EP4008958A1 - Gas turbine combustion chamber system and method for operating same - Google Patents

Gas turbine combustion chamber system and method for operating same Download PDF

Info

Publication number
EP4008958A1
EP4008958A1 EP21204913.4A EP21204913A EP4008958A1 EP 4008958 A1 EP4008958 A1 EP 4008958A1 EP 21204913 A EP21204913 A EP 21204913A EP 4008958 A1 EP4008958 A1 EP 4008958A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
mixed air
flame tube
chamber system
air openings
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21204913.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jan Zanger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4008958A1 publication Critical patent/EP4008958A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • F23R3/26—Controlling the air flow
    • 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
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00001—Arrangements using bellows, e.g. to adjust volumes or reduce thermal stresses

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine combustion chamber system, in particular a micro gas turbine combustion chamber system, with a combustion chamber which has a flame tube which extends longitudinally and surrounds a flame zone, which is provided with a burner on its input side and is coupled or can be coupled to a turbine arrangement on its output side remote from this and is provided with mixed air openings in an outlet section, with a pressure housing surrounding the combustion chamber, between the inside of which and the outside of the flame tube for supplying an air mass flow is formed an inflow channel leading from its outlet side to the inlet side, via which a proportion of mixed air via the mixed air openings into the interior of the Flame tube and a burner air portion is led to the burner for combustion with inflowing fuel, and with a control device via which the burner air portion supplied to the burner can be regulated by the mixed air portion l is varied depending on the load point of the turbine arrangement by adjusting the clear flow width of the mixed air openings.
  • the invention also relates to a method for operating a gas turbine combustion chamber system, in particular a micro gas turbine combustion chamber system, according to one of the preceding claims, in which an air mass flow is supplied via an inflow channel between the inside of a surrounding pressure housing and the outside of a flame tube from its outlet side and by means of mixed air openings arranged in an outlet section of the flame tube into a mixed air portion , which is directed into the interior of the flame tube behind a flame zone, and a proportion of burner air is divided, which is fed to a burner arranged on the inlet side of the flame tube for combustion with fuel, the fuel/air ratio being varied by varying the clear flow width of the mixed air openings by means of a Control device is regulated.
  • the GB 1 601 218 A shows a gas turbine combustion chamber system with mixed air openings on a flame tube, which are arranged in an inflow duct and whose flow width can be controlled mechanically by means of a valve via a pressure difference between the inflow duct and outside air.
  • the pressure in the supply channel acts via an opening on a piston arranged in a cylinder chamber and the external pressure via an opening in a valve arrangement.
  • a primary air intake is controlled by another valve.
  • This combustion chamber system thus contains a number of coordinated, interacting valves with a relatively large number of individual system components, which necessitate the associated expense in terms of construction and maintenance and can cause malfunctions.
  • the print DE 19 45 921 A shows a gas turbine combustion chamber system in which mixed air openings on a flame tube in an inflow duct for the air are controlled in terms of their flow width as a function of a pressure difference between the pressure in the inflow duct and the external environment.
  • a jacket-shaped panel can be displaced by an actuator by means of a spring-loaded piston.
  • a gas turbine combustor system and a method of operating a gas turbine combustor system are also in US Pat DE 41 20 831 A1 specified.
  • this known gas turbine combustor system and method for its operation in different operating conditions such.
  • B. load point of a turbine at partial load to full load hot gases are generated from the combustion of a compressed air flow.
  • means are activated which respond to a pressure difference between the combustion chamber itself and the compressed air.
  • the funds consist z. B.
  • the resilient element of the means in spring components with a check valve and cause a bypass flow of part of the compressed air into a mixing zone on the outlet side of the flame zone or combustion zone, for which purpose the resilient element of the means, depending on the pressure difference, covers a distance which opens the relevant valve for a bypass flow of part of the compressed air into the mixing zone.
  • the means of the control device which are made up of several individual parts and are individually assigned to the mixed air openings, for controlling the proportion of mixed air through the mixed air nozzles and thus also the proportion of the burner air supplied to the burner, results in a relatively high design effort, especially in micro gas turbine combustion chamber systems, which also means that the fuel can be adjusted as reliably as possible -/air ratio in the burner or the combustion air ratio (air ratio A) is difficult for consistently low-emission and efficient combustion.
  • This structure also involves a relatively high commissioning effort and maintenance effort and also an increased risk of failure.
  • a gas turbine combustor system and method of operating same is also disclosed in US Pat DE 43 04 201 A1 specified.
  • a flame tube is spaced apart, forming an annular air duct, concentrically surrounded by an outer jacket and in turn encloses a combustion chamber.
  • Compressed air is supplied via the air duct to a burner that protrudes through the outer shell and the flame tube into the combustion chamber, and mixed air nozzles are arranged on the circumference of the flame tube, which connect the air duct with the combustion chamber in order to introduce secondary air (mixed air) through the mixed air nozzles into the hot gas stream in the flame tube.
  • the mixed air nozzles can be individually regulated to vary the proportion of mixed air, since a tried and tested solution with an adjusting ring common to all mixed air openings was considered disadvantageous there.
  • the disadvantages mentioned above also arise with the individual control components of the individual mixed air nozzles.
  • the AT 6 537 E shows a displacement of an inner liner in a combustor system according to the balance of the pneumatic force of a fuel pressure on the left side of a floor and a force acting on the right side of the floor, turbine side, by a pressure built up there.
  • a bellows-like structure is also shown.
  • FIG GB 1257610A Various other proposed solutions for controlling the burner air supplied to a burner in a gas turbine combustion chamber system are shown in FIG GB 1257610A , the EP 2778531 A1 , the FR2133832A1 , the GB 2277582A , the US 3952501A and the DE 19545311 B4 , where various actuators, mostly addressed by active control, are arranged in the inflow channel of the air mass flow and adjustment paths, forces, temperatures or pressures are manipulated. With such actively controlled devices, it is true that the system can be directly adapted to the specific circumstances of each individual gas turbine.
  • a disadvantage is, however, that this is associated with an increased commissioning effort and the various components and actuators result in a relatively high maintenance effort and an increased risk of failure, which creates disadvantages in the goal of low-emission, reliable combustion, especially in connection with micro gas turbine combustion chamber systems can be achieved over the entire load range.
  • the air mass flow through the turbo components varies greatly with the load point of the connected turbine arrangement over its load range or the required electrical power.
  • the respective ratio between air mass flow and fuel mass flow over the load range is not constant, but is shifted in the direction of larger air mass flows at part load.
  • combustion chambers with fixed predetermined geometries are used in micro gas turbines. Therefore, over the entire load range, there is an approximately constant distribution between the air that is routed through the burner and the mixed air that is mixed in after the combustion zone in the flame tube.
  • the invention is based on the object of developing a gas turbine combustion chamber system, in particular a micro gas turbine combustion chamber system, in such a way that low-emission, reliable combustion is achieved over the entire load range of an associated turbine arrangement, and a corresponding one procedures to provide.
  • control device has an adjusting device that responds to a pressure difference ( ⁇ p) between the inflow channel of the air and the environment of the combustion chamber system (usually atmospheric pressure), by means of which the clear flow width (Flow cross-section) of the mixed air openings depending on the load point, in particular continuously, can be reduced with an increasing load point and increased with a decreasing load point.
  • ⁇ p a pressure difference between the inflow channel of the air and the environment of the combustion chamber system
  • the clear flow width of the mixed air openings is regulated as a function of the pressure difference ( ⁇ p) between the inflow duct and the external environment of the combustion chamber system by the clear flow width with an increase in the Load point of a coupled turbine assembly is reduced and increased with a reduction in load point.
  • the pressure difference of the air in the inflow duct or an inflow pipe arranged there and the area around the combustion chamber system around the pressure housing is advantageously used to control the burner air flow and thus the fuel/air ratio present during combustion, whereby the air ratio at different load points exceeds the load range of a coupled turbine can be maintained in order to achieve optimum exhaust gas values.
  • An optimized control is also favored by the fact that there are moderate temperatures at the installation point in the area of the actuating device and the detection of the pressure difference.
  • the pressure drop between the air of the feed channel and of the environment correlates very well over the load range of the gas turbine with the mass flow behavior required for combustion.
  • the actuating device is constructed mechanically, and in particular passively working, with the pressure difference being used directly or indirectly as a drive source, the construction can be implemented with little effort with few components with high reliability and inexpensively. With direct use of the pressure difference as a drive source, only one pressure-utilizing unit is required, with the mechanism being separated from extremely hot components of the flame tube, which contributes to high reliability.
  • the passively constructed control device in particular for the passively controlled portion of the mixed air flow, industrially available components can advantageously be used and there is a low risk of failure as a result of low complexity and low maintenance costs.
  • the flow channel can also be streamlined and designed as unobstructed as possible in order to keep the pressure loss over the flow path of the air mass flow with the burner air proportion small, which has a positive effect on the efficiency of the micro gas turbine combustion chamber in particular.
  • the pressure difference can be supplied indirectly via the converter unit to control another mechanical or other physical energy source to the at least one actuator to change the clear throughflow width of the mixed air openings via the closing unit, with the pressure difference between the inflow channel and the environment being used. If the pressure difference is used as a direct drive source for the actuator, a particularly simple structure results.
  • the adjusting device has a bellows, in particular made of metal, as at least one adjusting element, which is firmly connected to the pressure housing with its one end area and with its other end area spaced apart in the longitudinal direction is connected at a connecting section via at least one intermediate member to the closing unit comprising at least one closing element and that the interior of the bellows is connected to the air inflow channel via at least one pressure equalization channel.
  • a bellows, in particular made of metal is commercially available in various designs, with its deflection for adjusting the closing unit being caused on the one hand by the pressure change depending on the load point and on the other hand, counteracting the pressure, by the elastic restoring force inherent in it.
  • the required effective force parameters can be well, z. B. by simulation and / or real tests, to the respective combustion chamber system, with further parameters to be taken into account, such as adjustment, size and shape of the mixed air openings can be determined in a suitable manner.
  • a further advantageous embodiment for a simple structure and reliable function is that the closing unit is designed as a screen which can be moved in a translatory manner by means of the actuator in the longitudinal direction of the flame tube, more or less closing the mixed air openings for varying the clear flow width or the flow cross section / or is rotationally adjustable in the circumferential direction.
  • the mixed air openings can be easily varied by a simple adjustment mechanism depending on the pressure difference.
  • the material of the closing unit and their physical and mechanical properties can be used to achieve good functionality, e.g. B. in terms of good sliding properties at different temperatures of the flame tube.
  • connecting section, the intermediate member and the closing unit are rigidly connected to one another also contributes to an advantageous construction.
  • the pressure housing has a front wall section on its front side adjacent to the inlet side of the flame tube, on the outside of which, facing the area surrounding the combustion chamber system, several actuators are attached, and that several along the outside of the Flame tube, in particular through the inflow duct, intermediate members are designed as retaining struts or retaining rods, which are connected to the closing unit at their rear end region facing the outlet section of the flame tube and are connected to the actuators assigned to them via the connecting section at their front end region spaced from it.
  • the front wall portion of the pressure housing is z. B. formed by a burner flange of the built-in burner.
  • the closing unit designed as a screen is designed as a ring screen, which runs around the flame tube in the area of the mixed air openings and extends axially over the flame tube with a constant inner cross-section adapted to the outer cross-section of the flame tube so that the clear
  • the flow width of the mixed air openings can be varied at least to a large extent via the maximum change in the pressure difference ( ⁇ p) from completely open to partially (or not completely) closed for functional reasons, with the flame tube having a constant external cross section at least in the area of the mixed air openings and the displacement path of the ring diaphragm over an axial extension section owns.
  • the outer surface of the flame tube has a circular cylinder shape at least over the axial extension section in the area of the mixed air openings and the displacement path and the inner cross section of the ring diaphragm over its axial extension, which means that a simple structure and good adjustability are achieved.
  • the flame tube has several, preferably equidistant, spaced mixed air openings in the circumferential direction, for example arranged in the same plane or in several planes perpendicular to the axis of the flame tube, and that the annular baffle has several baffle openings located in the same or in several planes perpendicular to the axis of the flame tube, which spaced in the circumferential direction according to the mixed air openings and for the complete or at least extensive opening of the mixed air openings with these at a minimum pressure difference ( ⁇ p) can be brought largely or completely into alignment and for the complete or at least extensive closing of the mixed air openings at a maximum pressure difference ( ⁇ p) can be brought as far as possible or completely out of alignment are, more good tuning options are achieved in terms of precise control of the air mass flow and low-emission combustion, with z.
  • ⁇ p minimum pressure difference
  • ⁇ p maximum pressure difference
  • the geometric shape of the mixed air openings and the baffle openings can be selected depending on the requirements for combustion at different load points of the turbine, such as size, shape and the resulting change in the clear flow width for the mixed air portion at the pressure differences that are present depending on the load point.
  • a further advantageous embodiment for a stable construction and a reliable function is that the support rods in their the burner to the front projecting section are guided through introduced into the front wall section of the pressure housing bores in the interior of their associated bellows and attached to these via the respective connection section.
  • the bores can advantageously also serve as connection openings for a pressure equalization connection. Additional pressure compensation bores between the inside of the bellows and the combustion chamber are also conceivable.
  • a stable structure which also promotes reliable function, is that the support rods are connected to a common, circumferential stabilizing ring, which forms a stop against the inside of the front wall section of the pressure housing when the diaphragm is adjusted in the direction of the minimum flow width or when the mixed air openings are closed .
  • the adjustment of the screen is also favored by the fact that the holding rods are guided by further guide elements along the flame tube in the direction of displacement.
  • control device works passively, with a control mechanism responding to the pressure difference ( ⁇ p) in such a way that the pressure difference ( ⁇ p) drives an actuator and from this an orifice is moved, through which the clear flow width of the mixed air openings is varied depending on the load point over the load range in order to obtain optimum exhaust gas values.
  • FIG. 1 shows a combustion chamber system 1 (partially) in longitudinal section with an outer pressure housing 2, which is provided on the outside, towards the surroundings, on its front side with a front wall section which is formed by a burner flange 22, and on the peripheral side with an outer wall 20 (outer shell, preferably cast body ) and is surrounded on the inside by insulation 21.
  • a flame tube 34 is arranged, which is provided on its front side (input side) with a burner 31 and on its rear side facing away from the front side (outlet side) to a ( (not shown) turbine arrangement is connected or connectable via a coupling section designed for this purpose with coupling elements.
  • the space between the inside of the pressure housing 2 or the insulation 21 and the outside of the wall of the flame tube 34 is designed as an inflow channel 330 with a ring-shaped, in particular circular-cylindrical cross section, through which air compressed from the rear (outlet side) of the combustion chamber system 1 is fed to the Burner 31 can be fed in order to burn this introduced fuel in a combustion chamber 30 inside the flame tube 34 .
  • this is provided with an inflow tube 33, between the inside of which and the outside of the flame tube 34 the air is routed to the burner 31, as shown in 1 shown flow arrows.
  • Mixed air openings 320 are arranged in the flame tube 34 , preferably in an outlet section located on the outlet side behind the combustion chamber 30 , in particular behind a flame zone 32 (combustion zone) on the outlet side. These can e.g. B. equidistant from each other in the direction of rotation and z. B. in one or more to the longitudinal extent of the flame tube 34 perpendicular cross-sectional planes. Air from the compressed air mass flow introduced from the rear of the combustion chamber system 1 can be admixed to the combustion gases flowing inside the flame tube 34 from the inlet side to the outlet side via the mixed air openings 320 .
  • the combustion processes can be stabilized and optimized with regard to the emitted exhaust gas values via the mixed air component branched off from the supplied air mass flow, with the burner air component supplied to the burner over the load range of the associated gas turbine depending on the load point for specifying a suitable fuel/air ratio or the combustion air ratio (air ratio A) is set, as explained in more detail at the outset.
  • the clear flow width through the mixed air openings 320 depends on the load point of the gas turbine by means of a control device via an actuating device 4 depending on the pressure difference ⁇ p between the air pressure prevailing in the inflow duct 330 and the air pressure present in the area surrounding the combustion chamber system 1 .
  • the control device has an actuating device 4 with a displaceable closing unit 40, which , as in the Figures 1 to 4 shown, is designed as an annular screen 400, similar to a cuff, and is provided with screen openings 401, the position and size of which are designed in such a way that they can be brought into alignment with the mixed air openings 320 as completely as possible, so that their clear flow width is as completely as possible or is at least largely available for the mixed air portion to pass through.
  • actuating device 4 with a displaceable closing unit 40 which , as in the Figures 1 to 4 shown, is designed as an annular screen 400, similar to a cuff, and is provided with screen openings 401, the position and size of which are designed in such a way that they can be brought into alignment with the mixed air openings 320 as completely as possible, so that their clear flow width is as completely as possible or is at least largely available for the mixed air portion to pass through.
  • the mixed air openings 320 are designed as round mixed air bores; however, it is also conceivable to provide mixed air openings 320 with different geometric shapes, such as rectangular or non-symmetrical shapes, in order to suitably increase the clear flow width for achieving an optimal fuel/air ratio or air ratio ⁇ for combustion and optimal exhaust gas values at the respective load point of the gas turbine vary.
  • the panel is moved by means of the actuator 43 by means of the outside along the flame tube 34 arranged support struts in the form of support rods 41, which directly responds to the pressure difference ⁇ p and in the present case is designed as, in particular metallic, bellows 430 as a component that utilizes pressure.
  • the closing unit thus consists of the displaceable panel 400, several retaining rods 41 and several metal bellows 430, the retaining struts being held in their relative position to one another in their front section facing away from the panel 400 by a circumferential stabilizing ring 42.
  • the front end section of the retaining struts or retaining rods 41 protrudes through feed-through openings in the front wall section or the burner flange 22 into the interior of the associated bellows 430, which are aligned on the outside of the burner flange 22 with their longitudinal axis parallel or concentric to the retaining rods 41 and are attached.
  • the holding rods 41 are slidably guided in the feed-through openings and can also be guided by further guide elements on the outside of the flame tube 34 .
  • the front ends of the support rods 41 are fixed inside the bellows 430 via connecting portions to the front end walls thereof.
  • the interior of the bellows 430 is in pressure-equalizing connection with the inflow channel 330 via connection openings 220 present in the burner flange 22 or the front wall section of the pressure housing 2, so that inside the bellows 430 the respective (essentially static ) pressure prevails and thus the respective pressure difference ⁇ p, which is dependent on the load point, sets in, as a result of which the bellows 430, which is designed in particular as metal bellows, is expanded against the spring force caused by its elasticity.
  • the orifice plate 400 is displaced via the holding rods 41 as a function of the pressure difference ⁇ p and the clear flow width for the mixed air portion through the mixed air openings 320 is regulated accordingly, so that the fuel/air ratio or the air ratio ⁇ of the adapts given by the respective load point power requirement of the gas turbine, the change the clear flow width of the mixed air openings is set with regard to optimum exhaust gas values and combustion efficiency.
  • the bellows 430 consist of a high-temperature-resistant stainless steel and are designed for the progression of the existing pressure difference ⁇ p between the combustion chamber 30 or the inflow channel 330 and the environment over the load range of the gas turbine. Since the pressure level in the combustion chamber is lower at part load than at full load, the bellows are expanded further at full load, so that the orifice plate 400 slides in the direction of the burner 31 . The result of this is that the unobstructed area of the mixed air openings 320 is smaller at full load than at part load, and a lower proportion of mixed air is therefore routed via the mixed air openings 320 . This increases the proportion of burner air at full load, which leads to a larger air ratio ⁇ .
  • the stabilizing ring 42 which serves to stabilize the retaining rods 41 so that they can only move axially (in the direction of the longitudinal axis of the flame tube 34), also serves to limit the expansion (of the adjustment path) in the present case, so that the bellows 430 do not move can continue to expand as soon as the stabilizing ring 42 abuts the inside of the burner flange 22.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinenbrennkammersystem (1), insbesondere Mikrogasturbinenbrennkammersystem, mit- einer Brennkammer (30), die ein sich längs erstreckendes, eine Flammzone umgebendes Flammrohr (34) aufweist, welches auf seiner Eingangsseite mit einem Brenner (31) versehen ist und an seiner von dieser abgekehrten Ausgangsseite an eine Turbinenanordnung angekoppelt oder ankoppelbar ist und in einem Ausgangsabschnitt mit Mischluftöffnungen (320) versehen ist,- mit einem die Brennkammer (30) umgebenden Druckgehäuse (2), zwischen dessen Innenseite und der Außenseite des Flammrohrs (34) zum Zuführen eines Luftmassenstroms ein von dessen Ausgangsseite zur Eingangsseite führender Zuströmkanal (330) gebildet ist, über den ein Mischluftanteil über die Mischluftöffnungen (320) in das Innere des Flammrohrs (34) und ein Brennerluftanteil zu dem Brenner (31) zur Verbrennung mit eingeströmtem Brennstoff geführt wird, und- mit einer Regelvorrichtung, über die der dem Brenner (31) zugeführte Brennerluftanteil regelbar ist, indem der Mischluftanteil in Abhängigkeit des Lastpunkts der Turbinenanordnung durch Verstellen der lichten Durchströmweite der Mischluftöffnungen (320) variiert wird.Eine zuverlässige, schadstoffarme Verbrennung über den gesamten Lastbereich wird dadurch erreicht, dass die Regelvorrichtung eine auf eine Druckdifferenz (Δp) zwischen dem Zuströmkanal (330) der Luft und der Umgebung des Brennkammersystems (1) ansprechende Stellvorrichtung (4) aufweist, mittels der die lichte Durchströmweite der Mischluftöffnungen (320) in Abhängigkeit des Lastpunkts, insbesondere kontinuierlich, mit sich erhöhendem Lastpunkt verringerbar und mit abnehmendem Lastpunkt vergrößerbar istThe invention relates to a gas turbine combustion chamber system (1), in particular a micro gas turbine combustion chamber system, having a combustion chamber (30) which has a longitudinally extending flame tube (34) surrounding a flame zone, which is provided with a burner (31) on its inlet side and is coupled or can be coupled to a turbine arrangement on its outlet side facing away from it and is provided with mixed air openings (320) in an outlet section, - with a pressure housing (2) surrounding the combustion chamber (30), between its inside and the outside of the flame tube (34) for supplying an air mass flow, an inflow channel (330) leading from its output side to the input side is formed, via which a mixed air portion via the mixed air openings (320) into the interior of the flame tube (34) and a burner air portion to the burner (31) for combustion with the fuel that has flowed in is guided, and with a control device via which the burner (31 ) supplied proportion of burner air can be regulated by varying the proportion of mixed air depending on the load point of the turbine arrangement by adjusting the clear flow width of the mixed air openings (320). Reliable, low-emission combustion over the entire load range is achieved in that the control device is based on a pressure difference (Δp ) between the inflow duct (330) for the air and the area surrounding the combustion chamber system (1) has an responsive adjusting device (4), by means of which the clear flow width of the mixed air openings (320) can be reduced as a function of the load point, in particular continuously, with an increasing load point and with a decreasing Load point can be increased

