuel / air mixture 19. Des the swirl flow also ensures homogenization of the Mixture of combustion air and fuel.
- the one through the Fuel lance 8 fuel 9 injected into the hot gases 4 triggers a self-ignition, as far as these hot gases 4 those have specific temperature, which is the fuel-dependent Auto ignition can trigger.
- the large-scale distribution of the fuel 9 continues to be guaranteed, because the peripheral component of that of the vortex generators 200 originating swirl flow is not affected. Closes behind the relatively short premixing zone 7 the combustion zone 11. The transition between the a radial cross-sectional jump 12 formed, which is initially the flow cross section of the combustion zone 11 indexed. In the area of the cross-sectional jump 12 is also a flame front 21. To reignite to avoid the flame inside the premix zone 7 the flame front 21 must be kept stable. To this For this purpose, the vortex generators 200 are designed such that in the premix zone 7 is not yet being recirculated; first after the sudden widening of the cross-section the bursting takes place the swirl flow takes place.
- the swirl flow supports the quick reinstallation of the current behind the Cross-sectional jump 12, so that the most complete Utilization of the volume of the combustion zone 11 a high Burnout can be achieved with a short overall length.
- this cross-sectional jump 12 forms during the Operation a flow boundary zone, in which by the negative pressure of the vortex prevailing there, which then stabilize the flame front 21 to lead.
- These corner vortices 20 also form the ignition zones within the second stage 2.
- the provided in the combustion zone 11 hot working gases 13 are then applied a downstream turbine 14.
- the exhaust gases This turbine can then be used to operate a steam cycle are used, in the latter case the circuit is then a combination system.
- the proposed method also behaves very well regarding a wide load range. Because the mix kept largely constant in the first stage 1 UHC or CO emissions can also be prevented become.
- the constant temperature at the entrance to the second Level 2 ensures a safe auto-ignition of the mixture, regardless of the amount of fuel in the second stage 2.
- the inlet temperature is still high enough to get you sufficient burnout in the second stage 2 even at low To reach the amount of fuel.
- the power regulation over the gas turbine load is essentially due to the adaptation the amount of fuel in the second stage 2.
- the first stage 1 is operated as an idle combustion chamber second stage 2 operated as a single-stage load combustion chamber.
- FIG. 2 Cuts according to Figures 3-5 are those shown schematically in FIGS. 3-5.
- Baffles 121a, 121b have only been hinted at. The following is the description of FIG. 2 as needed referred to the remaining figures 3-5.
- the burner 100 of FIG. 2 consists of two hollow conical ones Partial bodies 101, 102 that are nested offset from one another are.
- the offset of the respective central axis or longitudinal symmetry axis 201b, 202b of the tapered partial body 101, 102 creates each other on both sides, in mirror image arrangement, each with a tangential air inlet slot 119, 120 free (Fig. 3-5), through which the Combustion air 115 in the interior of burner 100, i.e. in the cone cavity 114 flows.
- the cone shape of the one shown Partial body 101, 102 has a certain direction of flow fixed angle. Of course, depending on the operational use, can the partial body 101, 102 in the direction of flow have an increasing or decreasing taper, similar a trumpet resp.
- the two tapered Partial bodies 101, 102 each have a cylindrical initial part 101a, 102a, which also, analogous to the tapered partial bodies 101, 102, offset from one another, so that the tangential Air inlet slots 119, 120 over the entire length of burner 100 are present.
- a nozzle 103 is housed, its injection 104 roughly with the narrowest cross section of the through the tapered Part body 101, 102 formed conical cavity 114 coincides.
- the injection capacity and the type of this nozzle 103 depends on the given parameters of the respective Brenner 100.
- the burner 100 can be pure conical, that is, without cylindrical starting parts 101a, 102a his.
- the tapered body 101, 102 have the further each have a fuel line 108, 109 which runs along the tangential entry slots 119, 120 and are provided with injection openings 117 through which preferably a gaseous fuel 113 in there combustion air 115 flowing through is injected, like this want to symbolize the arrows 116.
- These fuel lines 108, 109 are preferably at the latest at the end of the tangential Inflow, before entering the cone cavity 114, placed in order to achieve an optimal air / fuel mixture receive.
- the exit opening goes in the area of the inflow zone 5 of the burner 100 into a front wall 110, in which there are a number of bores 110a.
- the latter come into operation when necessary, and ensure that dilution air or cooling air 110b the front part of the inflow zone 5 is supplied.
- the one brought up through the nozzle 103 It is preferably a fuel liquid fuel 112, which at most with a recirculated Exhaust gas can be enriched.
- This fuel 112 is injected into the cone cavity 114 at an acute angle.
- a nozzle is thus formed from the nozzle 103
- Fuel profile 105 that flows in from the tangential rotating combustion air 115 is enclosed. In axial Direction, the concentration of the fuel 112 becomes continuous through the incoming combustion air 115 to a optimal mixture degraded.
- the burner 100 with a operated gaseous fuel 113 this can also over the fuel nozzle 103 happen, but preferably happens this via opening nozzles 117, the formation of this fuel / air mixture right at the end of the air inlet slots 119, 120 comes about.
- the combustion air 115 is additional preheated or enriched with a recirculated exhaust gas, this supports the evaporation of the liquid fuel 112 sustainable.
- the same considerations also apply if via the lines 108, 109 instead of gaseous liquid Fuels are supplied.
- the tapered Partial body 101, 102 When designing the tapered Partial body 101, 102 with respect to the cone angle and Width of the tangential air inlet slots 119, 120 are to adhere to narrow limits, so that the desired Flow field of combustion air 115 at the burner outlet 100 can set.
- the critical swirl number arises at the exit of burner 100: A also forms there Backflow zone (vortex breakdown) with a flame stabilizing Effect. Generally speaking, that is a minimization the cross section of the tangential air inlet slots 119, 120 is predestined, a backflow zone 106 to build.
