NL8200333A - Verbrandingsinrichting voor gasturbine. - Google Patents

Description

ψ^~· - 1 - #. s

Verbrandingsinrichting voor gasturbine.

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op verbrandingsinrichtingen voor een gasturbine en, meer in het bijzonder, op twee-trapsverbrandingsinrichtingen geschikt voor het tot stand brengen van afzonderlijke 5 zones die brandstofrijk en brandstofarm zijn voor een verbeterde verbranding en voor een minimale vorming van stikstofoxyde-(NOx)-produkten.

Verbrandingsinrichtingen worden gebruikt in gasturbines voor het ontwikkelen van hoge gasdrukken * 10 gebruikt voor het opwekken van turbinevermogen. In dergelijke turbinestelsels worden gasvormige reactieprodukten en brandstof door een compressor toegevoerd aan een verbrandingskamer van de verbrandingsinrichting, ontstoken en afgevoerd naar de inlaatzijde van een turbine. De 15 praktijk is momenteel dat relatief sterk geraffineerde brandstoffen worden gebruikt, zoals kerosine of dieselolie, of natuurlijk gas, die tot voor kort relatief gemakkelijk beschikbaar waren, terwijl het gasvormige reactieprodukt kan worden gevormd door lucht, zuurstof of lucht verrijkt 20 met zuurstof ofwel kooldioxyde. Bij het vermengen en ontsteken van de brandstof en het gasvormige reactieprodukt kunnen grote volumetrische warmtehoeveelheden worden verkregen onder turbulente omstandigheden door afstemming van de concentraties en de richtingen van de 25 stromen brandstof en gasvormig produkt, zodanig dat gebieden met een hoge brandstofconcentratie en gebieden met grote schuifspanningen in de stroom gasvormig produkt elkaar overlappen, zoals beschreven in het Britse octrooi-schrift 1.099.959.

30 Het is onderkend dat het gewenst is, in het bijzonder in verband met het energietekort, dat men gebruik kan maken van brandstoffen van lagere kwaliteit, zoals petroleum met een hoog gehalte aan stikstof en aan aromatische stoffen, leisteenolie en steenkoololie 35 voor turbines.

De grootste moeilijkheden, behalve het rendement en de juiste vermenging van de gassen en deze brandstoffen, zijn gelegen in de vlamstabilisatie, de 8200333 Λ * - 2 - eliminatie van pulsaties en van geluid en de regeling van de afgifte van vervuilende produkten, in het bijzonder koolstofdeeltjes en stikstofoxyden (NOx). De bij Verbrandingsprocessen verkregen stikstofoxyden worden veroorzaakt 5 door twee hoofdbronnen, hl, uit de atmosferische stikstof van de verbrandingslucht bij hoge temperaturen, en de omzetting van organisch gebonden stikstofbestanddelen in de brandstof tot NOx. Wanneer het stikstofgehalte van brandstof uitgaat boven 0,1 gew. % speelt de brandstof-10 gebonden stikstof een steeds belangrijker rol bij de uitstoot van NOx. De wetten die de vorming van NOx beheersen zijn bij deze twee hoofdbronnen echter geheel verschillend. Zo is bijvoorbeeld de vorming van NOx uit de atmosferische stikstof primair afhankelijk van de 15 verbrandingstemperatuur, zodat dit meestal wordt aangeduid als "thermische NOx", terwijl de mate van vorming van NOx uit organisch gebonden stikstof in de brandstof, in het algemeen aangeduid als "brandstof NOx", in hoge mate afhankelijk is van de plaatselijke brandstof-lucht-20 mengselverhoudingen en in geringere mate van de temperatuur.