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinenbrennkammersystem, insbesondere Mikrogasturbinenbrennkammersystem, mit einer Brennkammer, die ein sich längs erstreckendes, eine Flammzone umgebendes Flammrohr aufweist, welches auf seiner Eingangsseite mit einem Brenner versehen ist und an seiner von dieser abgekehrten Ausgangsseite an eine Turbinenanordnung angekoppelt oder ankoppelbar ist und in einem Ausgangsabschnitt mit Mischluftöffnungen versehen ist, mit einem die Brennkammer umgebenden Druckgehäuse, zwischen dessen Innenseite und der Außenseite des Flammrohrs zum Zuführen eines Luftmassenstroms ein von dessen Ausgangsseite zur Eingangsseite führender Zuströmkanal gebildet ist, über den ein Mischluftanteil über die Mischluftöffnungen in das Innere des Flammrohrs und ein Brennerluftanteil zu dem Brenner zur Verbrennung mit eingeströmtem Brennstoff geführt wird, und mit einer Regelvorrichtung, über die der dem Brenner zugeführte Brennerluftanteil regelbar ist, indem der Mischluftanteil in Abhängigkeit des Lastpunkts der Turbinenanordnung durch Verstellen der lichten Durchströmweite der Mischluftöffnungen variiert wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenbrennkammersystems, insbesondere eines Mikrogasturbinenbrennkammersystems, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Luftmassenstrom über einen Zuströmkanal zwischen der Innenseite eines umgebenden Druckgehäuses und der Außenseite eines Flammrohrs von dessen Ausgangsseite her zugeführt und mittels in einem Ausgangsabschnitt des Flammrohrs angeordneter Mischluftöffnungen in einen Mischluftanteil, der hinter einer Flammzone in das Innere des Flammrohrs geleitet wird, und einen Brennerluftanteil aufgeteilt wird, der einem auf der Eingangsseite des Flammrohrs angeordneten Brenner zur Verbrennung mit Brennstoff zugeführt wird, wobei das Brennstoff-/Luftverhältnis durch Variieren der lichten Durchströmweite der Mischluftöffnungen mittels einer Regelvorrichtung geregelt wird.The invention relates to a gas turbine combustion chamber system, in particular a micro gas turbine combustion chamber system, with a combustion chamber which has a flame tube which extends longitudinally and surrounds a flame zone, which is provided with a burner on its input side and is coupled or can be coupled to a turbine arrangement on its output side remote from this and is provided with mixed air openings in an outlet section, with a pressure housing surrounding the combustion chamber, between the inside of which and the outside of the flame tube for supplying an air mass flow is formed an inflow channel leading from its outlet side to the inlet side, via which a proportion of mixed air via the mixed air openings into the interior of the Flame tube and a burner air portion is led to the burner for combustion with inflowing fuel, and with a control device via which the burner air portion supplied to the burner can be regulated by the mixed air portion l is varied depending on the load point of the turbine arrangement by adjusting the clear flow width of the mixed air openings. The invention also relates to a method for operating a gas turbine combustion chamber system, in particular a micro gas turbine combustion chamber system, according to one of the preceding claims, in which an air mass flow is supplied via an inflow channel between the inside of a surrounding pressure housing and the outside of a flame tube from its outlet side and by means of mixed air openings arranged in an outlet section of the flame tube into a mixed air portion , which is directed into the interior of the flame tube behind a flame zone, and a proportion of burner air is divided, which is fed to a burner arranged on the inlet side of the flame tube for combustion with fuel, the fuel/air ratio being varied by varying the clear flow width of the mixed air openings by means of a Control device is regulated.