- the construction of the burner 100 is suitable another excellent, the size of the tangential air inlet slots 119, 120 change, with what no change the overall length of the burner 100 is a relatively large operational one Bandwidth can be captured.
- the partial bodies 101, 102 also in a different plane to one another slidable, thereby even overlapping them can be controlled. It is even possible to use the partial body 101, 102 by counter-rotating motion
- the Baffles 121a, 121b have a flow initiation function these, according to their length, the respective End of the tapered partial body 101, 102 in the direction of flow extend towards the combustion air 115.
- the Channeling the combustion air 115 into the cone cavity 114 can by opening or closing the guide plates 121a, 121b by one in the area of the entry of this channel into the Cone cavity 114 placed pivot point 123 can be optimized, this is particularly necessary if the original gap size the tangential air inlet slots 119, 120 motives mentioned above is to be changed.
- these dynamic arrangements can also be provided statically become an integral part by making required baffles form with the tapered partial bodies 101, 102.
- the burner 100 can also be operated without baffles, or other aids can be provided for this.
- a vortex generator 200, 201, 202 essentially consists of three freely flowing triangular surfaces. These are a roof surface 210 and two side surfaces 211 and 213. In their longitudinal extension, these surfaces run at certain angles in the direction of flow.
- the side walls of the vortex generators 200, 201, 202, 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 216 and is perpendicular to each channel wall 6 with which the side surfaces are flush.
- the two side surfaces 211, 213 including the arrow angle a are symmetrical in shape, size and orientation in FIG. 4, they are arranged on both sides of an axis of symmetry 217 which is aligned in the same direction as the channel axis.
- the roof surface 210 lies against the same channel wall 6 as the side surfaces 211, 213 with a very narrow edge 215 running transverse to the flow channel. Its longitudinal edges 212, 214 are flush with the longitudinal edges of the side surfaces 211 protruding into the flow channel , 213.
- the roof surface 210 extends at an angle of attack e to the channel wall 6, the longitudinal edges 212, 214 of which, together with the connecting edge 216, form a point 218.
- the vortex generator 200, 201, 202 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 200, 201, 202 is the following: When flowing around edges 212 and 214, the Main flow converted into a pair of counter-rotating vortices, as schematically sketched in the figures.
- the Vortex axes lie in the axis of the main flow.
- the vortex strength or the number of twists increases, and the location of the vortex burst shifts upstream into the area of the vortex generator 200, 201, 202 themselves.
- these are both angles ⁇ and ⁇ due to structural conditions and determined by the process itself. Need to be adjusted these vortex generators only in terms of length and height, as this will be explained in more detail below under FIG. 9 will arrive.
- Fig. 7 is a so-called half "vortex generator" the base of a vortex generator shown in FIG. 6.
- Vortex generator 201 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. 8 differs from Fig. 6 in so far as here the sharp connecting edge 216 of the vortex generator 202 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. 9 shows the basic geometry of one in a channel 5 built-in vortex generator 200.
- the influence on the ratio to be chosen of the two heights h / H is the pressure drop, that occurs when the vortex generator 200 flows around. It it goes without saying that with a larger ratio h / H the Pressure loss coefficient increases.
- the vortex generators 200, 201, 202 are mainly used when it comes to two currents with each other to mix.
- the main flow 4 attacked as hot gases in the direction of the arrow, the transverse edge 215, respectively the Connecting edge 216.
- FIG. 1 there are four vortex generators 200 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 10-16 show other possible forms of introduction of fuel in hot gases 4. These options can interact with each other and with a central Fuel injection, such as that shown in FIG. 1 emerges can be combined.
- the fuel is added to channel wall bores 220, which are located downstream of the vortex generators, also injected via wall holes 221, which are immediately next to the side surfaces 211, 213 and in their Longitudinal extension in the same channel wall 6 are located on the the vortex generators are arranged.
- the introduction of the Fuel through the wall holes 221 gives the generated Whirl an extra impulse, which is the lifespan of the vortex generator extended.
- the fuel is fed through a slot 222 or injected via wall holes 223, both precautions immediately in front of the cross-canal extending edge 215 of the roof surface 210 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 223 or the slot 222 is selected such 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 224, which is located directly within the roof area 210 behind and along the one running across the channel Edge 215.
- the vortex generator is cooled here more external than internal.
- the emerging secondary flow forms a flow against the roof surface 210 against the hot main flow 4 shielding protective layer.
- the fuel is injected via wall bores 225, which within the roof surface 210 along the line of symmetry 217 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 fuel is injected via wall bores 226, which are located in the longitudinal edges 212, 214 of the Roof area 210 are located.
- This solution ensures a good one Cooling of the vortex generators because of the fuel on it Extremities emerge and thus the inner walls of the element fully washed.
- the secondary flow is here directly put the resulting vortex into what to define Flow conditions leads.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäss Anspruch 1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkammer.The present invention relates to a combustion chamber according to Claim 1. It also concerns a procedure to operate such a combustion chamber.