Voor een minimale omzetting van brandstof-gebonden stikstof tot NOx, is het noodzakelijk de brandstof eerst te pyrolyseren door verwarming ervan, in een zuurstofarme omgeving, gevolgd door vermening 25 van de verbrandingsprodukten en verbrandingslucht voor het volledig maken van het verbrandingsproces. Onderzoek heeft uitgewezen, dat onder bepaalde brandstofrijke omstandigheden en bij een voldoende verblijftijd en temperatuur in de eerste ofwel de pyrolysefase van het verbrandings-30 proces, de met de brandstof gebonden stikstof ongevoelig kan worden gehouden voor NOx-vorming in de brandstofarme tweede fase. Dit gebeurt door omzetting van moleculaire stikstof (N2) in de brandstofrijke eerste fase. Er moet echter zorgvuldig te werk worden gegaan bij het vermengen 35 van de verdere verbrandingslucht om plaatselijk hoge temperaturen te vermijden die zouden resulteren in de vorming van thermisch NOx. Dit wordt verkregen door vermenging van de verbrandingslucht en de pyrolyseprodukten zodanig dat de temperatuur van het mengsel eerst wordt 40 verlaagd door de snelle vermenging. Dit zorgt voor een 8200333 IB!........ :il - 3 - verlaging van de reactietemperaturen, die anders zouden leiden tot de vorming van thermisch NOx. Stroomafwaarts treedt een temperatuurstijging op ten gevolge van de opname van de zuurstof door de pyrolyseprodukten en 5 exotherme verbrandingsreacties. Om deze omstandigheden te doen optreden moet de temperatuurgeschiedenis van het mengsel nauwkeurig worden geregeld om te verzekeren dat de verbranding van roet en koolwaterstoffen volledig is binnen de verblijftijd in de verbrandingsinrichting, 10 terwijl de temperaturen in het brandstofarme stadium onder 1600°K moeten worden gehouden.

Een doel van de onderhavige uitvinding is nu het verschaffen van een verbrandingsinrichting voor een gasturbine geschikt voor het minimaal houden van de 15 vorming van stikstofoxydeprodukten door afpassing van het mengsel en de temperatuurgeschiedenis van de brandstof overeenkomstig bekende thermodynamische en chemisch kinetische eisen van het verbrandingsproces.

De uitvinding is gelegen in een verbrandings-20 inrichting voor een gasturbine voor het reduceren van de emissie van brandstof-gebonden en thermische stikstof-oxyde-(NOx)-produkten tijdens de verbranding van brandstoffen met een hoog gehalte aan stikstof en aan aromatische bestanddelen, welke verbrandingsinrichting daardoor is 25 gekenmerkt, dat hij een aantal in hoofdzaak concentrische buizen omvat, die ringvormige doorgangen bepalen met centrale en ringvormige openingen aangebracht aan het ene einde van de buizen voor het opnemen van brandstof en wervelend gasvormig reactieprodukt; een aantal in 30 hoofdzaak concentrische ringvormige divergerende mondstuk- t ken aangebracht binnen de doorgangen, waarbij de longitudinale afstand tussen ten minste twee mondstukken zodanig is dat eerste en tweede divergerende holten worden gevormd die met elkaar in verbinding staan, waarbij de 35 tweede holte zich stroomafwaarts van de eerste holte bevindt en de afstand tussen de mondstukken een brandstofrijke en een brandstof arme torro'idale wervel vormt in respectievelijk de eerste en de tweede holte; en smoor-middelen zijn aangebracht tussen de eerste en de tweede 40 holte voor het scheiden van de brandstofrijke en brandstof- 8200333 f * - 4 - arme wervels, welke smoormiddelen bedienbaar zijn voor het regelen van de snelle vermenging van gasvormig reactie-produkt toegevoerd aan de tweede holte met verbrandings-produkten toegevoerd vanaf de eerste holte, voor het 5 minimaliseren van de vorming van brandstof-gebonden en thermische NOx-produkten tijdens de verbranding.

De verbrandingsinrichting voor de gasturbine volgens de onderhavige uitvinding omvat eerste en tweede verbrandingszones waarvan een eerste brandstofrijke zone 10 de omzetting van brandstof-gebonden stikstof tot NOx minimaal maakt en de tweede brandstofarme zone snel de verbrandingsprodukten van de eerste zone vermengt met verbrandingslucht bij temperaturen die voldoende laag zijn om de vorming van thermisch NOx te voorkomen. In de 15 verbrandingsinrichting vindt de koeling van de wanden ervan op terugwinnende wijze plaats, zodat de warmteverliezen in de brandstofrijke zone worden verkleind zonder gebruik van enig deel van het gasvormige reactieprodukt voor film-koeling. Een goede regeling van de stroming en 20 mengselpatronen wordt verkregen onder een minimale drukval over de verbrandingsinrichting heen. Verder worden in de verbrandingsinrichting temperaturen gehandhaafd die voldoende hoog zijn voor een volledige verbranding zonder de vorming van NOx-produkten.