Die GB 1 601 218 A zeigt ein Gasturbinenbrennkammersystem mit Mischluftöffnungen an einem Flammrohr, die in einem Zuströmkanal angeordnet und in ihrer Durchströmweite mittels eines Ventils mechanisch über eine Druckdifferenz zwischen Zuströmkanal und Außenluft steuerbar ist. Dazu wirkt der Druck im Zuführkanal über eine Öffnung auf einen in einem Zylinderraum angeordneten Kolben und der Außendruck über eine Öffnung einer Ventilanordnung. Ein Primärlufteinlass wird über ein weiteres Ventil gesteuert. Dieses Brennkammersystem beinhaltet somit mehrere abgestimmt zusammenwirkende Ventile mit einer relativ großen Anzahl einzelner Systemkomponenten die damit einhergehenden Aufwand hinsichtlich Aufbau und Instandhaltung bedingen und Störungen verursachen können.the GB 1 601 218 A shows a gas turbine combustion chamber system with mixed air openings on a flame tube, which are arranged in an inflow duct and whose flow width can be controlled mechanically by means of a valve via a pressure difference between the inflow duct and outside air. For this purpose, the pressure in the supply channel acts via an opening on a piston arranged in a cylinder chamber and the external pressure via an opening in a valve arrangement. A primary air intake is controlled by another valve. This combustion chamber system thus contains a number of coordinated, interacting valves with a relatively large number of individual system components, which necessitate the associated expense in terms of construction and maintenance and can cause malfunctions.

Auch die Druckschrift DE 19 45 921 A zeigt ein Gasturbinenbrennkammersystem, bei dem Mischluftöffnungen an einem Flammrohr in einem Zuströmkanal der Luft in ihrer Durchströmweite in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen dem Druck im Zuführkanal und der äußeren Umgebung gesteuert werden. Dabei ist eine mantelförmige Blende durch ein Stellorgan mittels eines federbelasteten Kolbens verschiebbar.Also the print DE 19 45 921 A shows a gas turbine combustion chamber system in which mixed air openings on a flame tube in an inflow duct for the air are controlled in terms of their flow width as a function of a pressure difference between the pressure in the inflow duct and the external environment. In this case, a jacket-shaped panel can be displaced by an actuator by means of a spring-loaded piston.

Ein Gasturbinenbrennkammersystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenbrennkammersystems sind auch in der DE 41 20 831 A1 angegeben. Bei diesem bekannten Gasturbinenbrennkammersystem und Verfahren zu dessen Betrieb bei unterschiedlichen Betriebszuständen, wie z. B. Lastpunkt einer Turbine bei Teillast bis Volllast, werden Heißgase aus der Verbrennung aus einem verdichteten Luftstrom erzeugt. Um einen Luftüberschuss in der Flammenzone zu verhindern, treten dabei Mittel in Funktion, welche auf eine Druckdifferenz zwischen dem Brennraum selbst und der verdichteten Luft ansprechen. Die Mittel bestehen dabei z. B. in Federkomponenten mit Rückschlagventil und bewirken eine Bypassströmung eines Teils der verdichteten Luft in eine Mischzone ausgangsseitig der Flammzone oder Brennzone, wozu das federnde Element der Mittel in Abhängigkeit der Druckdifferenz eine Wegstrecke zurücklegt, welche eine Öffnung des betreffenden Ventils für eine Bypassströmung eines Teils der verdichteten Luft in die Mischzone bewirkt. Die so aus mehreren Einzelteilen aufgebauten, den Mischluftöffnungen individuell zugeordneten Mittel der Regelungsvorrichtung zur Regelung des Mischluftanteils durch die Mischluftdüsen und damit auch des Anteils der dem Brenner zugeführten Brennerluft ergibt einen relativ hohen konstruktiven Aufwand, insbesondere bei Mikrogasturbinenbrennkammersystemen, womit auch eine möglichst zuverlässige Einstellung des Brennstoff-/Luftverhältnisses im Brenner bzw. der Verbrennungsluftzahl (Luftzahl A) für eine gleichbleibend schadstoffarme und dabei effiziente Verbrennung schwierig ist. Auch ist mit diesem Aufbau ein relativ hoher Kommissionierungsaufwand und Wartungsaufwand und dabei auch ein erhöhtes Versagensrisiko verbunden.A gas turbine combustor system and a method of operating a gas turbine combustor system are also in US Pat DE 41 20 831 A1 specified. In this known gas turbine combustor system and method for its operation in different operating conditions, such. B. load point of a turbine at partial load to full load, hot gases are generated from the combustion of a compressed air flow. In order to prevent an excess of air in the flame zone, means are activated which respond to a pressure difference between the combustion chamber itself and the compressed air. The funds consist z. B. in spring components with a check valve and cause a bypass flow of part of the compressed air into a mixing zone on the outlet side of the flame zone or combustion zone, for which purpose the resilient element of the means, depending on the pressure difference, covers a distance which opens the relevant valve for a bypass flow of part of the compressed air into the mixing zone. The means of the control device, which are made up of several individual parts and are individually assigned to the mixed air openings, for controlling the proportion of mixed air through the mixed air nozzles and thus also the proportion of the burner air supplied to the burner, results in a relatively high design effort, especially in micro gas turbine combustion chamber systems, which also means that the fuel can be adjusted as reliably as possible -/air ratio in the burner or the combustion air ratio (air ratio A) is difficult for consistently low-emission and efficient combustion. This structure also involves a relatively high commissioning effort and maintenance effort and also an increased risk of failure.

Ein Gasturbinenbrennkammersystem und ein Verfahren zu dessen Betrieb ist auch in der DE 43 04 201 A1 angegeben. Dabei ist ein Flammrohr beabstandet, unter Bildung eines ringförmigen Luftkanals, von einem Außenmantel konzentrisch umgeben und umschließt seinerseits einen Brennraum. Über den Luftkanal wird einem durch den Außenmantel und das Flammrohr hindurch in den Brennraum ragenden Brenner verdichtete Luft zugeführt und am Umfang des Flammrohrs sind Mischluftdüsen angeordnet, welche den Luftkanal mit dem Brennraum verbinden, um Sekundärluft (Mischluft) durch die Mischluftdüsen in den Heißgasstrom im Flammrohr einzubringen. Die Mischluftdüsen sind dabei zum Variieren des Mischluftanteils individuell regelbar, da eine bereits erprobte Lösung mit einem allen Mischluftöffnungen gemeinsamen Verstellring dort als nachteilig angesehen worden ist. Mit den individuellen Regelkomponenten der einzelnen Mischluftdüsen ergeben sich jedoch ebenfalls die vorstehend genannten Nachteile.A gas turbine combustor system and method of operating same is also disclosed in US Pat DE 43 04 201 A1 specified. In this case, a flame tube is spaced apart, forming an annular air duct, concentrically surrounded by an outer jacket and in turn encloses a combustion chamber. Compressed air is supplied via the air duct to a burner that protrudes through the outer shell and the flame tube into the combustion chamber, and mixed air nozzles are arranged on the circumference of the flame tube, which connect the air duct with the combustion chamber in order to introduce secondary air (mixed air) through the mixed air nozzles into the hot gas stream in the flame tube. The mixed air nozzles can be individually regulated to vary the proportion of mixed air, since a tried and tested solution with an adjusting ring common to all mixed air openings was considered disadvantageous there. However, the disadvantages mentioned above also arise with the individual control components of the individual mixed air nozzles.

Die AT 6 537 E zeigt bei einem Brennkammersystem eine Verschiebung eines Innenmantels entsprechend dem Gleichgewicht der pneumatischen Kraft eines Brennstoffdrucks auf der linken Seite eines Bodens und einer auf der rechten Seite des Bodens, turbinenseitig, wirkenden Kraft durch einen dort aufgebauten Druck. Auch ist eine faltenbalgartige Struktur gezeigt.the AT 6 537 E shows a displacement of an inner liner in a combustor system according to the balance of the pneumatic force of a fuel pressure on the left side of a floor and a force acting on the right side of the floor, turbine side, by a pressure built up there. A bellows-like structure is also shown.

Verschiedene weitere Lösungsvorschläge zur Regelung der einem Brenner in einem Gasturbinenbrennkammersystem zugeführten Brennerluft zeigen die GB 1257610 A , die EP 2778531 A1 , die FR 2133832 A1 , die GB 2277582 A , die US 3952501 A und die DE 19545311 B4 , wobei verschiedene, meist durch aktive Regelung angesprochene Stellglieder, im Zuströmkanal des Luftmassenstroms angeordnet sind und Verstellwege, Kräfte, Temperaturen oder Drücke manipuliert werden. Zwar ist bei solchen aktiv geregelten Vorrichtungen eine direkte Anpassung des Systems an die spezifischen Gegebenheiten jeder einzelnen Gasturbine ermöglicht. Ein Nachteil ist jedoch auch dabei, dass dies mit einem erhöhten Kommissionierungsaufwand verbunden ist und die verschiedenen Komponenten und Stellglieder einen relativ hohen Wartungsaufwand und ein erhöhtes Versagensrisiko zur Folge haben, wodurch insbesondere im Zusammenhang mit Mikrogasturbinenbrennkammersystemen Nachteile bei dem Ziel entstehen, eine schadstoffarme, zuverlässige Verbrennung über den gesamten Lastbereich zu erreichen.Various other proposed solutions for controlling the burner air supplied to a burner in a gas turbine combustion chamber system are shown in FIG GB 1257610A , the EP 2778531 A1 , the FR2133832A1 , the GB 2277582A , the US 3952501A and the DE 19545311 B4 , where various actuators, mostly addressed by active control, are arranged in the inflow channel of the air mass flow and adjustment paths, forces, temperatures or pressures are manipulated. With such actively controlled devices, it is true that the system can be directly adapted to the specific circumstances of each individual gas turbine. A disadvantage is, however, that this is associated with an increased commissioning effort and the various components and actuators result in a relatively high maintenance effort and an increased risk of failure, which creates disadvantages in the goal of low-emission, reliable combustion, especially in connection with micro gas turbine combustion chamber systems can be achieved over the entire load range.

Bei Mikrogasturbinenbrennkammersystemen variiert der Luftmassenstrom durch die Turbokomponenten stark mit dem Lastpunkt der angeschlossenen Turbinenanordnung über deren Lastbereich bzw. der geforderten elektrischen Leistung. Ebenso besteht zwischen Minimal- und Volllast ein stark variierender Bedarf an Brennstoffleistung und damit an Brennstoffmassenstrom. Dabei ist das jeweilige Verhältnis zwischen Luftmassenstrom und Brennstoffmassenstrom über den Lastbereich nicht konstant, sondern wird bei Teillast in Richtung von größeren Luftmassenströmen verschoben. Im Stand der Technik werden bei Mikrogasturbinen Brennkammern mit fest vorgegebenen Geometrien verwendet. Daher ergibt sich über den gesamten Lastbereich eine annähernd konstante Aufteilung zwischen der Luft, welche über den Brenner geleitet wird, und der Mischluft, welche nach der Verbrennungszone im Flammrohr eingemischt wird.In micro gas turbine combustor systems, the air mass flow through the turbo components varies greatly with the load point of the connected turbine arrangement over its load range or the required electrical power. Likewise, there is a strongly varying demand for fuel output and thus for fuel mass flow between minimum and full load. The respective ratio between air mass flow and fuel mass flow over the load range is not constant, but is shifted in the direction of larger air mass flows at part load. In the prior art, combustion chambers with fixed predetermined geometries are used in micro gas turbines. Therefore, over the entire load range, there is an approximately constant distribution between the air that is routed through the burner and the mixed air that is mixed in after the combustion zone in the flame tube.

Aufgrund dieser konstanten Luftaufteilung ergibt sich im Reaktionsraum der Brennkammer eine Verschiebung des Verhältnisses zwischen Luft und Brennstoff, was zu einer deutlichen Änderung der Verbrennungsluftzahl A führt, wie in Fig. 5 gezeigt, in der über der Luftzahl λ (Abszisse 5) Emissionen e (Ordinate 6) von CO (Bezugszeichen 60) und NOx (Bezugszeichen 61) bei Volllast und Teillast dargestellt sind. Somit liegen bei Teillast deutlich magerere Bedingungen im Brennraum vor als bei Volllast. Dies führt dazu, dass bei Brennern, welche auf Volllast hinsichtlich NOx optimiert sind, die CO-Emissionen bei Teillast den Gleichgewichtspfad verlassen und durch Nichtgleichgewichtseffekte aufgrund von unzureichenden Aufenthaltszeiten bei den hohen Luftzahlen λ bestimmt sind. Daher steigen die CO-Emissionen bei Teillast zum Teil stark an.Due to this constant air distribution, there is a shift in the ratio between air and fuel in the reaction space of the combustion chamber, which leads to a significant change in the combustion air ratio A, as in figure 5 shown in which the air ratio λ (abscissa 5) emissions e (ordinate 6) of CO (reference number 60) and NO x (reference number 61) are shown at full load and part load. This means that the conditions in the combustion chamber are significantly leaner at part load than at full load. This means that with burners that are optimized for NO x at full load, the CO emissions leave the equilibrium path at part load and are determined by non-equilibrium effects due to insufficient residence times at the high air ratios λ. As a result, the CO emissions sometimes increase sharply at part load.