Bei Brennkammern mit einem breiten Lastbereich stellt sich immer wieder das Problem, wie die Verbrennung bei einem hohen Wirkungsgrad schadstoffarm betrieben werden kann. Dabei stehen zwar mehrheitlich die NOx-Emissionen im Vordergrund, indessen hat es sich gezeigt, dass auch die UHC- (= ungesättigte Kohlen-Wasser-Stoffe) und die CO-Emissionen in Zukunft kräftig zu minimieren sein werden. Insbesondere wenn es darum geht, flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe zum Einsatz zu bringen, zeigt es sich sehr rasch, dass die Auslegung für die eine Brennstoffart, beispielsweise für Oel, und gerichtet auf Minimierung einer Schadstoff-Emission, beispielsweise der NOx-Emissionen, auf andere Betreibungsarten und andere Schadstoff-Emissionen nicht befriedigend übertragen werden kann. Bei mehrstufigen Brennkammern strebt man an, die zweite Stufe mager zu fahren. Dies ist indessen nur möglich, wenn am Eintritt dieser zweiten Stufe stets eine konstante Temperatur aufweist, damit ein ausreichender Ausbrand in der zweiten Stufe auch bei geringer Brennstoffmenge erreichbar ist, d.h., die Mischung in der ersten Stufe müsste weitgehend konstant gehalten werden, was beispielsweise mit den bekannten Diffusionsbrennern nicht möglich ist. Soweit ersichtlich zählt eine solche Brennkammer nicht zum Stand der Technik.Combustion chambers with a wide load range turn up always the problem, like burning at a high Efficiency can be operated with low emissions. Stand there the majority of NOx emissions in the foreground, however it has been shown that the UHC- (= unsaturated Coal-water substances) and CO emissions in the future will be minimized vigorously. Especially when it comes to that liquid and / or gaseous fuels are used bring it up very quickly that the interpretation for the a type of fuel, for example for oil, and directed to Minimizing pollutant emissions, such as NOx emissions, other types of debt collection and others Pollutant emissions are not transmitted satisfactorily can. With multi-stage combustion chambers, one strives for the second Step lean to drive. However, this is only possible if on Entry of this second stage always a constant temperature has sufficient burnout in the second Level can also be reached with a small amount of fuel, i.e. the mix in the first stage would have to be largely constant are kept, for example, with the known diffusion burners not possible. As far as can be seen such a combustion chamber is not state of the art.
EP-A-0 694 740 offenbart eine zweistufige Brennkammer wobei in einer ersten Stufe ein Brennstoff/Luftgemisch mittels eines katalysators verbrannt wird. In die so gebildeten Heissgase werden stromab von Wirbel-Generatoren Bremstoff und Luft eingedüst und in einer zweiten Brennkammerstufe verbrannt.EP-A-0 694 740 discloses a two-stage combustion chamber in which in a first stage a fuel / air mixture is burned by means of a catalytic converter. In the hot gases formed in this way, fuel is generated downstream of vortex generators and air was injected and burned in a second combustion chamber stage.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer und einem Verfahren der eingangs genannten Art, sämtliche bei der Verbrennung auftretende Schadstoff-Emissionen zu minimieren, unabhängig davon, mit welcher Brennstoffart gefahren wird.The invention seeks to remedy this. The invention how it is characterized in the claims, the task lies the basis for a combustion chamber and a method of the beginning mentioned type, all occurring during the combustion Minimize pollutant emissions regardless which type of fuel is used.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemässen Brennkammer besteht darin, dass hier zwei Brennercharakteristiken zu einer erfinderischen Kombinationen fokussiert werden, dies mit dem finalen Zweck, insbesondere die NOx-Emissionen gegen Null streben zu lassen. Der erste Teil der Brennkammer, basierend auf einer Vormischverbrennung, wird nur mit einem Teil der Verbrennungsluft durchströmt, und liefert das Heissgas für den nachgeschalteten zweiten Teil der Brennkammer. Der zweite Teil der Brennkammer wird indessen mit dem Gesamtmassenstrom durchströmt. Das Ziel ist es, der erste Teil der Brennkammer mit einer möglichst tiefen Temperatur im "Premix-Mode" zu betreiben, um ein möglichst tiefes Grund-NOx-Niveau von wenigen vppm zu erreichen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Temperatur der Verbrennungsluft vor der ersten Teilbrennkammer auf einer Temperatur in der Grössenordnung von 500-700°C vorgewärmt wird. Diese Verbrennungsluft kann relativ einfach von der Verdichter-Endtemperatur auf das gewünschte Niveau angehoben werden, vorzugsweise damit, dass sie vorgängig direkt als Kühlluft für die Brennkammer selbst verwendet oder an integrierten Wärmetauscherelementen vorbeigeführt wird. Die Heissgase werden dann stromab der ersten Teilbrennkammer durch Eindüsung der restlichen, in der ersten Teilbrennkammer nicht zum Einsatz gekommenen Verbrennungsluft auf jene Temperatur gebracht, welche im zweiten Brennkammerteil zu einer Selbstzündung kommt, wobei dieser zweite Brennkammerteil mit Wirbelgeneratoren bestückt ist.The main advantage of the combustion chamber according to the invention is that there are two burner characteristics to one inventive combinations are focused, with the final purpose, especially the NOx emissions towards zero to strive. The first part of the combustion chamber, based on a premix combustion, only with part of the Combustion air flows through, and supplies the hot gas for the downstream second part of the combustion chamber. The second Part of the combustion chamber, however, becomes the total mass flow flows through. The goal is the first part of the combustion chamber operate with the lowest possible temperature in "premix mode", the lowest possible basic NOx level of a few to achieve vppm. This is achieved by the temperature the combustion air before the first partial combustion chamber preheated to a temperature on the order of 500-700 ° C becomes. This combustion air can be relatively simple the compressor end temperature has been raised to the desired level be, preferably with the fact that they are previously direct used as cooling air for the combustion chamber itself or on integrated Heat exchanger elements is passed. The Hot gases are then downstream of the first partial combustion chamber by injecting the rest, in combustion air not used in the first partial combustion chamber brought to that temperature which in the second Combustion chamber part comes to self-ignition, this one second combustion chamber part is equipped with vortex generators.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der zweite Brennkammerteil als einstufige Last-Brennkammer gefahren, dies im Gegensatz zum ersten Brennkammerteil, der als Leerlauf-Brennkammer betrieben wird. Der zweite Brennkammerteil arbeitet bis zu Gastemperaturen von ca. 1600°C aufgrund der extrem guten Mischung NOX-neutral und liefert ein Gesamt-NOx-Potential mit einer sehr flachen Temperatur/NOx-Charakteristik von 1-2 vppm.Another advantage of the invention is that the second combustion chamber part as a single-stage load combustion chamber driven, in contrast to the first combustion chamber part, the is operated as an idle combustion chamber. The second part of the combustion chamber works up to gas temperatures of approx. 1600 ° C due to the extremely good mixture is NOX neutral and delivers Total NOx potential with a very flat temperature / NOx characteristic from 1-2 vppm.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch Anpassung der Temperatur am Eintritt in den zweiten Brennkammerteil die Zündverzugszeiten für verschiedene Brennstoffe optimal angepasst werden kann.Another advantage of the invention is that by adjusting the temperature at the entrance to the second Combustion chamber part the ignition delay times for different fuels can be optimally adjusted.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient developments of the inventive Task solution are in the further dependent claims characterized.