25 Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding omvat de verbrandingsinrichting van de gasturbine een aantal in hoofdzaak concentrische buizen, die ringvormige doorgangen bepalen met centrale en ringvormige openingen aangebracht aan het ene einde 30 van de buizen voor het opnemen van brandstof en een wervelend gasvormig reactieprodukt. Een aantal in hoofdzaak concentrische ringvormige divergerende mondstukken zijn aangebracht binnen de doorgangen en de longitudinale afstand tussen ten minste twee naburige mondstukken 35 verschaft eerste en tweede divergerende holten gevormd bij de mondstukeinden. De eerste holte wordt gevormd in de nabijheid van een centrale brandstofinjecteur voor het opwekken van een eerste brandstofrijke zone en de tweede divergerende holte is aangebracht stroomafwaarts 40 yan de eerste· holte voor het vormen van een tweede brand- 8200333 jrv ' - 5 - • * f stofarme zone, waar de volledige verbranding tot stand wordt gebracht. De afstand tussen de mondstukken-binnen de eerste en de tweede holte is bevorderlijk voor het vormen van een brandstofrijke resp. een brandstofarme 5 toroidale wervel in elke holte. Bij voorkeur zal de axiale afstand van naast'elkaar liggende mondstukken die de eerste holte vormen toenemen relatief met de radiale afstand tot de hattlijn van de verbrandingsin-richting. Dit geometrische patroon vormt een omhulsel met 10 nagenoeg concave begrenzingen, terwijl de constante axiale afstand van de mondstukken die de tweede holte vormen in hoofdzaak rechte begrenzingslijnen bepalen.

Smoormiddelen zijn aangebracht tussen de eerste en de tweede holte van de verbrandingsinrichting 15 voor het scheiden en versterken van de brandstofrijke en de brandstofarme wervels. Bij de voorkeursuitvoeringsvorm omvatten deze middelen een ringstraalpijp aangebracht rondom de verbrandingsinrichting voor het radiaal injecteren van kleine hoeveelheden gasvormig reactieprodukt met 20 hoge druk direkt in de brandstofrijke wervel in de nabijheid van een stilstandspunt van de wervel. Volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding omvatten dergelijke middelen bij voorkeur een smoorsectie in de concentrische buis aangebracht tussen de twee naast 25 elkaar liggende mondstukken. De smoorsectie omvat een convergerend deel en een divergerend deel dat integraal daarmee is gevormd en stroomafwaarts van het convergerende deel. Een dergelijke constructie verschaft een scheiding en een versterkende werking bij de vorming van de gas-30 vormige toroidale wervels.

Wervelopwekmiddelen zijn aangebracht in de concentrische doorgang voor het meedelen van een wervelende snelheidscomponent aan gasvormige reactieprodukten die axiaal worden toegevoerd via de ringvormige doorgangen, 35 waardoor een rotatie van de gasvormige reactieprodukten wordt opgewekt voor het vormen van de torroidale wervels. Dergelijke middelen omvatten bij voorkeur een aantal turbinegeleidingsschoepen van het statortype, die vast zijn aangebracht binnen de ringvormige doorgangen in 40 over de omtrek verdeelde punten onder een voorafbepaalde 8200333 - 6 - schoephoek. De geleidingsschoephoeken kunnen worden ingesteld voor het verkrijgen van de grootste wervelsnelheid in een binnenste ringvormig kanaal dat in verbinding staat met de eerste holte’, waarbij de wervel snelheid geleidelijk 5 aan afneemt bij toenemende radiale afstand vanaf de langsas van de verbrandingsinrichting.

De divergerende mondstukken van de ver- brandingsinrichting worden bij voorkeur gevormd door een ring met in axiale doorsnede een venturivorm. Deze geo- 10 metrie vergemakkelijkt een snelle vermenging van de axiaal toegevoerde lucht tussen naast elkaar liggende * ringvormige doorgangen voor een maximaal verbrandings-rendement en dus een minimale vervuiling.