Ebensolches gilt auch für die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (UHCs). Dieser Effekt kann durch eine Brennstoffstufung teilweise kompensiert werden, indem eine Pilotstufe bei Teillast angefettet wird. Dies wird jedoch durch eine Steigerung der NOx-Emissionen bei Teillast erkauft. Des Weiteren kann die Pilotierung den Einfluss der Luftzahlverschiebung auch nur begrenzt kompensieren, so dass auch für diesen Fall stets eine Abwägung zwischen Abgasemissionen bei Volllast und bei Teillast getroffen werden muss.The same applies to the unburned hydrocarbons (UHCs). This effect can be partially compensated by fuel staging by enriching a pilot stage at part load. However, this is bought at the cost of an increase in NO x emissions at part load. Furthermore, the piloting can only compensate for the influence of the air ratio shift to a limited extent, so that also for this If there is always a trade-off between exhaust emissions at full load and at part load.

Bei der Brennstoffstufung wird der einzubringende Brennstoffmassenstrom ungleich auf verschiedene Brennerstufen verteilt, so dass sich lokal fettere und damit heißere Gebiete der Vormischverbrennung ergeben. Dies führt dazu, dass die Verbrennung stabilisiert wird und gleichzeitig die CO- und UHC-Emissionen bei Lastpunkten sinken, welche global mit einem sehr mageren Zustand einhergehen. Dies ist typischerweise bei Teillast der Fall. Durch die lokal höheren Verbrennungstemperaturen steigen jedoch gleichzeitig die NOx-Emissionen an. Ferner ist ein Senken der CO-Emissionen bei global extrem mageren Bedingungen, wie sie zum Teil bei Mikrogasturbinen nahe des Minimallastpunkts vorkommen, nur sehr begrenzt durch eine Brennstoffstufung möglich, so dass bei diesen Lastpunkten immer noch erhebliche CO- und UHC-Emissionen emittiert werden.When fuel is staged, the fuel mass flow to be introduced is distributed unequally to different burner stages, so that locally richer and therefore hotter areas of premixed combustion result. As a result, combustion is stabilized and at the same time CO and UHC emissions are reduced at load points, which are globally associated with a very lean state. This is typically the case at part load. However, due to the locally higher combustion temperatures, the NO x emissions increase at the same time. Furthermore, a reduction in CO emissions under globally extremely lean conditions, as sometimes occur in micro gas turbines close to the minimum load point, is only possible to a very limited extent by fuel staging, so that considerable CO and UHC emissions are still emitted at these load points.

Hinzu kommt, dass eine Verbauung des Strömungspfads zum Brenner zu einem erhöhten Druckverlust des Gasturbinenbrennkammersystems, insbesondere Mikrogasturbinenbrennkammersystem führt, wodurch der Wirkungsgrad der Gasturbine, insbesondere Mikrogasturbine, negativ durch Einbaukomponenten der Regelungsvorrichtung, wie Drosseln und Ventilkomponenten im Luftpfad nachteilig beeinflusst wird.In addition, obstructing the flow path to the burner leads to an increased pressure loss in the gas turbine combustion chamber system, in particular micro gas turbine combustion chamber system, as a result of which the efficiency of the gas turbine, in particular micro gas turbine, is negatively influenced by built-in components of the control device, such as throttles and valve components in the air path.

Ausgehend von diesen Nachteilen bekannter Gasturbinenbrennkammersysteme mit Luftregelvorrichtungen und unter Berücksichtigung vorstehender Vorüberlegungen und Erkenntnisse liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinenbrennkammersystem, insbesondere Mikrogasturbinenbrennkammersystem, so weiterzubilden, dass eine schadstoffarme, zuverlässige Verbrennung über den gesamten Lastbereich einer zugeordneten Turbinenanordnung erreicht wird, und ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen.Based on these disadvantages of known gas turbine combustion chamber systems with air control devices and taking into account the above preliminary considerations and findings, the invention is based on the object of developing a gas turbine combustion chamber system, in particular a micro gas turbine combustion chamber system, in such a way that low-emission, reliable combustion is achieved over the entire load range of an associated turbine arrangement, and a corresponding one procedures to provide.

Diese Aufgabe wird bei einem Gasturbinenbrennkammersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bei einem Verfahren zum Betreiben eines solchen mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.This object is achieved in a gas turbine combustor system with the features of claim 1 and in a method for operating such with the features of claim 14.

Bei dem Gasturbinenbrennkammersystem (nachfolgend auch kurz als Brennkammersystem bezeichnet) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Regelvorrichtung eine auf eine Druckdifferenz (Δp) zwischen dem Zuströmkanal der Luft und der Umgebung des Brennkammersystems (in der Regel Atmosphärendruck) ansprechende Stellvorrichtung aufweist, mittels der die lichte Durchströmweite (Strömungsquerschnitt) der Mischluftöffnungen in Abhängigkeit des Lastpunkts, insbesondere kontinuierlich, mit sich erhöhendem Lastpunkt verringerbar und mit abnehmendem Lastpunkt vergrößerbar ist.In the gas turbine combustion chamber system (hereinafter also referred to as combustion chamber system for short), it is provided according to the invention that the control device has an adjusting device that responds to a pressure difference (Δp) between the inflow channel of the air and the environment of the combustion chamber system (usually atmospheric pressure), by means of which the clear flow width (Flow cross-section) of the mixed air openings depending on the load point, in particular continuously, can be reduced with an increasing load point and increased with a decreasing load point.

Bei dem Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenbrennkammersystems ist im Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs vorgesehen, dass die lichte Durchströmweite der Mischluftöffnungen in Abhängigkeit der Druckdifferenz (Δp) zwischen dem Zuströmkanal und der äußeren Umgebung des Brennkammersystems geregelt wird, indem die lichte Durchströmweite mit einer Erhöhung des Lastpunkts einer angekoppelten Turbinenanordnung verringert und mit einer Reduzierung des Lastpunkts vergrößert wird.In the method for operating a gas turbine combustion chamber system, it is provided in connection with the features of the preamble that the clear flow width of the mixed air openings is regulated as a function of the pressure difference (Δp) between the inflow duct and the external environment of the combustion chamber system by the clear flow width with an increase in the Load point of a coupled turbine assembly is reduced and increased with a reduction in load point.

Mit diesen Maßnahmen wird die Druckdifferenz der Luft in dem Zuströmkanal bzw. einem dort angeordneten Zuströmrohr und der Umgebung des Brennkammersystems um das Druckgehäuse vorteilhaft zur Regelung des Brennerluftstroms und damit des bei der Verbrennung vorliegenden Brennstoff-/Luftverhältnisses genutzt, wodurch die Luftzahl bei unterschiedlichen Lastpunkten über den Lastbereich einer angekoppelten Turbine zum Erreichen optimaler Abgaswerte eingehalten werden kann. Eine optimierte Regelung wird dabei auch dadurch begünstigt, dass im Bereich der Stellvorrichtung und der Erfassung der Druckdifferenz moderate Temperaturen der Einbaustelle vorliegen. Das Druckgefälle zwischen der Luft des Zuführkanals und der Umgebung korreliert über den Lastbereich der Gasturbine sehr gut mit dem für die Verbrennung erforderlichen Massenstromverhalten.With these measures, the pressure difference of the air in the inflow duct or an inflow pipe arranged there and the area around the combustion chamber system around the pressure housing is advantageously used to control the burner air flow and thus the fuel/air ratio present during combustion, whereby the air ratio at different load points exceeds the load range of a coupled turbine can be maintained in order to achieve optimum exhaust gas values. An optimized control is also favored by the fact that there are moderate temperatures at the installation point in the area of the actuating device and the detection of the pressure difference. The pressure drop between the air of the feed channel and of the environment correlates very well over the load range of the gas turbine with the mass flow behavior required for combustion.

Ist dabei vorgesehen, dass die Stellvorrichtung mechanisch, und insbesondere passiv arbeitend, aufgebaut ist, wobei die Druckdifferenz mittelbar oder, vorzugsweise, unmittelbar als Antriebsquelle genutzt ist, kann der Aufbau bei geringem Aufwand mit wenigen Komponenten mit hoher Zuverlässigkeit und kostengünstig verwirklicht werden. Bei unmittelbarer Nutzung der Druckdifferenz als Antriebsquelle wird nur eine druckausnutzende Einheit benötigt, wobei der Mechanismus von extrem heißen Komponenten des Flammrohrs abgesetzt ist, was zur hohen Zuverlässigkeit beiträgt. Zudem können durch die passiv aufgebaute Regelvorrichtung, insbesondere für den passiv geregelten Anteil der Mischluftströmung, vorteilhaft industriell erhältliche Komponenten verwendet werden und es ergibt sich ein geringes Versagensrisiko in Folge geringer Komplexität und ein geringer Wartungsaufwand. Auch kann der Strömungskanal strömungsgünstig, möglichst unverbaut ausgeführt werden, um den Druckverlust über den Strömungspfad des Luftmassenstroms mit dem Brennerluftanteil klein zu halten, was sich positiv auf den Wirkungsgrad insbesondere der Mikrogasturbinenbrennkammer auswirkt.If it is provided that the actuating device is constructed mechanically, and in particular passively working, with the pressure difference being used directly or indirectly as a drive source, the construction can be implemented with little effort with few components with high reliability and inexpensively. With direct use of the pressure difference as a drive source, only one pressure-utilizing unit is required, with the mechanism being separated from extremely hot components of the flame tube, which contributes to high reliability. In addition, due to the passively constructed control device, in particular for the passively controlled portion of the mixed air flow, industrially available components can advantageously be used and there is a low risk of failure as a result of low complexity and low maintenance costs. The flow channel can also be streamlined and designed as unobstructed as possible in order to keep the pressure loss over the flow path of the air mass flow with the burner air proportion small, which has a positive effect on the efficiency of the micro gas turbine combustion chamber in particular.

Zum Erreichen dieser Vorteile bestehen alternative Ausgestaltungsvarianten darin, dass bei Nutzung der Druckdifferenz (Δp) als mittelbare Antriebsquelle eine Stelleinheit mit einem Druckaufnehmer, einer Wandlereinheit und mindestens einem von dieser angetriebenen Stellglied vorhanden ist, mittels dessen die lichte Durchströmweite der Mischluftöffnungen über eine Schließeinheit variierbar ist, und dass bei Nutzung der Druckdifferenz (Δp) als unmittelbare Antriebsquelle das mindestens eine Stellglied selbst als Druckaufnehmer ausgebildet ist, mittels dessen die lichte Durchströmweite der Mischluftöffnungen über die Schließeinheit variierbar ist. Bei der mittelbaren Nutzung der Druckdifferenz als Antriebsquelle kann die Druckdifferenz über die Wandlereinheit indirekt zur Ansteuerung einer anderen mechanischen oder anderen physikalischen Energiequelle zugeführt werden, um das mindestens eine Stellglied zur Änderung der lichten Durchströmweite der Mischluftöffnungen über die Schließeinheit anzutreiben, wobei gleichwohl die Druckdifferenz zwischen dem Zuströmkanal und der Umgebung genutzt ist. Ist die Druckdifferenz als unmittelbare Antriebsquelle des Stellglieds genutzt, ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau.To achieve these advantages, there are alternative design variants that, when using the pressure difference (Δp) as an indirect drive source, there is an actuating unit with a pressure sensor, a converter unit and at least one actuator driven by this, by means of which the clear flow width of the mixed air openings can be varied via a closing unit , and that when using the pressure difference (Δp) as a direct drive source, the at least one actuator itself is designed as a pressure sensor, by means of which the clear flow width of the mixed air openings can be varied via the closing unit. With the indirect use of the pressure difference as a drive source, the pressure difference can be supplied indirectly via the converter unit to control another mechanical or other physical energy source to the at least one actuator to change the clear throughflow width of the mixed air openings via the closing unit, with the pressure difference between the inflow channel and the environment being used. If the pressure difference is used as a direct drive source for the actuator, a particularly simple structure results.

Dabei besteht eine für den Aufbau und die Funktion vorteilhafte Ausgestaltung darin, dass die Stellvorrichtung als mindestens ein Stellglied einen Faltenbalg, insbesondere aus Metall, aufweist, der mit seinem einen stirnseitigen Endbereich fest mit dem Druckgehäuse verbunden ist und mit seinem in Längsrichtung beabstandeten anderen stirnseitigen Endbereich an einem Verbindungsabschnitt über mindestens ein Zwischenglied mit der mindestens ein Schließelement umfassenden Schließeinheit verbunden ist und dass der Innenraum des Faltenbalgs über mindestens einen Druckausgleichskanal mit dem Luft-Zuströmkanal in Verbindung gebracht ist. Ein solcher Faltenbalg, insbesondere aus Metall, ist kommerziell in verschiedenen Ausführungen erhältlich, wobei seine Auslenkung zum Verstellen der Schließeinheit einerseits über die Druckänderung in Abhängigkeit des Lastpunkts und andererseits, dem Druck entgegenwirkend, durch die ihm innewohnende elastische Rückstellkraft bewirkt wird. Dabei lassen sich die erforderlichen wirkenden Kraftparameter gut, z. B. durch Simulation und/oder reale Versuche, auf das jeweilige Brennkammersystem abstimmen, wobei weitere zu berücksichtigende Parameter, wie Verstellweg, Größe und Form der Mischluftöffnungen jeweils geeignet ermittelt werden können.One configuration that is advantageous for the design and function is that the adjusting device has a bellows, in particular made of metal, as at least one adjusting element, which is firmly connected to the pressure housing with its one end area and with its other end area spaced apart in the longitudinal direction is connected at a connecting section via at least one intermediate member to the closing unit comprising at least one closing element and that the interior of the bellows is connected to the air inflow channel via at least one pressure equalization channel. Such a bellows, in particular made of metal, is commercially available in various designs, with its deflection for adjusting the closing unit being caused on the one hand by the pressure change depending on the load point and on the other hand, counteracting the pressure, by the elastic restoring force inherent in it. The required effective force parameters can be well, z. B. by simulation and / or real tests, to the respective combustion chamber system, with further parameters to be taken into account, such as adjustment, size and shape of the mixed air openings can be determined in a suitable manner.