Im folgenden wird 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 will be described with reference to the drawings the invention explained in more detail. All for immediate understanding are not necessary elements of the invention omitted. The same elements are in the different figures provided with the same reference numerals. The flow direction the media is indicated by arrows.
Es zeigt:
- Fig. 1
- eine Brennkammer, als Ringbrennkammer konzipiert, mit zwei Brennkammerteilen,
- Fig. 2
- einen Brenner in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,
- Fig. 3-5
- entsprechende Schnitte durch verschiedene Ebenen des Brenners,
- Fig. 6
- eine perspektivische Darstellung des Wirbel-Generators,
- Fig. 7
- eine Ausführungsvariante des Wirbel-Genenerators,
- Fig. 8
- eine Anordnungsvariante des Wirbel-Generators nach Fig. 7,
- Fig. 9
- einen Wirbel-Generators im Vormischkanal,
- Fig. 10-16
- Varianten der Brennstoffzuführung im Zusammenhang mit Wirbel-Generatoren.
- Fig. 1
- a combustion chamber, designed as an annular combustion chamber, with two combustion chamber parts,
- Fig. 2
- a burner in perspective, cut open accordingly,
- Fig. 3-5
- appropriate cuts through different levels of the burner,
- Fig. 6
- a perspective view of the vortex generator,
- Fig. 7
- a variant of the vortex generator,
- Fig. 8
- 7 shows a variant of the arrangement of the vortex generator according to FIG. 7,
- Fig. 9
- a vortex generator in the premixing channel,
- Fig. 10-16
- Variants of fuel supply in connection with vortex generators.
Fig. 1 zeigt, wie aus der Wellenachse 16 hervorgeht, eine
Ringbrennkammer, welche im wesentlichen die Form eines zusammenhängenden
annularen oder quasi-annularen Zylinders aufweist.
Darüber hinaus kann eine solche Brennkammer auch aus
einer Anzahl von axial, quasi-axial oder schraubenförmig angeordneten
und einzeln in sich abgeschlossenen Brennräumen
bestehen. An sich kann die Brennkammer auch aus einem einzigen
Rohr bestehen. Die Ringbrennkammer gemäss Fig. 1 besteht
aus einer ersten 1 und einer zweiten Stufe 2, welche nacheinander
geschaltet sind, und wobei die zweite Stufe 2 auch die
eigentliche Verbrennungszone 11 einschliesst. Die erste Stufe
1 besteht in Strömungsrichtung zunächst aus einer Anzahl von
in Umfangsrichtung angeordneten Brennern 100, wobei dieser
Brenner weiter unter näher beschrieben wird. Was die folgende
Beschreibung der Brennkammer gemäss Fig. 1 betrifft, wird allein
auf die gezeigte Schnittebene abgestellt. Selbstverständlich
sind alle Komponenten der Brennkammer in entsprechender
Anzahl in Umfangsrichtung angeordnet. Stromauf des
genannten Brenners 100 wirkt ein nicht gezeigter Kompressor
18, in welchem die angesaugte Luft komprimiert wird. Die dann
vom Kompressor gelieferte Luft weist einen Druck von 10-40
bar auf. Ein Anteil von 30-60% der verdichteten Luft strömt
in den Brenner 100, dessen Betreibungsweise unter den Fig. 2-5
näher beschrieben wird. Vorgängig der Einströmung in den
Brenner 100 wird dieser Anteil Luft 115 auf eine Temperatur
von 500-700°C aufgewärmt. Dies geschieht, indem diese Luft
vorgängig direkt als Kühlluft für die Brennkammer verwendet
wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, diese Luft 115
durch nicht gezeigte Wärmetauscher strömen zu lassen.
Durch diese Vorwärmung und reduzierten Anteil im ersten
Brennkammerteil fallen die NOx-Emissionen sehr niedrig aus,
in der Grössenordnung von 1-3 vppm. Am Ende dieses ersten
Brennkammerteils 1 steht somit ein weitgehend NOx-freies
Heissgas 4 zur Verfügung. Nach dem Austritt aus dem ersten
Brennkammerteil 1 strömen die Heissgase 4 in eine Zuströmzone
5 und dort werden sie auf ca. 80-120 m/s beschleunigt. Die
Zuströmzone 5 ist innenseitig und in Umfangsrichtung der Kanalwand
6 mit einer Reihe von wirbelerzeugenden Elementen
200, im folgenden nur noch Wirbel-Generatoren genannt, bestückt,
auf welche weiter unten noch näher eingegangen wird.
