NO312379B1

NO312379B1 - Brenner for gassturbiner

Info

Publication number: NO312379B1
Application number: NO20000715A
Authority: NO
Inventors: Nils Anders Roekke
Original assignee: Ulstein Turbine As
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2002-04-29
Also published as: US6609376B2; NO20000715D0; AU2001236221A1; JP2003522929A; EP1255952A1; NO20000715L; WO2001059369A1; US20030074885A1

Description

Oppfinnelsen gjelder en brenner for gassturbiner som angitt i innledningen til patentkrav 1.

Bakgrunn

Lavemisjons-brennere for gassturbiner er kjent f.eks. fra US-patentskrift 5.816.050 og WO 9207221. Gevinsten for lavemisjons-brennere blir ofte motvirket av ekstra kostnader og kompleksitet i injeksjonssystemet, styringssystemet og utformingen av selve brenneren.

Det må ikke bare tas hensyn til nitrogenoksider (NOx), men også utslipp av karbonmonooksid (CO), ubrente hydrokarboner (UHG)-og i de mestalvorlige tilfellene også sot og andre«sporelementer. Videre vil bestemmelsene for utslipp fra gassturbiner utvikle seg i retning mot å begrense utslippene i et videre driftsområde, noe som skaper alvorlige problemer for stabiliteten i brenneren, akustisk resonans og overdreven kompleksitet. Dette har sin årsak i naturen til de mest vanlige teknikkene for emisjonsstyring, såkalt "mager forblandet forbrenning" (LP), hvilket gir mindre stabilitet enn den tradisjonelle høyemisjons-forbrenningen med diffusjons-flamme (DF).

I europeisk patentsøknad 656.512 (Westinghouse Electric Corporation) blir det beskrevet en anordning med en brenner for gassturbiner, som omfatter et hus med et sentralt plassert innløpsrør for brennstoff, omgitt av to konsentriske, ringformete kammer som strekker seg inn i et forbrenningskammer med utvidet diameter. Brennstoffinnslippet fra et brennstofforråd skjer gjennom det sentralt plasserte røret. Midlene for å tilføre forbrenningsluft til de ringformete kamrene er forsynt med radiale strømvirvlere for å skape kontraroterende bevegelser av forbrenningslufta i de to ringformete kamrene. Brennstoffinnslippet til denne anordningen er rettet direkte inn i ei primær forbrenningssone som er skapt i en virveldanelse ved den fri enden av innløpsrøret for brennstoff: Denne utformingen skaper ei kort forbrenningssone, med meget høy temperatur ved enden av innløpsrøret for brennstoff. Den korte forbrenningssona vil skape uønskete emisjoner. Dessuten skaper anordningen av to konsentriske ringformete kammer alvorlige begrensninger for den minimale størrelsen på denne brenneren, sammen med kompleksiteten til utformingen, med et flertall innsprøytingspunkter, virvelblader og kanaler.

Formål

Oppfinnelsens hovedformål er å skape en forbedret brenner for gassturbiner.

Det er et ytterligere formål å skape en brenner for gassturbiner, som kan dimensjoneres for et bredt spekter av kapasiteter og som kan brukes innafor et bredt område av driftsvilkår.

Det er et ytterligere formål å skape en enkel og kostnadseffektiv teknologi for å redusere emisjon.

Oppfinnelsen

Brenneren i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er angitt i den karakteriserende delen av patentkrav 1. Foretrukne detaljer ved brenneren framgår av de avhengige patentkravene.

Som beskrevet i innledningen, er formålet med den foreliggende oppfinnelsen å tillate lavemisjon av NOx og CO over et bredt driftsområde, med en utforming som har lav kompleksitet og er kostnadseffektiv.

Brenneren i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan drives som en ett-trinns brenner eller som en flertrinns brenner med forskjellig orientering på det andre trinnet, enten som ei tangensielt plassert venturi-forbrenningssone eller som et koaksialt, sekundært trinn med tilsvarende utforming.

Ved en første utførelsesform av en brenner i samsvar med oppfinnelsen blir luft ført gjennom ei rekke radialt forløpende matekanaler hvor lufta blir satt i virvelbevegelse. Dette skaper en virvelstrøm i virvel-ringrommet, hvor brennstoff, væske og/eller gass, mates inn gjennom dyser inn i et sentralt nav, som også omfatter en sentralt plassert tennplugg for å gi tenning ved oppstarting. For å gi variasjoner i belastningen kan brennstoff også tilføres i virveldanneren. Lufta virvles opp i brennerrommet og blir deretter presset igjennom et konvergerende konisk utløp fra det hvirveldannende rommet. Denne utformingen skaper en sterk virvelstrøm ved innløpet til hoved-forbrenningssona. Ved starten av forbrenning dannes ei sone hvor virveldannelsen brytes ned med avløpsgass som resirkulerer og danner ei stabil tennkilde og hjelper til å redusere utslippene ved å senke reaksjonstemperaturen. Den gradvise tilsettingen av brennstoff og luft gjennom den sentrale gasstilførselen virker som ei aerodynamisk flertrinns forbrenningssone, som reduserer utslippene. Perfekt blandet brennstoff og luft vil dessuten blandes inn i den sentrale flammen ved høyere effektinnstillinger. gjennom blandingen i kanalene for virvelmating. Det koniske utløpet har dessuten den effekten at den stopper tilbakeslag av flammer i den forblandete strømmen, pga. denne hastighetsøkning den forårsaker.