Eine für einen einfachen Aufbau und zuverlässige Funktion weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Schließeinheit als Blende ausgebildet ist, die mittels des Stellglieds in Längsrichtung des Flammrohrs, die Mischluftöffnungen zum Variieren der lichten Durchströmweite bzw. des Strömungsquerschnitts mehr oder weniger verschließend, translatorisch verschiebbar und/oder rotatorisch in Umfangsrichtung verstellbar ist. Über die z. B. manschettenartig ausgebildete Blende lassen sich die Mischluftöffnungen durch einen einfachen Verstellmechanismus in Abhängigkeit von der Druckdifferenz leicht variieren. Das Material der Schließeinheit und ihre physikalischen bzw. mechanischen Eigenschaften lassen sich zum Erreichen einer guten Funktionsfähigkeit z. B. hinsichtlich guter Gleiteigenschaften bei unterschiedlichen Temperaturen des Flammrohrs geeignet wählen.A further advantageous embodiment for a simple structure and reliable function is that the closing unit is designed as a screen which can be moved in a translatory manner by means of the actuator in the longitudinal direction of the flame tube, more or less closing the mixed air openings for varying the clear flow width or the flow cross section / or is rotationally adjustable in the circumferential direction. About the z. B. cuff-like diaphragm, the mixed air openings can be easily varied by a simple adjustment mechanism depending on the pressure difference. The material of the closing unit and their physical and mechanical properties can be used to achieve good functionality, e.g. B. in terms of good sliding properties at different temperatures of the flame tube.

Zu einem vorteilhaften Aufbau trägt auch bei, dass der Verbindungsabschnitt, das Zwischenglied und die Schließeinheit starr miteinander verbunden sind.The fact that the connecting section, the intermediate member and the closing unit are rigidly connected to one another also contributes to an advantageous construction.

Eine für den Aufbau und die Funktion weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Brennkammersystems besteht darin, dass das Druckgehäuse auf seiner der Eingangsseite des Flammrohrs benachbarten Vorderseite einen Vorderwandabschnitt aufweist, auf dessen der Umgebung des Brennkammersystems zugekehrter Außenseite mehrere Stellglieder angebracht sind, und dass mehrere längs der Außenseite des Flammrohrs, insbesondere durch den Zuströmkanal, verlaufende Zwischenglieder als Haltestreben bzw. Haltestäbe ausgebildet sind, die an ihrem dem Ausgangsabschnitt des Flammrohrs zugewandten rückseitigen Endbereich mit der Schließeinheit verbunden sind und mit ihrem davon beabstandeten vorderen Endbereich über den Verbindungsabschnitt mit den ihnen zugeordneten Stellgliedern verbunden sind. Der Vorderwandabschnitt des Druckgehäuses wird dabei z. B. durch einen Brennerflansch des eingebauten Brenners gebildet.Another embodiment of the combustion chamber system that is advantageous in terms of structure and function is that the pressure housing has a front wall section on its front side adjacent to the inlet side of the flame tube, on the outside of which, facing the area surrounding the combustion chamber system, several actuators are attached, and that several along the outside of the Flame tube, in particular through the inflow duct, intermediate members are designed as retaining struts or retaining rods, which are connected to the closing unit at their rear end region facing the outlet section of the flame tube and are connected to the actuators assigned to them via the connecting section at their front end region spaced from it. The front wall portion of the pressure housing is z. B. formed by a burner flange of the built-in burner.

In weiterer konstruktiver Ausgestaltung ist vorteilhaft vorgesehen, dass die als Blende ausgestaltete Schließeinheit als Ringblende ausgebildet ist, welche im Bereich der Mischluftöffnungen um das Flammrohr umläuft und sich mit gleichbleibendem, an den Außenquerschnitt des Flammrohrs angepassten Innenquerschnitt soweit axial über das Flammrohr erstreckt, dass die lichte Durchströmweite der Mischluftöffnungen über die maximale Änderung der Druckdifferenz (Δp) zumindest weitgehend von vollständig offen bis teilweise (bzw. aus Funktionsgründen nicht vollständig) geschlossen variierbar ist, wobei das Flammrohr zumindest im Bereich der Mischluftöffnungen und des Verschiebewegs der Ringblende über einen axialen Erstreckungsabschnitt gleichbleibenden Außenquerschnitt besitzt. Mit diesen Maßnahmen lässt sich eine vorteilhafte Abstimmung der Funktion auf die Steuerung bzw. Regelung des Brennerluftanteils über den gesamten Lastbereich der Turbine zum Erreichen optimaler Abgaswerte vorteilhaft verwirklichen.In a further structural design, it is advantageously provided that the closing unit designed as a screen is designed as a ring screen, which runs around the flame tube in the area of the mixed air openings and extends axially over the flame tube with a constant inner cross-section adapted to the outer cross-section of the flame tube so that the clear The flow width of the mixed air openings can be varied at least to a large extent via the maximum change in the pressure difference (Δp) from completely open to partially (or not completely) closed for functional reasons, with the flame tube having a constant external cross section at least in the area of the mixed air openings and the displacement path of the ring diaphragm over an axial extension section owns. With these measures an advantageous tuning of the function to the control or regulation of the proportion of burner air over the entire load range of the turbine to achieve optimum exhaust gas values can be advantageously implemented.

Zu einer zuverlässigen Funktionsfähigkeit trägt dabei weiterhin bei, dass die Außenfläche des Flammrohrs zumindest über den axialen Erstreckungsabschnitt im Bereich der Mischluftöffnungen und des Verschiebewegs und der Innenquerschnitt der Ringblende über ihre axiale Erstreckung Kreiszylinderform aufweisen, wodurch ein einfacher Aufbau und eine gute Verstellbarkeit erreicht werden.A further contribution to reliable functionality is that the outer surface of the flame tube has a circular cylinder shape at least over the axial extension section in the area of the mixed air openings and the displacement path and the inner cross section of the ring diaphragm over its axial extension, which means that a simple structure and good adjustability are achieved.

Ist des Weiteren vorgesehen, dass das Flammrohr in Umfangsrichtung mehrere, vorzugsweise äquidistant, voneinander beabstandete, beispielsweise in derselben oder in mehreren Ebenen senkrecht zur Flammrohrachse angeordnete Mischluftöffnungen aufweist und dass die Ringblende mehrere in derselben oder in mehreren zur Flammrohrachse senkrechten Blendenebenen liegende Blendenöffnungen aufweist, die in Umlaufrichtung entsprechend den Mischluftöffnungen beabstandet und zum vollständigen oder zumindest weitgehenden Öffnen der Mischluftöffnungen mit diesen bei minimaler Druckdifferenz (Δp) weitgehend oder vollständig in Deckung und zum vollständigen oder zumindest weitgehenden Schließen der Mischluftföffnungen bei maximaler Druckdifferenz (Δp) möglichst weitgehend oder vollständig außer Deckung bringbar sind, so werden weitere gute Abstimmungsmöglichkeiten hinsichtlich einer genauen Regelung des Luftmassenstroms und einer schadstoffarmen Verbrennung erreicht, wobei z. B. die geometrische Form der Mischluftöffnungen und der Blendenöffnungen in Abhängigkeit der Anforderungen an die Verbrennung bei verschiedenen Lastpunkten der Turbine gewählt werden können, wie Größe, Form und damit erreichter Änderung der lichten Durchströmweite für den Mischluftanteil bei den jeweils in Abhängigkeit des Lastpunkts vorliegenden Druckdifferenzen.It is also provided that the flame tube has several, preferably equidistant, spaced mixed air openings in the circumferential direction, for example arranged in the same plane or in several planes perpendicular to the axis of the flame tube, and that the annular baffle has several baffle openings located in the same or in several planes perpendicular to the axis of the flame tube, which spaced in the circumferential direction according to the mixed air openings and for the complete or at least extensive opening of the mixed air openings with these at a minimum pressure difference (Δp) can be brought largely or completely into alignment and for the complete or at least extensive closing of the mixed air openings at a maximum pressure difference (Δp) can be brought as far as possible or completely out of alignment are, more good tuning options are achieved in terms of precise control of the air mass flow and low-emission combustion, with z. B. the geometric shape of the mixed air openings and the baffle openings can be selected depending on the requirements for combustion at different load points of the turbine, such as size, shape and the resulting change in the clear flow width for the mixed air portion at the pressure differences that are present depending on the load point.

Eine für einen stabilen Aufbau und eine zuverlässige Funktion weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Haltestäbe in ihrem den Brenner nach vorne überragenden Abschnitt durch in den Vorderwandabschnitt des Druckgehäuses eingebrachte Bohrungen in das Innere der ihnen zugeordneten Faltenbalge geführt und an diesen über den jeweiligen Verbindungsabschnitt befestigt sind. Die Bohrungen können dabei vorteilhaft auch als Verbindungsöffnungen für eine Druckausgleichsverbindung dienen. Auch zusätzliche Druckausgleichsbohrungen zwischen dem Balginnern und der Brennkammer sind denkbar.A further advantageous embodiment for a stable construction and a reliable function is that the support rods in their the burner to the front projecting section are guided through introduced into the front wall section of the pressure housing bores in the interior of their associated bellows and attached to these via the respective connection section. The bores can advantageously also serve as connection openings for a pressure equalization connection. Additional pressure compensation bores between the inside of the bellows and the combustion chamber are also conceivable.

Ein stabiler Aufbau, der auch eine zuverlässige Funktion begünstigt, besteht ferner darin, dass die Haltestäbe mit einem gemeinsamen umlaufenden Stabilisierungsring verbunden sind, der bei Verstellung der Blende in Richtung minimaler Durchströmweite bzw. Verschluss der Mischluftöffnungen einen Anschlag gegen die Innenseite des Vorderwandabschnitts des Druckgehäuses bildet.A stable structure, which also promotes reliable function, is that the support rods are connected to a common, circumferential stabilizing ring, which forms a stop against the inside of the front wall section of the pressure housing when the diaphragm is adjusted in the direction of the minimum flow width or when the mixed air openings are closed .

Die Verstellung der Blende wird auch dadurch begünstigt, dass die Haltestäbe durch weitere Führungselemente entlang dem Flammrohr in Verschieberichtung geführt sind.The adjustment of the screen is also favored by the fact that the holding rods are guided by further guide elements along the flame tube in the direction of displacement.

Eine für die Funktion und eine zuverlässige Regelung vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Regelvorrichtung passiv arbeitet, wobei eine Regelmechanik auf die Druckdifferenz (Δp) in der Weise anspricht, dass durch die Druckdifferenz (Δp) ein Stellglied angetrieben und von diesem eine Blende bewegt wird, durch welche die lichte Durchströmweite der Mischluftöffnungen in Abhängigkeit des Lastpunkts über den Lastbereich variiert wird, um optimale Abgaswerte zu erhalten.An embodiment of the method that is advantageous for the function and reliable control is that the control device works passively, with a control mechanism responding to the pressure difference (Δp) in such a way that the pressure difference (Δp) drives an actuator and from this an orifice is moved, through which the clear flow width of the mixed air openings is varied depending on the load point over the load range in order to obtain optimum exhaust gas values.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1
ein Gasturbinenbrennkammersystem im Längsschnitt mit einer schematisch dargestellten Regelvorrichtung für einen Luftmassenstrom,
Fig. 2
wesentliche erfindungsgemäße Komponenten eines Gasturbinenbrennkammersystems mit einem Flammrohr und einer Regelvorrichtung in perspektivischer seitlicher Ansicht,
Fig. 3
einen Ausschnitt des Gasturbinenbrennkammersystems in aufgeschnittener perspektivischer Ansicht teilweise von innen,
Fig. 4
einen vergrößerten Ausschnitt des Gasturbinenbrennkammersystems nach Fig. 3 mit einem Abschnitt einer Verstelleinheit im Bereich eines Stellglieds und
Fig. 5
ein Schaubild mit einem Verlauf von emittierten Schadstoffkomponenten über der Luftzahl λ bei verschiedenen Lastpunkten einer Turbine.
The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it:
1
a gas turbine combustion chamber system in longitudinal section with a schematically illustrated control device for an air mass flow,
2
essential components according to the invention of a gas turbine combustion chamber system with a flame tube and a control device in a perspective side view,
3
a section of the gas turbine combustion chamber system in a cut-away perspective view, partially from the inside,
4
an enlarged section of the gas turbine combustion chamber system 3 with a section of an adjustment unit in the area of an actuator and
figure 5
a diagram with a course of emitted pollutant components over the air ratio λ at different load points of a turbine.