Die Heissgase 4 werden in diesem Bereich durch Wandkühleffekte
und durch Eindüsung der restlichen Luft 17, vorzugsweise
durch Effusionskühlung, wobei diese Eindüsung vorzugsweise
auch über die Wirbel-Generatoren 200 vorgenommen wird,
auf eine Temperatur von 800-1100°C gebracht. Die Gesamtluft
wird sodann von den Wirbel-Generatoren 200 derart verdrallt,
dass in der anschliessenden Vormischstrecke 7 keine Rezirkulationsgebiete
mehr im Nachlauf der genannten Wirbel-Generatoren
200 auftreten. Innerhalb dieser Vormischstrecke 7, die
als Venturikanal ausgebildet sein kann, sind mehrere Brennstofflanzen
8 disponiert, welche die Zuführung eines Brennstoffes
9 und einer Stützluft 10 übernehmen. Die Zuführung
dieser Medien zu den einzelnen Brennstofflanzen 8 kann bespielsweise
über eine nicht gezeigte Ringleitung vorgenommen
werden, wobei die Brennstoffzuführung auch über in die Wirbel-Generatoren
200 integrierte Brennstofflanzen 3 vorgenommen
werden kann. Die von den Wirbel-Generatoren 200 ausgelöste
Drallströmung sorgt für eine grossräumige Verteilung des
eingebrachten Brennstoffes 9, allenfalls auch der zugemischten
Stützluft 10 zu eienm Brennstoff/Luft-Gemisch 19. Des
weiteren sorgt die Drallströmung für eine Homogenisierung des
Gemisches aus Verbrennungsluft und Brennstoff. Der durch die
Brennstofflanze 8 in die Heissgase 4 eingedüste Brennstoff 9
löst eine Selbstzündung aus, soweit diese Heissgase 4 jene
spezifische Temperatur aufweisen, welche die brennstoffabhängige
Selbstzündung auszulösen vermag. Wird die Ringbrennkammer
mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben, muss für die
Inizierung einer Selbstzündung eine Temperatur der Heissgase
4 grösser 800°C vorliegen, die hier auch vorhanden ist. 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 (nicht näher gezeigt) 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
200 stammenden Drallströmung nicht beeinträchtigt wird.
Hinter der relativ kurz gehaltenen Vormischzone 7 schliesst
sich die Verbrennungszone 11 an. Der Uebergang zwischen der
beiden Zonen wird durch einen radialen Querschnittssprung 12
gebildet, der zunächst den Durchflussquerschnitt der Verbrennungszone
11 indiziert. Im Bereich des Querschnittssprunges
12 stellt sich auch eine Flammenfront 21 ein. Um eine Rückzündung
der Flamme ins Innere der Vormischzone 7 zu vermeiden
muss die Flammenfront 21 stabil gehalten werden. Zu diesem
Zweck werden die Wirbel-Generatoren 200 so ausgelegt, dass in
der Vormischzone 7 noch keine Rezirkulation stattfindet; erst
nach der plötzlichen Querschnittserweiterung findet das Aufplatzen
der Drallströmung statt. 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 21
führen. Diese Eckwirbel 20 bilden auch die Zündzonen innerhalb
der zweiten Stufe 2. Die in der Verbrennungszone 11 bereitgestellten
heissen Arbeitsgase 13 beaufschlagen anschliessend
eine stromab wirkende Turbine 14. Die Abgase aus
dieser Turbine können anschliessend zum Betrieb eines Dampfkreislaufes
herangezogen werden, wobei im letztgenannten Fall
die Schaltung dann eine Kombianlage ist.1 shows, as can be seen from the
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass aufgrund der hohen
Strömungsgeschwindigkeit ein Einsetzen der Nachverbrennung im
Strömungskanal ausgeschlossen ist. Bei Verbrennung von Oel
kann durch Wasserzugabe eine unmittelbare Zündung verhindert
werden. Zur Stabilisierung der Nachverbrennung dient, wie bereits
erläutert, der Querschnittssprung 12. In den Eckwirbeln
20 erfolgt aufgrund der langen Aufenthaltszeit die Selbstzündung
des Gemisches. Die Flammenfront 21 schreitet zur Mitte
der Verbrennungszone 11 hin fort. Kurz stromab des Vereinigungspunktes
beider Flammenfrontpartien ist auch der CO-Ausbrand
abgeschlossen. Typische Verbrennungstemperaturen sind
1300-1600°C. Das Verfahren, Brennstoff in ein Heissgas einzudüsen,
ist prädestiniert, nur wenig NOx zu produzieren, in
unserem Fall 1-2 vppm.In summary, it can be said that due to the high
Flow rate an onset of afterburning in the
Flow channel is excluded. When burning oil
can prevent immediate ignition by adding water
become. As before, serves to stabilize the afterburning
explains the
Das vorgeschlagene Verfahren besitzt auch ein sehr gutes Verhalten
hinsichtlich eines breiten Lastbereiches. Da die Mischung
in der ersten Stufe 1 immer weitgehend konstant gehalten
wird, können auch die UHC- oder CO-Emissionen verhindert
werden. Die konstante Temperatur am Eintritt in die zweite
Stufe 2 stellt eine sichere Selbstzündung des Gemisches sicher,
unabhängig von der Brennstoffmenge in der zweiten Stufe
2. Die Eintrittstemperatur ist weiterhin hoch genug, um einen
ausreichenden Ausbrand in der zweiten Stufe 2 auch bei geringer
Brennstoffmenge zu erreichen. Die Leistungsregelung über
die Gasturbinenlast erfolgt im wesentlichen durch die Anpassung
der Brennstoffmenge in der zweiten Stufe 2.The proposed method also behaves very well
regarding a wide load range. Because the mix
kept largely constant in the first stage 1
UHC or CO emissions can also be prevented
become. The constant temperature at the entrance to the
Die erste Stufe 1 wird als Leerlauf-Brennkammer gefahren, die
zweite Stufe 2 als einstufige Last-Brennkammer betrieben.The first stage 1 is operated as an idle combustion chamber
Um den Aufbau des Brenners 100 besser zu verstehen, ist es
von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 2 die einzelnen
Schnitte nach den Figuren 3-5 herangezogen werden. Des weiteren,
um Fig. 2 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten,
sind in ihr die nach den Figuren 3-5 schematisch gezeigten
Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden.
Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 2 nach Bedarf
auf die restlichen Figuren 3-5 hingewiesen. To better understand the structure of
Der Brenner 100 nach Fig. 2 besteht aus zwei hohlen kegelförmigen
Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt
sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse
oder Längssymmetrieachse 201b, 202b der kegeligen Teilkörper
101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in
spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz
119, 120 frei (Fig. 3-5), durch welche die
Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Brenners 100, d.h. in
den Kegelhohlraum 114 strömt. Die Kegelform der gezeigten
Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten
festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz,
können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung
eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich
einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten
Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann
ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen
Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil
101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern
101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen
Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge
des Brenners 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen
Anfangsteils ist eine Düse 103 untergebracht, deren Eindüsung
104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen
Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraum 114 zusammenfällt.
Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103
richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen
Brenners 100. Selbstverständlich kann der Brenner 100 rein
kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, ausgebildet
sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des
weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang
der tangentialen Eintrittsschlitze 119, 120 angeordnet
und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche
vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die dort
durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies
die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen
108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen
Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114,
plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu
erhalten. Im Bereich der Zuströmzone 5 geht die Ausgangsöffnung
des Brenners 100 in eine Frontwand 110 über, in welcher
eine Anzahl Bohrungen 110a vorhanden sind. Die letztgenannten
treten bei Bedarf in Funktion, und sorgen dafür, dass Verdünnungsluft
oder Kühlluft 110b dem vorderen Teil der Zuströmzone
5 zugeführt wird. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten
Brennstoff handelt es sich vorzugsweise um einen
flüssigen Brennstoff 112, der allenfalls mit einem rückgeführten
Abgas angereichert sein kann. Dieser Brennstoff 112
wird unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst.
Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges
Brennstoffprofil 105, das von der tangential einströmenden
rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer
Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 112 fortlaufend
durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer
optimalen Gemisch abgebaut. Wird der Brenner 100 mit einem
gasförmigen Brennstoff 113 betrieben, so kann dies auch über
die Brennstoffdüse 103 geschehen, vorzugsweise aber geschieht
dies über Oeffnungsdüsen 117, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches
direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze
119, 120 zustande kommt. Bei der Eindüsung des Brennstoffes
112 über die Brennstoffdüse 103 wird am Ende des Brenners 100
die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt
erreicht. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich
vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert,
so unterstützt dies die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes
112 nachhaltig. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch,
wenn über die Leitungen 108, 109 statt gasförmige flüssige
Brennstoffe zugeführt werden. Bei der Gestaltung der kegeligen
Teilkörper 101, 102 hinsichtlich des Kegelwinkels und der
Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind
an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte
Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 am Ausgang des Brenners
100 einstellen kann. Die kritische Drallzahl stellt sich
am Ausgang des Brenners 100 ein: Dort bildet sich auch eine
Rückströmzone (Vortex Breakdown) mit einer flammenstabilisierenden
Wirkung ein. Allgemein ist zu sagen, dass eine Minimierung
des Querschnittes der tangentialen Lufteintrittsschlitze
119, 120 prädestiniert ist, eine Rückströmzone 106
zu bilden. Die Konstruktion des Brenners 100 eignet sich des
weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze
119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung
der Baulänge des Brenners 100 eine relativ grosse betriebliche
Bandbreite erfasst werden kann. Selbstverständlich sind
die Teilkörper 101, 102 auch in einer anderen Ebene zueinander
verschiebbar, wodurch sogar eine Ueberlappung derselben
angesteuert werden kann. Es ist sogar möglich, die Teilkörper
101, 102 durch eine gegenläufige drehende Bewegung spiralartig
ineinander zu verschachteln.The
Aus Fig. 3-5 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der
Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion,
wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige
Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungsrichtung
gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die
Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum
114 kann durch Oeffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 121a,
121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den
Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden,
insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse
der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 aus
oben genannten Motiven zu verändern ist. Selbstverständlich
können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen
werden, indem bedarfsmässige Leitbleche einen festen Bestandteil
mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls
kann der Brenner 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden,
oder es können andere Hilfsmittel hierfür vogesehen werden. 3-5 now shows the geometric configuration of the
In den Figuren 6, 7 und 8 ist die eigentliche Zuströmzone 5
nicht dargestellt. Dargestellt ist hingegen durch einen Pfeil
die Strömung der Heissgase 4, womit auch die Strömungsrichtung
vorgegeben ist. Gemäss diesen Figuren besteht ein Wirbel-Generator
200, 201, 202 im wesentlichen aus drei frei umströmten
dreieckigen Flächen. Es sind dies eine Dachfläche
210 und zwei Seitenflächen 211 und 213. In ihrer Längserstreckung
verlaufen diese Flächen unter bestimmten Winkeln in
Strömungsrichtung. Die Seitenwände der Wirbel-Generatoren
200, 201, 202, 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 216 ausgeführt und steht
senkrecht zu jeder Kanalwand 6, mit welcher die Seitenflächen
bündig sind. Die beiden den Pfeilwinkel a einschliessenden
Seitenflächen 211, 213 sind in Fig. 4 symmetrisch in Form,
Grösse und Orientierung, sie sind beidseitig einer Symmetrieachse
217 angeordnet, welche gleichgerichtet wie die Kanalachse
ist.
Die Dachfläche 210 liegt mit einer quer zum durchströmten Kanal
verlaufenden und sehr schmal ausgebildeten Kante 215 an
der gleichen Kanalwand 6 an wie die Seitenflächen 211, 213.