Til forskjell fra kjente brennere, vil oppfinnelsen fremme blanding fra den sentrale brennstoffinjektoren, for å forbedre stabiliteten, men på den annen side vil den gradvise tilsettingen av brennstoff og luft og resirkulasjonen av avløpsgass forårsaket av virvelstrømmen, redusere reaksjonstemperaturen til et nivå hvor det kan oppnås lave utslipp. Dette kan dessuten oppnås uten noen bevegelige deler eller ved hjelp av varmeeksponert dyseanordninger.

To ytterligere utførelsesformer av brenneren er beskrevet, en hvor forbrenningsprosessen er delt i to adskilte brennstoff- og luft-innløpsåpninger, i begge tilfeller som en pilotbrenner som gir en fremragende stabilitet i forbrenningssystemet.

Ved den andre utførelsesformen dannes den sekundære (eller hoved) innløpsåpningen for brennstoff og luft av en tangensielt inngående venturi (Laval dyse) til hoved-forbrenningskammeret, sammensatt av et sylindrisk rør som er åpen ved den andre enden, hvor de varme gassene forlater brenneren for å skape ytelse i de etterfølgende turbintrinnene. En anordning for venturi-forblanding av brennstoff og luft er også beskrevet i US-patentskrift 5.638.674 og norsk patentskrift 303.551, men kombinasjonen av en første utførelsesform av brenneren med en venturi er ikke beskrevet andre steder. Til forskjell fra det nevnte US-patentskriftet, bruker oppfinnelsen ingen bevegelige deler og venturi- anordningen virker som hoved-blandeanordning som støttes av hovedbrenneren. De vanlige ulempene ved venturi-forblandere med lav stabilitet og begrenset arbeidsområde unngås ved den første utførelsesform av brenneren, hvilken gir varm utslippsgass for stabil tenning og at ved å overføre belastningen fra pilotbrenneren til venturi-brenneren, kan lave emisjoner oppnås over et større område.

Ved den tredje utførelsesformen, består de sekundære (eller hoved-) brennstoff- og innløpsåpningene av en ringformet kanal som er koaksial i forhold til hoved- pilotbrenneren, men består av de samme elementene som hovedbrenneren. Den første utførelsesformen av brenneren omfatter nå det sentrale røret for brennstoffinnsprøyting og en radialt forløpende virvelanordning. plassert ved innløpet til hovedbrenneren." Strømmen'til' den sekundære* brenneren er-ensrettet med strømmen i hovedbrenneren. Til forskjell fra f.eks. US-patentskrift 5.816.050, vil strømmene være ensrettet og utløpet fra pilotbrenneren og hovedbrenneren omfatter to konvergerende koniske elementer, som gir en betydelig økning i stabilitet og i resirkulasjon av utslippsstrøm.

Eksempel

(^pfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere under henvisning til de medfølgende tegningene, hvor: fig. 1 viser et aksialsnitt gjennom forbrenningskammeret til en første utførelsesform av oppfinnelsen,

fig. 2 viser et tverrsnitt etter linje A-A gjennom den radiale virveldanneren i fig. 1,

fig. 3 viser et diagram for det generaliserte brennstoff/luft-forholdet mellom diffusjonstrinnet og forblandingstrinnet ved forskjellige belastninger av brenneren vist i fig. 1,

fig. 4 viser et aksialsnitt gjennom en andre utførelsesform av oppfinnelsen,

fig. 5 viser et tverrsnitt etter linje A-A i fig. 4,

fig. 6 viser et diagram for det generaliserte brennstoff/luft-forholdet mellom pilotbrennér-trinnet og det sekundære (hoved) forblandingstrinnet ved forskjellige belastninger av brenneren vist i fig.5,

fig. 7 viser et aksialsnitt gjennom en tredje utførelsesform av oppfinnelsen, mens

fig. 8 et diagram for det generaliserte brennstoff/luft-forholdet mellom pilotbrenner-strinnet og det sekundære (hoved) forblandingstrinnet ved forskjellige belastninger av brenneren vist i fig 7.

I fig. 1 er det vist forbrenningskammeret for en lavemisjon-brenner i samsvar med oppfinnelsen. Brenneren omfatter et sylindrisk rør 10 (som også kan kalles en "kopp") plassert koaksialt i et sylindrisk hus 12. Røret 10 omfatter innløpsåpninger 14 for luft, plassert med en vinkel i forhold til ei radiell linje som starter ved den sentrale delen av et innløpsrør 16 for brennstoff. Det sentrale innløpssrøret 16 strekker seg inn i det sylindriske røret 10. Røret 16 omfatter radialt forløpende utløpsåpninger 15 for brennstoff, hvilke strekker seg inn i et ringformet luft/brennstoff-blandekammer eller ringkammer 28 som er avgrenset mellom det sylindriske røret 10 og innløpsrøret 16. Innløpsrøret 16 omfatter dessuten en tenner 30 for å tenne brennstoff/luftblandingen, særlig ved oppstarting. Tenneren 30 strekker seg fra utvendig i forhold til brenneren gjennom røret 16 og mot dens indre endevegg 17. Forholdet mellom diametrene til innløpsrøret 16 og til røret 10 kan fortrinnsvis være 0,3-0,6. Det sylindriske huset 12 er forbundet med en bærestruktur til gassturbinen ved hjelp av en flens 26 og bolter på kjent måte. Innløpsenden til det sylindriske huset 12 og røret 10 er lukket med ei plate

27 festet med bolter.