Fig. 1 zeigt ein Brennkammersystem 1 (teilweise) im Längsschnitt mit einem äußeren Druckgehäuse 2, welches außen, zur Umgebung hin, auf seiner Vorderseite mit einem Vorderwandabschnitt versehen ist, der durch einen Brennerflansch 22 gebildet ist, und umfangseitig von einer Außenwandung 20 (Außenschale, vorzugsweise Gusskörper) und innenseitig von einer Isolierung 21 umgeben ist. Im Innern des Druckgehäuses 2 ist, mit seiner Außenseite von der Innenseite der Isolierung 21 beabstandet, ein Flammrohr 34 angeordnet, welches auf seiner Vorderseite (Eingangsseite) mit einem Brenner 31 versehen ist und auf seiner von der Vorderseite abgekehrten Rückseite (Ausgangsseite) an eine (nicht gezeigte) Turbinenanordnung über einen dafür ausgestalteten Koppelabschnitt mit Koppelelementen angeschlossen bzw. anschließbar ist. 1 shows a combustion chamber system 1 (partially) in longitudinal section with an outer pressure housing 2, which is provided on the outside, towards the surroundings, on its front side with a front wall section which is formed by a burner flange 22, and on the peripheral side with an outer wall 20 (outer shell, preferably cast body ) and is surrounded on the inside by insulation 21. Inside the pressure housing 2, with its outside spaced apart from the inside of the insulation 21, a flame tube 34 is arranged, which is provided on its front side (input side) with a burner 31 and on its rear side facing away from the front side (outlet side) to a ( (not shown) turbine arrangement is connected or connectable via a coupling section designed for this purpose with coupling elements.

Der Raum zwischen der Innenseite des Druckgehäuses 2 bzw. der Isolierung 21 und der Außenseite der Wandung des Flammrohrs 34 ist als im Querschnitt ringförmig umlaufender, insbesondere kreiszylindrischer, Zuströmkanal 330 ausgebildet, über den von der Rückseite (Ausgangsseite) des Brennkammersystem 1 her komprimierte Luft dem Brenner 31 zuführbar ist, um in diesen eingebrachten Brennstoff in einer Brennkammer 30 im Innern des Flammrohrs 34 zu verbrennen. Um in den Zuströmkanal 330 möglichst günstige Strömungsverhältnisse zu erreichen, ist dieser mit einem Zuströmrohr 33 versehen, zwischen dessen Innenseite und der Außenseite des Flammrohrs 34 die Luft zum Brenner 31 geleitet wird, wie die in Fig. 1 eingezeichneten Strömungspfeile zeigen.The space between the inside of the pressure housing 2 or the insulation 21 and the outside of the wall of the flame tube 34 is designed as an inflow channel 330 with a ring-shaped, in particular circular-cylindrical cross section, through which air compressed from the rear (outlet side) of the combustion chamber system 1 is fed to the Burner 31 can be fed in order to burn this introduced fuel in a combustion chamber 30 inside the flame tube 34 . In order to achieve the best possible flow conditions in the inflow channel 330, this is provided with an inflow tube 33, between the inside of which and the outside of the flame tube 34 the air is routed to the burner 31, as shown in 1 shown flow arrows.

In dem Flammrohr 34 sind, vorzugsweise in einem zur Ausgangsseite hin hinter der Brennkammer 30 liegenden Ausgangsabschnitt, insbesondere hinter einer Flammzone 32 (Brennzone) zur Ausgangsseite hin liegenden Ausgangsabschnitt Mischluftöffnungen 320 angeordnet. Diese können z. B. in Umlaufrichtung äquidistant voneinander beabstandet sein und z. B. in einer oder mehreren zur Längserstreckung des Flammrohrs 34 senkrechten Querschnittsebenen liegen. Über die Mischluftöffnungen 320 kann den im Innern des Flammrohrs 34 von der Eingangsseite zur Ausgangsseite strömenden Verbrennungsgasen Luft aus dem von der Rückseite des Brennkammersystems 1 her eingeleiteten komprimierten Luftmassenstrom beigemischt werden.Mixed air openings 320 are arranged in the flame tube 34 , preferably in an outlet section located on the outlet side behind the combustion chamber 30 , in particular behind a flame zone 32 (combustion zone) on the outlet side. These can e.g. B. equidistant from each other in the direction of rotation and z. B. in one or more to the longitudinal extent of the flame tube 34 perpendicular cross-sectional planes. Air from the compressed air mass flow introduced from the rear of the combustion chamber system 1 can be admixed to the combustion gases flowing inside the flame tube 34 from the inlet side to the outlet side via the mixed air openings 320 .

Über den aus dem zugeführten Luftmassenstrom abgezweigten Mischluftanteil können die Verbrennungsvorgänge stabilisiert und hinsichtlich der emittierten Abgaswerte optimiert werden, wobei der dem Brenner zugeführte Brennerluftanteil über den Lastbereich der zugeordneten Gasturbine in Abhängigkeit des Lastpunkts zum Vorgeben eines geeigneten Brennstoff-/Luftverhältnisses bzw. der Verbrennungsluftzahl (Luftzahl A) eingestellt wird, wie eingangs näher erläutert. Hierzu wird die lichte Durchströmweite durch die Mischluftöffnungen 320 in Abhängigkeit des Lastpunkts der Gasturbine mittels einer Regelvorrichtung über eine Stellvorrichtung 4 in Abhängigkeit der Druckdifferenz Δp zwischen dem in dem Zuströmkanal 330 herrschenden Luftdruck und dem in der Umgebung des Brennkammersystems 1 vorliegenden Luftdruck variiert.The combustion processes can be stabilized and optimized with regard to the emitted exhaust gas values via the mixed air component branched off from the supplied air mass flow, with the burner air component supplied to the burner over the load range of the associated gas turbine depending on the load point for specifying a suitable fuel/air ratio or the combustion air ratio (air ratio A) is set, as explained in more detail at the outset. For this purpose, the clear flow width through the mixed air openings 320 depends on the load point of the gas turbine by means of a control device via an actuating device 4 depending on the pressure difference Δp between the air pressure prevailing in the inflow duct 330 and the air pressure present in the area surrounding the combustion chamber system 1 .

Bei dem vorliegenden Gasturbinenbrennkammersystem 1, insbesondere in Ausgestaltung als Mikrogasturbinenbrennkammersystem (ein solches ist in der Regel für Brennerleistungsbereiche von 10 kW bis 1,5 MW und gelegentlich bis 2 MW ausgelegt), weist die Regelvorrichtung eine Stellvorrichtung 4 mit einer verschiebbaren Schließeinheit 40 auf, die, wie in den Fig. 1 bis 4 gezeigt, als ringförmige Blende 400, ähnlich einer Manschette, ausgestaltet ist und mit Blendenöffnungen 401 versehen ist, die in ihrer Position und Größe so ausgebildet sind, dass sie mit den Mischluftöffnungen 320 möglichst vollständig in Deckung bringbar sind, so dass deren lichte Durchströmweite möglichst vollständig oder zumindest weitgehend zum Durchtritt des Mischluftanteils verfügbar ist.In the present gas turbine combustion chamber system 1, in particular in the form of a micro gas turbine combustion chamber system (such a system is usually designed for burner power ranges from 10 kW to 1.5 MW and occasionally up to 2 MW), the control device has an actuating device 4 with a displaceable closing unit 40, which , as in the Figures 1 to 4 shown, is designed as an annular screen 400, similar to a cuff, and is provided with screen openings 401, the position and size of which are designed in such a way that they can be brought into alignment with the mixed air openings 320 as completely as possible, so that their clear flow width is as completely as possible or is at least largely available for the mixed air portion to pass through.

Eine vorteilhafte nähere Ausgestaltung der Regelvorrichtung mit der Schließeinheit 40 und einer Stelleinheit mit einem auf die Druckdifferenz Δp zwischen dem Druck im Zuströmkanal 330, insbesondere in dessen Pfad für den abgezweigten Brennerluftanteil, und dem Umgebungsdruck auf der Außenseite des Druckgehäuses 2 ansprechenden Stellglied ist in den Fig. 2, 3 und 4 anhand eines Ausführungsbeispiels näher dargestellt. Bei der gezeigten Ausführung sind die Mischluftöffnungen 320 als runde Mischluftbohrungen ausgebildet; es ist jedoch auch denkbar, geometrisch anders geformte Mischluftöffnungen 320 vorzusehen, wie rechteckige oder nicht symmetrische Formen, um die lichte Durchströmweite zum Erreichen eines optimalen Brennstoff-/Luftverhältnisses bzw. Luftzahl λ für die Verbrennung und optimale Abgaswerte bei dem jeweiligen Lastpunkt der Gasturbine geeignet zu variieren.An advantageous detailed design of the control device with the closing unit 40 and a control unit with a control element that responds to the pressure difference Δp between the pressure in the inflow channel 330, in particular in its path for the branched-off portion of the burner air, and the ambient pressure on the outside of the pressure housing 2 is described in the 2 , 3 and 4 shown in more detail using an exemplary embodiment. In the embodiment shown, the mixed air openings 320 are designed as round mixed air bores; however, it is also conceivable to provide mixed air openings 320 with different geometric shapes, such as rectangular or non-symmetrical shapes, in order to suitably increase the clear flow width for achieving an optimal fuel/air ratio or air ratio λ for combustion and optimal exhaust gas values at the respective load point of the gas turbine vary.

Die Blende wird mittels außen entlang des Flammrohrs 34 angeordneter Haltestreben in Form von Haltestäben 41 mittels des Stellglieds 43 verschoben, welches unmittelbar auf die Druckdifferenz Δp anspricht und vorliegend als, insbesondere metallischer, Faltenbalg 430 als Druck ausnutzendes Bauteil ausgebildet ist. Die Schließeinheit besteht somit aus der verschiebbaren Blende 400, mehreren Haltestäben 41, und mehreren Metallfaltenbalgen 430, wobei die Haltestreben in ihrem von der Blende 400 abgekehrten vorderen Abschnitt zusätzlich durch einen umlaufenden Stabilisierungsring 42 in ihrer relativen Position zueinander gehalten sind. Die Haltestreben bzw. Haltestäbe 41 ragen mit ihrem vorderen Endabschnitt durch Durchführöffnungen in dem Vorderwandabschnitt bzw. dem Brennerflansch 22 in das Innere des jeweils zugeordneten Faltenbalgs 430, die auf der Außenseite des Brennerflansches 22 mit ihrer Längsachse parallel bzw. konzentrisch zu den Haltestäben 41 ausgerichtet und befestigt sind. Die Haltestäbe 41 sind dabei in den Durchführöffnungen verschieblich geführt und können zusätzlich durch weitere Führungselemente auf der Außenseite des Flammrohrs 34 geführt sein. Die vorderen Enden der Haltestäbe 41 sind im Innern der Faltenbälge 430 über Verbindungsabschnitte an deren vorderen Abschlusswänden befestigt.The panel is moved by means of the actuator 43 by means of the outside along the flame tube 34 arranged support struts in the form of support rods 41, which directly responds to the pressure difference Δp and in the present case is designed as, in particular metallic, bellows 430 as a component that utilizes pressure. The closing unit thus consists of the displaceable panel 400, several retaining rods 41 and several metal bellows 430, the retaining struts being held in their relative position to one another in their front section facing away from the panel 400 by a circumferential stabilizing ring 42. The front end section of the retaining struts or retaining rods 41 protrudes through feed-through openings in the front wall section or the burner flange 22 into the interior of the associated bellows 430, which are aligned on the outside of the burner flange 22 with their longitudinal axis parallel or concentric to the retaining rods 41 and are attached. The holding rods 41 are slidably guided in the feed-through openings and can also be guided by further guide elements on the outside of the flame tube 34 . The front ends of the support rods 41 are fixed inside the bellows 430 via connecting portions to the front end walls thereof.

Das Innere der Faltenbälge 430 steht über in dem Brennerflansch 22 bzw. dem Vorderwandabschnitt des Druckgehäuses 2 vorhandene Verbindungsöffnungen 220 in Druckausgleichsverbindung mit dem Zuströmkanal 330, so dass im Innern des Faltenbalgs 430 der jeweilige mit dem Lastpunkt der Gasturbine und der Verbrennung korrelierende (im Wesentlichen statische) Druck herrscht und sich somit die von dem Lastpunkt abhängige jeweilige Druckdifferenz Δp einstellt, durch die der insbesondere als Metallfaltenbalg ausgebildete Faltenbalg 430 entgegen seiner durch seine Elastizität bewirkten Federkraft ausgedehnt wird. Dadurch wird die Blende 400 über die Haltestäbe 41 in Abhängigkeit von der Druckdifferenz Δp verschoben und die lichte Durchströmweite für den Mischluftanteil durch die Mischluftöffnungen 320 entsprechend eingeregelt, so dass sich infolge des dabei ebenfalls geregelten Brennerluftanteils das Brennstoff-/Luftverhältnis bzw. die Luftzahl λ der durch den jeweiligen Lastpunkt gegebenen Leistungsanforderung der Gasturbine anpasst, wobei die Änderung der lichten Durchströmweite der Mischluftöffnungen hinsichtlich optimaler Abgaswerte und Verbrennungseffizienz eingestellt ist.The interior of the bellows 430 is in pressure-equalizing connection with the inflow channel 330 via connection openings 220 present in the burner flange 22 or the front wall section of the pressure housing 2, so that inside the bellows 430 the respective (essentially static ) pressure prevails and thus the respective pressure difference Δp, which is dependent on the load point, sets in, as a result of which the bellows 430, which is designed in particular as metal bellows, is expanded against the spring force caused by its elasticity. As a result, the orifice plate 400 is displaced via the holding rods 41 as a function of the pressure difference Δp and the clear flow width for the mixed air portion through the mixed air openings 320 is regulated accordingly, so that the fuel/air ratio or the air ratio λ of the adapts given by the respective load point power requirement of the gas turbine, the change the clear flow width of the mixed air openings is set with regard to optimum exhaust gas values and combustion efficiency.