Ihre längsgerichteten Kanten 212, 214 sind bündig mit den in
den Strömungskanal hineinragenden, längsgerichteten Kanten
der Seitenflächen 211, 213. Die Dachfläche 210 verläuft unter
einem Anstellwinkel e zur Kanalwand 6, deren Längskanten 212,
214 bilden zusammen mit der Verbindungskante 216 eine Spitze
218. Selbstverständlich kann der Wirbel-Generator 200, 201,
202 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 200, 201, 202 ist die
folgende: Beim Umströmen der Kanten 212 und 214 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 Θ 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
200, 201, 202 selbst. Je nach Anwendung sind diese
beiden Winkel Θ 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. 9 noch detailliert zur Ausführung
gelangen wird.The mode of operation of the
In Fig. 6 bildet die Verbindungskante 216 der beiden Seitenflächen
211, 213 die stromabwärtsseitige Kante des Wirbel-Generators
200. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende
Kante 215 der Dachfläche 210 ist somit die von der Kanalströmung
zuerst beaufschlagte Kante.6 forms the connecting
In Fig. 7 ist ein sogenannter halber "Wirbel-Generator" auf
der Basis eines Wirbel-Generators nach Fig. 6 gezeigt. Beim
hier gezeigten Wirbel-Generator 201 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. 7 is a so-called half "vortex generator"
the base of a vortex generator shown in FIG. 6. At the
Fig. 8 unterscheidet sich gegenüber Fig. 6 insoweit, als hier
die scharfe Verbindungskante 216 des Wirbel-Generators 202
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. 8 differs from Fig. 6 in so far as here
the sharp connecting
Fig. 9 zeigt die grundsätzliche Geometrie eines in einem Kanal
5 eingebauten Wirbel-Generators 200. In der Regel wird
man die Höhe h der Verbindungskante 216 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 200 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 200 auftritt. Es
versteht sich, dass mit grösserem Verhältnis h/H auch der
Druckverlustbeiwert ansteigt.Fig. 9 shows the basic geometry of one in a
Die Wirbel-Generatoren 200, 201, 202 werden hauptsächlich
dort eingesetzt, wo es darum geht, zwei Strömungen miteinander
zu mischen. Die Hauptströmung 4 als Heissgase attackiert
in Pfeilrichtung die quergerichtete Kante 215, respektiv die
Verbindungskante 216. Die Sekundärströmung in Form eines gasförmigen
und/oder flüssigen Brennstoffes, der allenfalls mit
einem Anteil Stützluft angereichert ist (Vgl. Fig. 1), 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
200 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 10-16 zeigen weitere mögliche Formen der Einführung
des Brennstoffes in die Heissgase 4. Diese Varianten
können auf vielfältige Weise miteinander und mit einer zentralen
Brennstoffeindüsung, wie sie beispielsweise aus Fig. 1
hervorgeht, kombiniert werden.Figures 10-16 show other possible forms of introduction
of fuel in
In Fig. 10 wird der Brennstoff, zusätzlich zu Kanalwandbohrungen
220, die sich stromabwärts der Wirbel-Generatoren befinden,
auch über Wandbohrungen 221 eingedüst, die sich unmittelbar
neben der Seitenflächen 211, 213 und in deren
Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 6 befinden, an der
die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Einleitung des
Brennstoffes durch die Wandbohrungen 221 verleiht den erzeugten
Wirbeln einen zusätzlichen Impuls, was die Lebensdauer
des Wirbel-Generators verlängert.In Fig. 10, the fuel is added to channel wall bores
220, which are located downstream of the vortex generators,
also injected via wall holes 221, which are immediately
next to the side surfaces 211, 213 and in their
Longitudinal extension in the
In Fig. 11 und 12 wird der Brennstoff über einen Schlitz 222
oder über Wandbohrungen 223 eingedüst, wobei sich beide Vorkehrungen
unmittelbar vor der quer zum durchströmten Kanal
verlaufenden Kante 215 der Dachfläche 210 und in deren
Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 6 befinden, an der
die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Geometrie der
Wandbohrungen 223 oder des Schlitzes 222 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.11 and 12, the fuel is fed 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. 13 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 224 eingedüst,
welche sich innerhalb der Dachfläche 210 unmittelbar
hinter und entlang der quer zum durchströmten Kanal verlaufenden
Kante 215. Die Kühlung des Wirbel-Generators erfolgt
hier mehr extern als intern. Die austretende Sekundärströmung
bildet beim Umströmen der Dachfläche 210 eine diese gegen die
heisse Hauptströmung 4 abschirmende Schutzschicht.13 the fuel is injected via wall bores 224,
which is located directly within the
In Fig. 14 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 225 eingedüst,
welche innerhalb der Dachfläche 210 entlang der Symmetrielinie
217 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.14 the fuel is injected via wall bores 225,
which within the
In Fig. 15 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 226 eingedüst,
die sich in den längsgerichteten Kanten 212, 214 der
Dachfläche 210 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.15, the fuel is injected via wall bores 226,
which are located in the
In Fig. 16 geschieht die Eindüsung über Wandbohrungen 227,
die sich in den Seitenflächen 211 und 213 befinden, einerseits
im Bereich der Längskanten 212 und 214, andererseits im
Bereich der Verbindungskante 216. Diese Variante ist wirkungsähnlich
wie jene aus Fig. 10 (Bohrungen 221) und aus
Fig. 15 (Bohrungen 226). 16, the injection takes place via wall bores 227,
which are in the side surfaces 211 and 213, on the one hand
in the area of the
- 11
- Erste StufeFirst stage
- 22nd
- Zweite StufeSecond step
- 33rd
- Alternativ-BrennstofflanzeAlternative fuel lance
- 44th
- Heissgase, HauptströmungHot gases, main flow
- 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
- Heisse ArbeitsgaseHot working gases
- 1414
- Turbineturbine
- 1616
- WellenachseShaft axis
- 1717th
- Restluft, von der urspünglichen VerdichterluftResidual air, from the original compressor air
- 1818th
- Kompressorcompressor
- 1919th
- Brennstoff/Luft-GemischAir / fuel mixture
- 2020th
- Eckenwirbel, ZündzonenCorner swirls, ignition zones
- 2121
- FlammenfrontFlame front
- 100100
- Brennerburner
- 101, 102101, 102
- TeilkörperPartial body
- 101a, 102a101a, 102a
- Zylindrische AnfangsteileCylindrical starting parts
- 101b, 102b101b, 102b
- LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes
- 103103
- BrennstoffdüseFuel nozzle
- 104104
- BrennstoffeindüsungFuel injection
- 105105
- BrennstoffeindüsungsprofilFuel injection profile
- 108, 109108, 109
- BrennstoffleitungenFuel lines