De uitvinding wordt nu nader toegelicht aan 15 de hand van uitvoeringsvoorbeelden, weergegeven in de tekening, waarin: fig. 1 een schematisch aanzicht toont van de verbrandingsinrichtihg van de gasturbine volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, 20 weergevende de vorming van brandstofrijke en brandstofarme toroïdale wervels resp. in de eerste en de tweede ver-brandingsholten; fig. 2 een schematisch aanzicht toont van een tweede uitvoeringsvorm volgens de onderhavige uit-25 vinding weergevende het gebruik van een convergerende-divergerende smoorsectie voor het scheiden en versterken van de toroïdale wervels in de eerste en de tweede verbraridingsholten; en fig. 3 een zijaanzicht toont, op vergrote 30 schaal, waarbij bepaalde delen zijn weggebroken voor het in detail weergeven van de plaatsing van de wervelschoepen in de ringvormige kanalen tussen de concentrische buizen.

In fig. 1 is een verbrandingsinrichting 10 weergegeven omvattende zes buizen 11-16 met een progressief 35 grotere diameter. Deze buizen kunnen op bekende (niet weergegeven) wijze worden gemonteerd in een warmte-opwekkend stelsel, zoals een turbinemotor of dergelijke stelsels. De overlappende, in hoofdzaak concentrische plaatsing van de buizen 11-16 zorgt voor een centrale 40 doorgang 11a en ringvormige doorgangen 12a-16a, die zich 8200333 *v' '""1 «* * - 7 - in lengterichting uitstrekken tussen de bijbehorende buiswanden. Elk der centrale en ringvormige kanalen lla-16a vormt een centrale inlaatopening resp. ringvormige inlaatopeningen gevormd bij het ene einde van de buizen 5 (zie de stromingspijlen in fig, 1). Ringvormige divergerende mondstukken 20-24 zijn resp. aangebracht binnen de uitlaat-openingen van de buizen 11-16 langs het binneneinde van de binnenste buizen. Deze mondstukken dienen voor het vormen van gasvormige omhulsels met inbegrip van toroïdale 10 wervels (zie fig. 1), waardoor eerste en tweede verbrandings-holten of trappen 30 resp. 40 worden gevormd. Een brandstof-straalpijp of inlaatmondstuk 31 is aangebracht binnen de centrale opening volgens de langsas L van de verbrandings-inrichting voor toevoer van brandstof aan de eerste holte 15 30.

De eerste holte 30 vormt een brandstofrijke trap van de verbrandingsinrichting 10, die zich naar voren toe uitstrekt vanaf de brandstofstraalpijp 31 langs divergerende mondstukken 20-22. Zoals weergegeven neemt 20 de axiale afstand van deze mondstukken toe in verhouding met hun radiale afstand vanaf de hartlijn L van de verbrandingsinrichting voor het bepalen van een divergerende holte -met een in hoofdzaak concave buitenste begrenzing.

De tweede holte 40 vormt een brandstofarme trap van de 25 verbrandingsinrichting 10 volgens divergerende mondstukken 22-24, De2e secundaire divergerende mondstukken zijn gelijkmatig op afstand van elkaar opgesteld in verhouding met hun radiale afstand vanaf de hartlijn L van de verbrandingsinrichting voor het bepalen van een tweede 30 divergerende holte met een in hoofdzaak rechtlijnige buitenste begrenzing. Deze tweede trap bevindt zich direkt stroomafwaarts van de eerste holte 30. Als weergegeven in fig. 1 omvat zowel de eerste als de tweede holte 30 resp. 40 drie divergerende mondstukken, terwijl het buitenste 35 divergerende mondstuk 22 van de eerste holte in hoofdzaak het binnenste mondstuk van de tweede holte vormt.

Zoals weergegeven in fig. 3 zijn een aantal turbinegeleidingsschoepen 45 van het statortype over de omtrek aangebracht op regelmatig verdeelde afstanden 40 in elk van de ringvormige openingen voor het meedelen 8200333 # w - 8 - van een wervelsnelheidscomponent aan het gasvormige reactieprodukt dat binnentreedt in de doorgangen I2a-l4a.