Die Faltenbalge 430 bestehen aus einem hochwarmfesten Edelstahl und sind auf den Verlauf der vorliegenden Druckdifferenz Δp zwischen der Brennkammer 30 bzw. dem Zuströmkanal 330 und der Umgebung über den Lastbereich der Gasturbine ausgelegt. Da bei Teillast ein geringeres Druckniveau in der Brennkammer vorherrscht als bei Volllast, werden die Faltenbalge bei Volllast weiter ausgedehnt, so dass die Blende 400 in Richtung des Brenners 31 gleitet. Dies führt dazu, dass die unversperrte Fläche der Mischluftöffnungen 320 bei Volllast kleiner ist als bei Teillast und somit ein geringerer Mischluftanteil über die Mischluftöffnungen 320 geleitet wird. Dadurch erhöht sich bei Volllast der Brennerluftanteil, was somit zu einer größeren Luftzahl λ führt. Durch das Zusammenspiel aus der Ausdehnung der Faltenbalge 430 und der sich damit ergebenden Änderung der unversperrten Fläche der Mischluftöffnungen 320 kann durch die Auslegung der Regelvorrichtung mit ihren Komponenten eine annähernd konstante Luftzahl über den Brenner 31 für den gesamten Lastbereich der Gasturbine realisiert werden.The bellows 430 consist of a high-temperature-resistant stainless steel and are designed for the progression of the existing pressure difference Δp between the combustion chamber 30 or the inflow channel 330 and the environment over the load range of the gas turbine. Since the pressure level in the combustion chamber is lower at part load than at full load, the bellows are expanded further at full load, so that the orifice plate 400 slides in the direction of the burner 31 . The result of this is that the unobstructed area of the mixed air openings 320 is smaller at full load than at part load, and a lower proportion of mixed air is therefore routed via the mixed air openings 320 . This increases the proportion of burner air at full load, which leads to a larger air ratio λ. Due to the interaction of the expansion of the bellows 430 and the resulting change in the unobstructed area of the mixed air openings 320, an approximately constant air ratio can be realized over the burner 31 for the entire load range of the gas turbine through the design of the control device with its components.

Der Stabilisierungsring 42, der zur Stabilisierung der Haltestäbe 41 dient, so dass sich diese ausschließlich axial (in Richtung der Längsachse des Flammrohrs 34) bewegen können, dient vorliegend des Weiteren als Begrenzung der Ausdehnung (des Verstellwegs), so dass sich die Faltenbalge 430 nicht weiter ausdehnen können, sobald der Stabilisierungsring 42 an der Innenseite des Brennerflanschs 22 anstößt.The stabilizing ring 42, which serves to stabilize the retaining rods 41 so that they can only move axially (in the direction of the longitudinal axis of the flame tube 34), also serves to limit the expansion (of the adjustment path) in the present case, so that the bellows 430 do not move can continue to expand as soon as the stabilizing ring 42 abuts the inside of the burner flange 22.

Mit dem gezeigten Aufbau wird somit eine aus wenigen Komponenten bestehende, passiv arbeitende, robuste Regelvorrichtung erreicht, die eine zuverlässige, schadstoffarme Regelung der Verbrennung in Gasturbinenbrennkammersystemen, insbesondere Mikrogasturbinenbrennkammersystemen, über den gesamten Lastbereich ergibt.With the structure shown, a passively working, robust control device consisting of few components is achieved, which results in reliable, low-emission control of combustion in gas turbine combustion chamber systems, in particular micro gas turbine combustion chamber systems, over the entire load range.

Claims (15)

Gasturbinenbrennkammersystem (1), insbesondere Mikrogasturbinenbrennkammersystem, mit - einer Brennkammer (30), die ein sich längs erstreckendes, eine Flammzone umgebendes Flammrohr (34) aufweist, welches auf seiner Eingangsseite mit einem Brenner (31) versehen ist und an seiner von dieser abgekehrten Ausgangsseite an eine Turbinenanordnung angekoppelt oder ankoppelbar ist und in einem Ausgangsabschnitt mit Mischluftöffnungen (320) versehen ist, - mit einem die Brennkammer (30) umgebenden Druckgehäuse (2), zwischen dessen Innenseite und der Außenseite des Flammrohrs (34) zum Zuführen eines Luftmassenstroms ein von dessen Ausgangsseite zur Eingangsseite führender Zuströmkanal (330) gebildet ist, über den ein Mischluftanteil über die Mischluftöffnungen (320) in das Innere des Flammrohrs (34) und ein Brennerluftanteil zu dem Brenner (31) zur Verbrennung mit eingeströmtem Brennstoff geführt wird, und - mit einer Regelvorrichtung, über die der dem Brenner (31) zugeführte Brennerluftanteil regelbar ist, indem der Mischluftanteil in Abhängigkeit des Lastpunkts der Turbinenanordnung durch Verstellen der lichten Durchströmweite der Mischluftöffnungen (320) variiert wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die Regelvorrichtung eine auf eine Druckdifferenz (Δp) zwischen dem Zuströmkanal (330) der Luft und der Umgebung des Brennkammersystems (1) ansprechende Stellvorrichtung (4) aufweist, mittels der die lichte Durchströmweite der Mischluftöffnungen (320) in Abhängigkeit des Lastpunkts, insbesondere kontinuierlich, mit sich erhöhendem Lastpunkt verringerbar und mit abnehmendem Lastpunkt vergrößerbar ist.Gas turbine combustion chamber system (1), in particular micro gas turbine combustion chamber system, with - a combustion chamber (30), which has a longitudinally extending flame tube (34) surrounding a flame zone, which is provided with a burner (31) on its input side and is coupled or can be coupled to a turbine arrangement on its output side remote from this and in an outlet section is provided with mixed air openings (320), - with a pressure housing (2) surrounding the combustion chamber (30), between the inside of which and the outside of the flame tube (34) for supplying an air mass flow an inflow duct (330) is formed which leads from its output side to the input side, via which a proportion of mixed air via the mixed air openings (320) into the interior of the flame tube (34) and a portion of the burner air to the burner (31) for combustion with the fuel that has flowed in, and - with a control device via which the proportion of burner air supplied to the burner (31) can be regulated by varying the proportion of mixed air depending on the load point of the turbine arrangement by adjusting the clear flow width of the mixed air openings (320), characterized,
that the control device has an adjusting device (4) that responds to a pressure difference (Δp) between the inflow channel (330) of the air and the environment of the combustion chamber system (1), by means of which the clear flow width of the mixed air openings (320) depending on the load point, in particular continuously , can be reduced with an increasing load point and increased with a decreasing load point. Brennkammersystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stellvorrichtung (4) mechanisch aufgebaut ist, wobei die Druckdifferenz (Δp) mittelbar oder, insbesondere, unmittelbar als Antriebsquelle genutzt ist.Combustion chamber system according to claim 1,
characterized,
that the adjusting device (4) is constructed mechanically, the pressure difference (Δp) being used directly or indirectly as a drive source. Brennkammersystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass bei Nutzung der Druckdifferenz (Δp) als mittelbare Antriebsquelle eine Stelleinheit mit einem Druckaufnehmer, einer Wandlereinheit und mindestens einem von dieser angetriebenen Stellglied (43) vorhanden ist, mittels dessen die lichte Durchströmweite der Mischluftöffnungen (320) über eine Schließeinheit (40) variierbar ist, und dass bei Nutzung der Druckdifferenz (Δp) als unmittelbare Antriebsquelle das mindestens eine Stellglied (43) selbst als Druckaufnehmer ausgebildet ist, mittels dessen die lichte Durchströmweite der Mischluftöffnungen (320) über die Schließeinheit (40) variierbar ist. Combustion chamber system according to claim 2,
characterized, that when the pressure difference (Δp) is used as an indirect drive source, there is a control unit with a pressure sensor, a converter unit and at least one control element (43) driven by this, by means of which the clear flow width of the mixed air openings (320) can be varied via a closing unit (40). , and that when using the pressure difference (Δp) as a direct drive source, the at least one actuator (43) itself is designed as a pressure sensor, by means of which the clear flow width of the mixed air openings (320) can be varied via the closing unit (40). Brennkammersystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (4) als mindestens ein Stellglied (43) einen Faltenbalg (430), insbesondere aus Metall, aufweist, der mit seinem einen stirnseitigen Endbereich fest mit dem Druckgehäuse (2) verbunden ist und mit seinem in Längsrichtung beabstandeten anderen stirnseitigen Endbereich an einem Verbindungsabschnitt über mindestens ein Zwischenglied mit der mindestens ein Schließelement umfassenden Schließeinheit (40) verbunden ist und dass der Innenraum des Faltenbalgs über mindestens einen Druckausgleichskanal mit dem Luft-Zuströmkanal (330) in Verbindung gebracht ist. Combustion chamber system according to claim 3,
characterized, that the adjusting device (4) has a bellows (430), in particular made of metal, as at least one adjusting element (43), which is firmly connected to the pressure housing (2) with its one front end area and with its other front end area spaced apart in the longitudinal direction a connecting section is connected via at least one intermediate member to the closing unit (40) comprising at least one closing element and that the interior of the bellows is connected to the air inflow duct (330) via at least one pressure equalization duct. Brennkammersystem nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schließeinheit (40) als Blende (400) ausgebildet ist, die mittels des Stellglieds (43) in Längsrichtung des Flammrohrs (34), die Mischluftöffnungen (320) zum Variieren der Durchströmweite mehr oder weniger überdeckend, verschiebbar und/oder in Umfangsrichtung verstellbar ist.Combustion chamber system according to claim 3 or 4,
characterized,
that the closing unit (40) is designed as a screen (400) which can be moved and/or adjusted in the circumferential direction by means of the actuator (43) in the longitudinal direction of the flame tube (34), more or less covering the mixed air openings (320) for varying the throughflow width is. Brennkammersystem nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verbindungsabschnitt, das Zwischenglied und die Schließeinheit (40) starr miteinander verbunden sind.Combustion chamber system according to claim 4 or 5,
characterized,
that the connecting section, the intermediate member and the closing unit (40) are rigidly connected to one another. Brennkammersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgehäuse (2) auf seiner der Eingangsseite des Flammrohrs (34) benachbarten Vorderseite einen Vorderwandabschnitt aufweist, auf dessen der Umgebung des Brennkammersystems (1) zugekehrter Außenseite die Stellglieder (43) angebracht sind, und dass mehrere längs der Außenseite des Flammrohrs (34), insbesondere durch den Zuströmkanal (330), verlaufende Zwischenglieder als Haltestäbe (41) ausgebildet sind, die an ihrem dem Ausgangsabschnitt des Flammrohrs (34) zugewandten rückseitigen Endbereich mit der Schließeinheit (40) verbunden sind und mit ihrem davon beabstandeten vorderen Endbereich über den Verbindungsabschnitt mit den ihnen zugeordneten Stellgliedern (43) verbunden sind. Combustion chamber system according to one of claims 4 to 6,
characterized, that the pressure housing (2) has on its front side adjacent to the inlet side of the flame tube (34) a front wall section, on the outside of which facing the environment of the combustion chamber system (1) the actuators (43) are attached, and that several intermediate members running along the outside of the flame tube (34), in particular through the inflow channel (330), are designed as holding rods (41) which are connected to the closing unit (40) at their rear end area facing the outlet section of the flame tube (34). and are connected with their front end region spaced therefrom via the connecting section to the actuators (43) assigned to them. Brennkammersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die als Blende (400) ausgestaltete Schließeinheit (40) als Ringblende ausgebildet ist, welche im Bereich der Mischluftöffnungen (320) um das Flammrohr (34) umläuft und sich mit gleichbleibendem, an den Außenquerschnitt des Flammrohrs (34) angepassten Innenquerschnitt soweit axial über das Flammrohr (34) erstreckt, dass die lichte Durchströmweite der Mischluftöffnungen (320) über die maximale Änderung der Druckdifferenz (Δp) zumindest weitgehend von vollständig offen bis teilweise geschlossen variierbar ist, wobei das Flammrohr (34) zumindest im Bereich der Mischluftöffnungen (320) und des Verschiebewegs der Ringblende über einen axialen Erstreckungsabschnitt gleichbleibenden Außenquerschnitt besitzt.Combustion chamber system according to one of claims 5 to 7,
characterized,
that the closing unit (40) configured as a screen (400) is designed as a ring screen, which surrounds the flame tube in the area of the mixed air openings (320). (34) and extends axially over the flame tube (34) with a constant inner cross section adapted to the outer cross section of the flame tube (34) such that the clear flow width of the mixed air openings (320) exceeds the maximum change in the pressure difference (Δp) at least largely from can be varied from completely open to partially closed, the flame tube (34) having a constant external cross section over an axial extension section, at least in the region of the mixed air openings (320) and the displacement path of the ring diaphragm. Brennkammersystem nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Außenfläche des Flammrohrs (34) zumindest über den axialen Erstreckungsabschnitt im Bereich der Mischluftöffnungen (320) und des Verschiebewegs und der Innenquerschnitt der Ringblende über ihre axiale Erstreckung Kreiszylinderform aufweisen.Combustion chamber system according to claim 8,
characterized,
that the outer surface of the flame tube (34) has a circular cylinder shape at least over the axial extension section in the area of the mixed air openings (320) and the displacement path and the inner cross section of the ring diaphragm over its axial extension. Brennkammersystem nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Flammrohr (32) in Umfangsrichtung mehrere, vorzugsweise äquidistant, voneinander beabstandete, beispielsweise in derselben oder in mehreren Ebenen senkrecht zur Flammrohrachse angeordnete Mischluftöffnungen (320) aufweist und dass die Ringblende mehrere in derselben oder in mehreren zur Flammrohrachse senkrechten Blendenebenen liegende Blendenöffnungen aufweist, die in Umlaufrichtung entsprechend den Mischluftöffnungen (320) beabstandet und zum vollständigen oder zumindest weitgehenden Öffnen der Mischluftöffnungen (320) mit diesen bei minimaler Druckdifferenz (Δp) weitgehend oder vollständig in Deckung und zum vollständigen oder zumindest weitgehenden Schließen der Mischluftföffnungen (320) bei maximaler Druckdifferenz (Δp) möglichst weitgehend oder vollständig außer Deckung bringbar sind. Combustion chamber system according to claim 8 or 9,
characterized, that the flame tube (32) has a plurality of mixed air openings (320) in the circumferential direction, preferably equidistant from one another, for example arranged in the same plane or in several planes perpendicular to the axis of the flame tube and that the ring diaphragm has several diaphragm openings located in the same or in several diaphragm planes perpendicular to the axis of the flame tube, which are spaced apart in the circumferential direction according to the mixed air openings (320) and for the complete or at least extensive opening of the mixed air openings (320) with these at a minimum pressure difference (Δp) largely or completely in congruence and for the complete or at least extensive closing of the mixed air openings (320) at maximum pressure difference (Δp) can be brought as far as possible or completely out of congruence. Brennkammersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Haltestäbe (41) in ihrem den Brenner (31) nach vorne überragenden Abschnitt durch in den Vorderwandabschnitt des Druckgehäuses (2) eingebrachte Bohrungen in das Innere der ihnen zugeordneten Faltenbalge (430) geführt und an diesen über den jeweiligen Verbindungsabschnitt befestigt sind.Combustion chamber system according to one of claims 7 to 10,
characterized,
that the retaining rods (41), in their section projecting forwards over the burner (31), are guided through bores made in the front wall section of the pressure housing (2) into the interior of the bellows (430) assigned to them and are fastened to these via the respective connecting section. Brennkammersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Haltestäbe (41) mit einem gemeinsamen umlaufenden Stabilisierungsring (42) verbunden sind, der bei Verstellung der Blende (400) in Richtung minimaler Durchströmweite bzw. Verschluss der Mischluftöffnungen (320) einen Anschlag gegen die Innenseite des Vorderwandabschnitts des Druckgehäuses (2) bildet.Combustion chamber system according to one of claims 7 to 11,
characterized,
that the retaining rods (41) are connected to a common, circumferential stabilizing ring (42), which forms a stop against the inside of the front wall section of the pressure housing (2) when the diaphragm (400) is adjusted in the direction of the minimum flow width or the closure of the mixed air openings (320). . Brennkammersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 12.
dadurch gekennzeichnet,
dass die Haltestäbe (41) durch weitere Führungselemente entlang dem Flammrohr (34) in Verschieberichtung geführt sind.Combustion chamber system according to one of Claims 7 to 12.
characterized,
that the retaining rods (41) are guided in the direction of displacement by further guide elements along the flame tube (34). Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenbrennkammersystems (1), insbesondere eines Mikrogasturbinenbrennkammersystems, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Luftmassenstrom über einen Zuströmkanal (330) zwischen der Innenseite eines umgebenden Druckgehäuses (2) und der Außenseite eines Flammrohrs (34) von dessen Ausgangsseite her zugeführt und mittels in einem Ausgangsabschnitt des Flammrohrs (31) angeordneter Mischluftöffnungen (320) in einen Mischluftanteil, der hinter einer Flammzone in das Innere des Flammrohrs (31) geleitet wird, und einen Brennerluftanteil aufgeteilt wird, der einem auf der Eingangsseite des Flammrohrs (34) angeordneten Brenner (31) zur Verbrennung mit Brennstoff zugeführt wird, wobei das Brennstoff-/Luftverhältnis durch Variieren der lichten Durchströmweite der Mischluftöffnungen (320) mittels einer Regelvorrichtung geregelt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die lichte Durchströmweite der Mischluftöffnungen (320) in Abhängigkeit der Druckdifferenz (Δp) zwischen dem Zuströmkanal (330) und der äußeren Umgebung des Brennkammersystems (1) geregelt wird, indem die lichte Durchströmweite mit einer Erhöhung des Lastpunkts einer angekoppelten Turbinenanordnung verringert und mit einer Reduzierung des Lastpunkts vergrößert wird.Method for operating a gas turbine combustion chamber system (1), in particular a micro gas turbine combustion chamber system, according to one of the preceding claims, in which an air mass flow via an inflow channel (330) between the inside of a surrounding pressure housing (2) and the outside of a flame tube (34) from its outlet side supplied and divided by means of mixed air openings (320) arranged in an outlet section of the flame tube (31) into a mixed air portion, which is conducted behind a flame zone into the interior of the flame tube (31), and a burner air portion, which is fed to a portion on the inlet side of the flame tube (34 ) arranged burner (31) is supplied for combustion with fuel, wherein the The fuel/air ratio is controlled by varying the clear flow width of the mixed air openings (320) by means of a control device, characterized in that
that the clear flow width of the mixed air openings (320) is regulated as a function of the pressure difference (Δp) between the inflow duct (330) and the external environment of the combustion chamber system (1), in that the clear flow width decreases with an increase in the load point of a coupled turbine arrangement and with a Reduction of the load point is increased. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Regelvorrichtung passiv arbeitet, wobei eine Regelmechanik auf die Druckdifferenz (Δp) in der Weise anspricht, dass durch die Druckdifferenz (Δp) ein Stellglied (43) angetrieben und von diesem eine Blende (400) bewegt wird, durch welche die lichte Durchströmweite der Mischluftöffnungen (320) in Abhängigkeit des Lastpunkts über den Lastbereich variiert wird, um optimale Abgaswerte zu erhalten.Method according to claim 14,
characterized,
that the control device works passively, with a control mechanism responding to the pressure difference (Δp) in such a way that the pressure difference (Δp) drives an actuator (43) and this moves a diaphragm (400) through which the clear flow width of the Mixed air openings (320) is varied depending on the load point over the load range in order to obtain optimal exhaust gas values.
EP21204913.4A 2020-12-07 2021-10-27 Gas turbine combustion chamber system and method for operating same Pending EP4008958A1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020132494.4A DE102020132494A1 (en) 2020-12-07 2020-12-07 Gas turbine combustor system and method of operating a gas turbine combustor system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4008958A1 true EP4008958A1 (en) 2022-06-08