- 110110
- FrontwandFront wall
- 110a110a
- LuftbohrungenAir holes
- 110b110b
- KühlluftCooling air
- 112112
- Flüssiger BrennstoffLiquid fuel
- 113113
- Gasförmiger Brennstoff Gaseous fuel
- 114114
- KegelhohlraumCone cavity
- 115115
- VerbrennungsluftCombustion air
- 116116
- Brennstoff-EindüsungFuel injection
- 117117
- BrennstoffdüsenFuel nozzles
- 119, 120119, 120
- Tangentiale LufteintrittsschlitzeTangential air inlet slots
- 121a, 121b121a, 121b
- LeitblecheBaffles
- 123123
- Drehpunkt der LeitblechePivot point of the guide plates
- 200, 201, 202200, 201, 202
- Wirbel-GeneratorenVortex generators
- 210210
- DachflächeRoof area
- 211, 213211, 213
- SeitenflächenSide faces
- 212, 214212, 214
- Längsgerichtete KantenLongitudinal edges
- 215215
- Querverlaufende KanteTransverse edge
- 216216
- VerbindungskanteConnecting edge
- 217217
- SymmetrieachseAxis of symmetry
- 218218
- Spitzetop
- 220-227220-227
- 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
- ΘΘ
- AnstellwinkelAngle of attack
Claims (16)
- Combustion chamber, which essentially comprises a first stage (1) and a second stage (2) arranged downstream in the direction of flow, in which combustion chamber the first stage (1) has on the head side at least one burner (100) in which a first quantity of fuel (112, 113) is mixed with a first partial flow of combustion air (115) and is burned in the first stage (1) in order to form a hot gas (4), and in which combustion chamber a second partial flow of combustion air (17) is injected downstream of the burner (100), vortex generators (200, 201, 202) are arranged in the outflow side of the first stage (1), and a gaseous and/or liquid fuel (9) is injected into the main flow on the outflow side of the vortex generators (200, 201, 202), and in which combustion chamber the second stage (2) downstream of the vortex generators has a jump (12) in cross section which produces backflow bubbles (20) for stabilizing a flame front (21).
- Combustion chamber according to Claim 1, a vortex generator (200) having three surfaces around which flow occurs freely and which extend in the direction of flow and of which one forms the top surface (210) and the other two form the side surfaces (211, 213), the side surfaces (211, 213) being flush with an identical wall segment of the duct (5) and enclosing the arrow angle (α) with one another, the top surface (210) bearing, with an edge (215) running transversely to the duct (5) through which flow occurs, against the same wall segment of the duct (6) [sic] as the side surfaces (211, 213), and longitudinally directed edges (212, 214) of the top surface (210) being flush with the longitudinally directed edges of the side surfaces (211, 213) projecting into the duct (5) and running at a setting angle () to the wall segment of the duct (5).
- Combustion chamber according to Claim 2, the two side surfaces (211, 213), enclosing the arrow angle (α), of the vortex generator (200) being arranged symmetrically around a symmetry axis (217).
- Combustion chamber according to Claim 2, the two side surfaces (211, 213) enclosing the arrow angle (α, α/2) enclosing a connecting edge (116) [sic] with one another which together with the longitudinally directed edges (212, 214) of the top surface (210) form [sic] a point (218), and the connecting edge (216) lying in the radial line of the circular duct (5).
- Combustion chamber according to Claim 4, characterized in that the connecting edge (216) and/or the longitudinally directed edges (212, 214) of the top surface (210) are designed to be at least more or less sharp.
- Combustion chamber according to one of Claims 1-4, the symmetry axis (217) of the vortex generator (200) running parallel to the duct axis, that [sic] the connecting edge (216) of the two side surfaces (211, 213) forms the downstream edge of the vortex generator (200), and the edge (215) of the top surface (210) running transversely to the duct (5) through which flow occurs being the edge acted upon first by the main flow (4).
- Combustion chamber according to Claim 1, the ratio of height (h) of the vortex generator to height (H) of the duct (5) being 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 (200) directly downstream of the vortex generator (200).
- Combustion chamber according to Claim 1, the burner (100) comprising at least two hollow, conical sectional bodies (101, 102) which are nested one inside the other in the direction of flow and whose respective longitudinal symmetry axes (101b, 102b) run offset from one another, the adjacent walls of the sectional bodies (101, 102) forming ducts (119, 120), tangential in their longitudinal extent, for a combustion-air flow (115), and at least one fuel nozzle (103) being arranged in the conical hollow space (114) formed by the sectional bodies (101, 102).
- Combustion chamber according to Claim 8, further fuel nozzles (117) being arranged in the region of the tangential ducts (119, 120) in their longitudinal extent.
- Combustion chamber according to Claim 8, the sectional bodies (101, 102) widening at a fixed angle in the direction of flow or have increasing or decreasing conicity.
- Combustion chamber according to Claim 8, the sectional bodies (101, 102) being nested spiral-like one inside the other.
- Combustion chamber according to Claim 1, which combustion chamber is an annular combustion chamber.
- Combustion chamber according to Claim 1, a section on the outflow side of the vortex generators (200, 201, 202) being designed in a venturi shape, and the fuel (9) being is [sic] injected in the region of the greatest reduction in area of the venturi-shaped section.
- Method of operating a combustion chamber according to Claim 1, a portion of the combustion air (115), which has previously undergone preheating, flowing into the first stage (1), and the remaining portion of the combustion air (17) being fed in downstream of the first stage (1) and upstream of the fuel injection (9).
- Method according to Claim 14, a first portion of combustion air (115) of 30-60% of the entire quantity of combustion air being fed into the first stage (1), this first portion being (115) being previously preheated to 500-700°C, and, by the admixing of the remaining portion of combustion air (17), an air mixture at a temperature of 800-1050°C being prepared for the combustion.
- Use of the combustion chamber according to Claim 1 in a gas turbine assembly, a compressor being arranged upstream of the first stage (1) of the combustion chamber, in the direction of flow of the operating medium of the gas turbine assembly, and a turbine (14) being arranged downstream of the second stage (2) of the combustion chamber.
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