Het ingaande produkt kan worden toegevoerd door een niet weergegeven compressor. De rotatie van het gasvormige 5 produkt om de hartlijn L van de verbrandingsinrichting is een gunstige faktor voor het vergroten van het rendement van de verbranding en van de regeling van de gastemperaturen in de twee trappen voor het verminderen van vervuiling in de uitlaat, zoals hierna nog zal worden toegelicht.

10 Geleidingsschoepen 45 zijn bevestigd aan de binnenste buiswanden van elk paar buizen, die één van de ringvormige kanalen 12a-16a vormen. De geleidingsschoepen 45 'hebben bij voorkeur een vaste bladhoek A (zie fig. 3) voor het doen roteren van gasvormige reactieprodukten om de hartlijn 15 L van de verbrandingsinrichting. Een meer volledige beschrijving van de geleidingsschoepen 45 kan worden gevonden in "Combustion Aerodynamics" door J.M. Beer en N.A. Chigier, Elsevier, 1972, hoofdstuk 5.

Bij het bedrijf wordt vloeibare, gasvormige 20 of brijvormige brandstof geïnjecteerd in de eerste holte '30 door de brandstofstraalpijp of mondstuk 31 en vermengd met gasvormig reactieprodukt dat wordt toegevoerd door de divergerende mondstukken 20-22 van de eerste trap.

De sterk wervelende stroom van gasvormig reactieprodukt 25 in combinatie met de divergentie binnen de eerste holte 30 is werkzaam voor het opwekken van het toroïdale wervel-patroon, zoals aangeduid door de stroomlijnen T (fig. 1).

In de tweede holte 40 wordt een tweede toroïdale wervel opgewekt met stroomlijnen T' binnen het omhulsel van het 30 reactieprodukt dat de holte binnentreedt door de ringvormige doorgangen 15a, 16a.

Elke toroïdale wervel strekt zich in lengterichting uit binnen een holte en heeft een recirculatie-stromingspatroon langs de hartlijn L van de verbrandings-35 inrichting in de richting van de brandstofstraalpijp 31.

Een stllstandsdrukgebied P bevindt zich iets stroomafwaarts van elke toroïdale wervel T, T1. Voor het verkrijgen van een goede vlamstabilisatie en verbranding in de eerste holte 30 moet de axiale afstand tussen divergerende mondstukken 40 21, 22 voldoende groot zijn voor het handhaven van een 8200333 W-- - 9 - s · juiste afscheiding van de wervels T, T’ in elke holte 30, 40, als boven beschreven. De eerste van deze wervels vormt de brandstofrijke trap van de verbrandingsinrichting 10, bestaande uit de brandstof toegevoerd volgens de hartlijn 5 L van de brander en een deel van de stoechiometrische verbrandingslucht. Daarbij kan tweederde van de stoechiometrische verbrandingslucht worden toegevoerd door de drie binnenste buizen 12-14. De krachtige vermenging in deze zone is essentieel voor de snelle verdamping van de 10 vloeibare brandstof, de efficiënte omzetting van brandstof-gebonden stikstof tot N2, terwijl daardoor tevens een te sterke vorming van roet in de brandstofrijke ,zone wordt voorkomen. De tweede toroïdale wervel T', gevormd in de tweede holte 40, omvat een brandstofarme verbrandingsfase 15 waarin de verbrandingsprodukten van de eerste fase snel worden afgekoeld ter onderdrukking van de reactie waardoor thermisch NOx zou worden gevormd, terwijl de mengsel-temperatuur op een zodanig hoge waarde wordt gehandhaafd, dat een volledige verbranding optreedt van koolmonoxyde, 20 van koolwaterstoffen en roet die de eerste holte 30 verlaten.