Family

ID=78413751

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21204913.4A Pending EP4008958A1 (en) 2020-12-07 2021-10-27 Gas turbine combustion chamber system and method for operating same

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP4008958A1 (en)
DE (1) DE102020132494A1 (en)

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1945921A1 (en) 1969-09-11 1971-03-25 Motoren Turbinen Union Combustion chamber
GB1257610A (en) 1967-11-10 1971-12-22
FR2133832A1 (en) 1971-04-15 1972-12-01 United Aircraft Canada
US3869246A (en) * 1973-12-26 1975-03-04 Gen Motors Corp Variable configuration combustion apparatus
US3927520A (en) * 1974-02-04 1975-12-23 Gen Motors Corp Combustion apparatus with combustion and dilution air modulating means
US3952501A (en) 1971-04-15 1976-04-27 United Aircraft Of Canada Limited Gas turbine control
GB1601218A (en) 1978-03-20 1981-10-28 Rolls Royce Combustion equipment for gas turbine engines
EP0088933A1 (en) * 1982-03-12 1983-09-21 Kraftwerk Union Aktiengesellschaft Gas turbine combustion chamber
ATE6537T1 (en) 1979-12-19 1984-03-15 Etat-Francais Represente Par Le Delegue General Pour L'armement SUPERCHARGED ENGINE, ESPECIALLY DIESEL ENGINE.
DE4120831A1 (en) 1991-06-24 1993-01-07 Asea Brown Boveri Gas turbine combustion chamber operating method - involves by=passing part of air into pre-mixing zone at part-load operation
JPH05231645A (en) * 1991-12-25 1993-09-07 Toyota Motor Corp Combustor for gas turbine engine
DE4304201A1 (en) 1993-02-12 1994-08-18 Abb Management Ag Combustion chamber for a gas turbine
GB2277582A (en) 1993-04-29 1994-11-02 Snecma Combustion chamber with a variable oxidant injection system
DE19545311B4 (en) 1995-12-05 2006-09-14 Alstom Method for operating a combustion chamber equipped with premix burners
EP2778531A1 (en) 2013-03-13 2014-09-17 Siemens Aktiengesellschaft Gas turbine with optimized combustion in partial load operation by air flow rate adjustment
JP2017032221A (en) * 2015-08-03 2017-02-09 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Gas turbine combustor
US20180216827A1 (en) * 2017-01-27 2018-08-02 General Electric Company Pneumatically-actuated fuel nozzle air flow modulator

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1257610A (en) 1967-11-10 1971-12-22
DE1945921A1 (en) 1969-09-11 1971-03-25 Motoren Turbinen Union Combustion chamber
FR2133832A1 (en) 1971-04-15 1972-12-01 United Aircraft Canada
US3952501A (en) 1971-04-15 1976-04-27 United Aircraft Of Canada Limited Gas turbine control
US3869246A (en) * 1973-12-26 1975-03-04 Gen Motors Corp Variable configuration combustion apparatus
US3927520A (en) * 1974-02-04 1975-12-23 Gen Motors Corp Combustion apparatus with combustion and dilution air modulating means
GB1601218A (en) 1978-03-20 1981-10-28 Rolls Royce Combustion equipment for gas turbine engines
ATE6537T1 (en) 1979-12-19 1984-03-15 Etat-Francais Represente Par Le Delegue General Pour L'armement SUPERCHARGED ENGINE, ESPECIALLY DIESEL ENGINE.
EP0088933A1 (en) * 1982-03-12 1983-09-21 Kraftwerk Union Aktiengesellschaft Gas turbine combustion chamber
DE4120831A1 (en) 1991-06-24 1993-01-07 Asea Brown Boveri Gas turbine combustion chamber operating method - involves by=passing part of air into pre-mixing zone at part-load operation
JPH05231645A (en) * 1991-12-25 1993-09-07 Toyota Motor Corp Combustor for gas turbine engine
DE4304201A1 (en) 1993-02-12 1994-08-18 Abb Management Ag Combustion chamber for a gas turbine
GB2277582A (en) 1993-04-29 1994-11-02 Snecma Combustion chamber with a variable oxidant injection system
DE19545311B4 (en) 1995-12-05 2006-09-14 Alstom Method for operating a combustion chamber equipped with premix burners
EP2778531A1 (en) 2013-03-13 2014-09-17 Siemens Aktiengesellschaft Gas turbine with optimized combustion in partial load operation by air flow rate adjustment
JP2017032221A (en) * 2015-08-03 2017-02-09 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Gas turbine combustor
US20180216827A1 (en) * 2017-01-27 2018-08-02 General Electric Company Pneumatically-actuated fuel nozzle air flow modulator

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DATABASE WPI Week 201714, Derwent World Patents Index; AN 2017-11328P, XP002806074 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020132494A1 (en) 2022-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2020416A1 (en) Combustion chamber for gas turbine engines
DE112009001943B3 (en) burner
CH702825B1 (en) Turbine combustor insert assembly.
DE4220060C2 (en) Device for actuating a swirl device of a burner for gas turbine engines that controls the throughput of combustion air
DE3109269C2 (en)
EP1724526A1 (en) Shell for a Combustion Chamber, Gas Turbine and Method for Powering up and down a Gas Turbine.
EP2071156B1 (en) Fuel distribution system for a gas turbine with multistage burner arrangement
EP2409086B1 (en) Burner assembly for a gas turbine
EP4008958A1 (en) Gas turbine combustion chamber system and method for operating same
DE4337703C1 (en) Multiple actuating device with regulator on the inlet side
CH250563A (en) Recoil drive for vehicles, in particular aircraft.
DE102017120370B4 (en) Burner head, burner system and method of operating the burner system
DE2742393C2 (en) Burners for flowable fuels
EP2271876B1 (en) Burner arrangement for liquid fuels and method for producing a burner arrangement
DE69310884T2 (en) Actuator for moving a swiveling rocket nozzle
DE4304201A1 (en) Combustion chamber for a gas turbine
DE10345137B4 (en) Method for operating a fuel injection device and a fuel injection device for carrying out the method
EP3926238B1 (en) Gas turbine module with combustion chamber air bypass
EP0866270B1 (en) Gas-fired heating apparatus, especially a water heater
EP2808612A1 (en) Gas turbine combustion chamber with tangential late lean injection
WO2015043735A1 (en) Burner head of a burner and gas turbine having such a burner
WO2003076846A1 (en) Burner, particularly for liquid or gaseous fuels
EP4008955B1 (en) Device and method for supplying combustion air and exhaust gas recirculation for a burner
EP2604921B1 (en) Auxiliary ventilation device for an exhaust gas line of a fireplace and an exhaust gas line provided with such an auxiliary ventilation device, in particular an external exhaust gas line
EP1524469A1 (en) Premix burner for a gas turbine

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20221208

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20230414