De koeling van de buiswanden (d.w.z. de buisdelen 12-16 tussen de divergerende mondstukken 20-24) geschiedt op terugwinnende wijze doordat de totale hoeveel-25 heid gasvormig reactieprodukt langs de wanden kan stromen voor het koelen daarvan waardoor warmte wordt teruggebracht in het verbrandingssysteem van de eerste en de tweede holte 30, 40. Dit omhulsel dat de wervels omringt vermindert het warmteverlies vanaf de brandstofrijke fase, wat 30 gewenst is daar hoge temperaturen bijdragen tot versnelling van de schemische reacties waardoor de brandstof-gebonden stikstof wordt omgezet in N2· De gehele hoeveelheid gasvormig reactieprodukt treedt axiaal binnen zodat de buiswanden op effektieve wij ze worden gekoeld. Het 35 is niet noodzakelijk een deel van het gasvormige produkt te gebruiken als "filmkoeling" voor de wanden, waardoor de totale hoeveelheid produkt beschikbaar is voor de efficiënte tot stand brenging van de stroming en van de mengpatronen in de verbrandingsinrichting 10. De mogelijk-40 heid een goede regeling te verschaffen van de stroming 8200333 - 10 - en de mengpatronen met een eenvoudige brandergeometrie maakt het verder mogelijk de drukval over de verbran-dingsinrichting op lagere niveau's te handhaven dan bij bekende verbrandingsinrichtingen die werken bij over-5 eenkomstige capaciteitniveau's.

Het gasvormige reactieprodukt, dat noodzakelijk is voor een volledige verbranding en voor het verlagen van de temperatuur in de brandstofarme zone van de tweede holte 40 wordt toegevoerd via divergerende 10 mondstukken 22-24. Een snelle vermenging van dit gasvormige produkt en de produkten van de brandstofrijke zone resulteert in een verlaging van de mengtemperatuur tot ongeveer 1600°K, noodzakelijk om te verzekeren dat weinig of geen thermisch NOx wordt gevormd, terwijl 15 de temperatuur voldoende hoog wordt gehouden om alle brandbare stoffen te verbranden. Hoge turbulente afschuif-spanningen die ontstaan tussen naast elkaar liggende divergerende mondstukken resulteren in een uniforme verdeling van de mediumeigenschappen, zoals de gas-20 temperatuur over de dwarsdoorsnede van de verbrandings-inrichting 10, wat gunstig is voor toepassingen bij een gasturbine. Indien noodzakelijk kan aanvullende brandstof, hetzij in vloeibare, gas- of brijvorm, toegevoerd worden op andere plaatsen over de brander, hetzij axiaal via 25 een ringstraalpijp (niet weergegeven) in de buizen, of tangentieel via ëên of meer van de buiswanden tussen naast elkaar liggende divergerende mondstukken.

Voor een stabilisatie van de toroïdale wervels en een verdere versterking van de recirculatiestroming 30 van de brandstofrijke wervel, zijn smoormiddelen aangebracht voor het verhogen van de stilstandsdruk in het gebied P. Zoals weergegeven in fig. 1 omvatten dergelijke middelen bij voorkeur een ring 42 van straalpijpen, die zich uitstrekken rondom de buis 14 tussen divergerende 35 mondstukken 21, 22. Perslucht wordt radiaal naar binnen toe geïnjecteerd via ringstraalpijpen 42 in dit stilstands-gebied P binnen de brandstofrijke toroïdale wervel T.

Na verbranding in de brandstofrijke wervel T bewegen de verbrandingsprodukten vanuit de eerste holte 30 40 stroomafwaarts naar de tweede holte 40 voor het voltooien 8200333 - 11 - van de verbranding in de brandstofarme wervel T'.

Fig. 2 töont een tweede uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding,waarbij een aanvullende buis 14' is aangebracht tussen de buizen 14 en 15. Een smoorsectie 5 van de buis 14' bevindt zich tussen de in lengterichting op afstand van elkaar staande, naast elkaar liggende mondstukken 21, 22, die de eerste en de tweede holte 30, 40 vormen. Het smoorstuk is voorzien van ringvormige convergerende wanddelen 14a' en divergerende wanddelen 14b', 10 waardoor een smoorkanaal wordt gevormd dat in staat is de brandstofrijke en brandstofarme wervels van elkaar te scheiden door vergroting van de stilstandsdruk in het gebied P en het versterken van de recirculatiestroming van de brandstofrijke wervel. Door het op deze wijze 15 vormen van de smoormiddelen wordt eveneens een snelle vermenging bereikt van de lucht in de tweede holte 40 met verbrandingsprodukten komende vanuit de eerste holte 30 waardoor de reacties worden onderdrukt waardoor in de tweede holte thermisch NOx zou worden gevormd. Verder 20 zal de versterking van de recirculatie van de brandstof-rijke wervel werkzaam zijn om hete verbrandingsprodukten terug te doen keren voor vermenging met verse brandstof waardoor de vlamstabiliteit wordt verzekerd.

Om een snelle vermenging te vergemakkelijken 25 tussen gasvormig reactieprodukt toegevoerd via naast elkaar liggende ringvormige kanalen I2a-16a, worden de axiale doorsneden van de divergerende mondstukken 20-24 uitgevoerd in de vorm van een venturi. Zoals weergegeven in de fig. 1 en 2 is elk divergerend mondstuk 20-24 30 gevormd uit een ring met een doorsnede die naar binnen toe over een korte afstand convergeert tot een minimum inwendige diameter en dan geleidelijk aan divergeert naar de uitlaatopeningen. De naburige buiseinden van de ringvormige uitlaatopeningen zijn bij voorkeur omgebogen 35 ter voortzetting van de divergentie van elk mondstuk.

Voor het vergroten van de recirculatiestroming van de brandstofrijke wervel is het gewenst de hoek van de geleidingsschoepen 45 in te stellen voor het verkrijgen van de grootste wervelsnelheid in de binnenste ringvormige 40 doorgang. De wervelsnelheid neemt dan geleidelijk af 8200333 - 12 - bij toenemende radiale afstand vanaf de hartlijn L van de brander.

Ter verbetering van de recirculatiestroming van de brandstofrijke toroïdale wervel in de eerste 5 holte 30 neemt de axiale afstand tussen naast elkaar / liggende mondstukken radiaal vanaf de hartlijn L van de brander toe voor het bepalen van een concaaf gevormd omhulsel binnen de divergerende holte. Deze gebogen vorm strekt zich uit langs de toppen van divergerende mond-10 stukken zoals aangeduid met de lijn C.

Door het axiaal op afstand van elkaar plaatsen van divergerende mondstukken 22-24 in de tweede holte 40 voor het verkrijgen van een afgeknotte kegelvormige omtrek die zich langs de mondstukken uitstrekt (aangeduid 15 met de lijn C), wordt een grotere beheersing van de vorming van thermisch NOx verkregen.

De bovenstaande beschrijving van een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding dient slechts ter verduidelijking van de uitvinding. De uitvinding wordt 20 hierdoor dus niet beperkt en het zal duidelijk zijn dat vele wijzigingen mogëlijk zijn zonder buiten de uit-vindingsgedachte te vallen.

- conclusies - 8200333

Claims (10)

1. Verbrandingsinrichting voor een gasturbine ter verlaging van de emissie aan brandstof-gebonden en thermische stikstofoxyde-(NOx)-produkten tijdens de verbranding van brandstoffen met een hoog gehalte aan 5 stikstof en aan aromatische bestanddelen, met het kenmerk, dat de verbrandingsinrichting een aantal in hoofdzaak concentrische buizen (11-16) omvat, die ringvormige doorgangen (I2a,l6a) bepalen met centrale en ringvormige openingen aangebracht bij het ene einde van 10 de buizen voor het opnemen van brandstof en wervelend gasvormig reactieprodukt; een aantal in hoofdzaak concentrische ringvormige divergerende mondstukken (20-24) aangebracht binnen de doorgangen (12a-16a), waarbij de longitudinale afstand tussen ten minste twee mondstukken 15 zodanig is dat eerste en tweede divergerende holten (30,40) worden gevormd die met elkaar in verbinding staan, waarbij de tweede holte (40) zich stroomafwaarts van de eerste holte (30) bevindt en de afstand tussen de mondstukken een brandstofrijke en een brandstofarme toroïdale 20 wervel (T,T') vormt in respectievelijk de eerste en de tweede holte (30,40); en smoormiddelen (42,14a') zijn aangebracht tussen de eerste en de tweede holte (30,40) voor het scheiden van de brandstofrijke en de brandstof-arme wervels (T,T'), welke smoormiddelen (42,14a') bedien-25 baar zijn voor het regelen van de snelle vermenging van gasvormig reactieprodukt toegevoerd aan de tweede holte (40) met verbrandingsprodukten toegevoerd vanaf de eerste holte (30), voor het minimaliseren van de vorming van brandstof-gebonden en thermische NOx-produkten tijdens 30 de verbranding.

2. Verbrandingsinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat deze verder wervel-opwekkende middelen (45) omvat aangebracht in de ringvormige doorgangen (12a-16a) voor het meedelen van een wervel-35 snelheidscomponent aan het gasvormige reactieprodukt waardoor dit produkt kan roteren om een langsas (L) van de verbrandingsinrichting. 8200333 9 - 14 -

3. Verbrandingsinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de wervel-opwekkende middelen een aantal geleidingsschoepen (45) omvatten die vast zijn aangebracht binnen de ringvormige doorgangen 5 (12a,16a) in over de omtrek verdeelde punten onder een vooraf bepaalde schoephoek.

4. Verbrandingsinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de vooraf bepaalde hoek van de geleidingsschoepen (45) zodanig wordt gekozen 10 dat de grootste wervelsnelheid wordt bereikt in een binnenste ringvormige doorgang (12a) die in verbinding staat met de eerste holte (30), terwijl de wervelsnelheid geleidelijk aan afneemt met toenemende radiale afstand vanaf de langsas (L) van de verbrandingsinrichting (10), 15 waardoor de vorming mogelijk is van de toroidale wervels (T,T') voor het minimaliseren van brandstof-gebonden NQx-produkten.

5. Verbrandingsinrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk-, dat 20 elk der divergerende mondstukken (20-24) wordt gevormd door een ring met een venturi-vormige axiale dwarsdoorsnede ter verbetering van de snelle vermenging tussen naast elkaar liggende ringvormige doorgangen (12a-16a).

6. Verbrandingsinrichting volgens éën der 25 voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de smoormiddelen een buisdeel omvatten van een concentrische buis (14) die is aangebracht tussen de twee naast elkaar liggende mondstukken (21,22) die in lengterichting op afstand van elkaar staan voor het vormen van de eerste 30 en de tweede holten (30,40), welk buisdeel een convergerende sectie (14a') en een divergerende sectie (14b') bezit.

7. Verbrandingsinrichting volgens één der conclusies 1-5,met het kenmerk, dat de smoormiddelen middelen (42) omvatten voor het radiaal 35 injecteren van relatief kleine hoeveelheden van een medium met hoge druk stroomafwaarts en in de nabijheid van 8200333 w - 15 - _, ψ' een stilstandspunt van de brandstofrijke wervel, waardoor deze wervel wordt gestabiliseerd door vergroting van de stikstandsdruk terwijl verder de recirculerende stroming van de brandstofrijke wervel wordt versterkt.

8. Verbrandingsinrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat enkele van de concentrische ringvormige divergerende mondstukken (22,23,24), die de tweede divergerende holte (40) vormen, gasvormig reactieprodukt ontvangen 10 voor het voltooien van het verbrandingsproces door snelle vermenging met verbrandingsprodukten die worden toegevoerd vanaf de brandstofrijke wervel (T) via de smoormiddelen, welke menging optreedt zodanig dat de mengtemperatuur onder ongeveer 1600°K is, waardoor 15 een minimale vorming van thermisch NOx optreedt.

9. Verbrandingsinrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de divergerende mondstukken (20,21), die de eerste holte (30) vormen, axiaal op afstand van elkaar liggen voor 20 het vormen van een omhulsel (C) met concave begrenzingen, waarbij de divergerende mondstukken (22-24) die de tweede holte (40) vormen axiaal op afstand van elkaar liggen voor het vormen van een omhulsel (C *) met rechtlijnige begrenzingen. 25

10, Verbrandingsinrichting en gasturbine voorzien van een dergelijke verbrandingsinrichting als beschreven en/of weergegeven in de tekening. 8200333