Det sylindriske røret 10 strekker seg inn i ei sylindrisk foring 18 for hovedforbrenning, over en konvergerende konisk innsnevring 20 i rørets 10 nedstrøms ende. På denne måten vil både den tangensielle og den aksielle hastighet til luft/brennstoff-blandingsstrømmen øke og skape intem røykgass-resirkulasjon, hvilket gir ei god tenningskilde for brennstoff/luft blandingen i pilottrinnet. Foringa 18 omfatter dessuten luftinnløp 22 langs omkretsen. Foringa 18 og huset 12 avgrenser mellom seg et ringformet rom 24 for tilførsel av luft. En del av denne lufttilførselen blir ført gjennom åpningene 22. Plasseringen av luftåpningene 14 er vist i fig. 2. Luftstrømmene gjennom luftåpningene 14 inn i ringrommet 28 skjer med en vinkel på radiell retning, og skaper dermed både en radiell og en tangentiell hastighetskomponent inn i ringrommet 28.

Tegningene viser også hvordan luftåpningene eller virveldannerne 14 omfatter ei rekke dyser på eiker 32 plassert mellom føringsbladene 31 til innløpsåpningene 14. Disse har til formål å sprøyte inn brennstoff for blanding med forbrenningslufta som strømmer gjennom innløpsåpningene 14 og hver dyse kan plasseres med den samme eller forskjellige radial stilling i forhold til senterlinja 33 gjennom brenneren. Som vist i fig. 2 er fortrinnsvis den radiale stillingen til eikene 32, målt fra senterlinja 33, forskjellig og ikke symmetrisk, dvs. at de er plassert på innbyrdes forskjellige radier målt fra senterlinja 33. Formålet med dette er å bryte eventuelle pulser i de parallelle luftinnslipp-elementene, for å redusere brennerstøyen.

I det følgende vil en foretrukket bruksmåte for brenneren bli beskrevet sammen med måten utslippene reduseres på.

Ved utførelsesformen i fig. 1 vil lufta komme inn i det sylindriske røret 10 ved innløpet til dette trinnet, hvor luft, eller ei blanding av luft og brennstoff, blir pumpet fra utstyrets kompressordel gjennom kanaler 25 og inn i innløpsåpningene 14. Brennstoff kan i tillegg tilsettes til innløpsåpningene 14 gjennom eikene 32 for blanding med forbrenningslufta. Lufta eller brennstoff/luftblandingen strømmer inn i det sylindriske røret 16 med både en radiell og en tangensiell hastighetskomponent, blir avbøyd av det sentrale innløpsrøret 16 og skaper en strøm som tilsvarer strømmen til en fri virvel, dvs. vq=wxr, idet vq er den tangensielle hastighetskomponenten og w er vinkelhastigheten med enheten radianer/sekund og r er radius i røret 10.

Virveltallet uttrykt ved forholdet til den tangensielle hastigheten vq/r, idet vr er den radiale hastighetskomponenten, vil måtte være mellom 0,6-1 ved innløpet til ringrommet 28. Dette tilsvarer til et detaljert virveltall S=Gq/(Gxr), idet Gq er den aksielle fluksen til vinkelmomentet og Gr er det aksielle momentet på 1-2,5, svarende til en sterk virveldannelse. Virvelstrømmen fortsetter nedstrøms langs ringrommet 28 inntil den når endeveggen 17 til innløpsrøret 16 for brennstoff, hvor arealet økes

pga. fraværet av det sentrale røret 16 og den fri virveldannelsen skaper dermed et lavtrykksområde 19

i volumet nedstrøms i forhold til innløpsrøret for brennstoff. Dette trykket er ved sitt minimum i området foran innløpsrøret 16. Virveldannelsen øker i størrelse i foringa 18 pga. utvidelsen i diameter og en nedbryting av virveldannelsen skjer pga. den uheldige trykkradienten ved senteret. Dette skaper ei sterk resirkulasjonssone, hvor brente og delvis brente varme forbrennings- og produktgasser resirkuleres inn. Pga. det lave trykket i pilottrinnet, vil de varme gassene strømme langs innsida av røret 10 langs sidene til innløpsrøret 16. Dette skaper ei meget stabil tennkilde for den nye innkommende blandingen av brennstoff og lufCDé varme gassene snur (i en radiell retning) når de når enden'av innløpsrøret 16 og blandes inn i et skjærlag med den nye luft/brennstoff-blandinga fra innløpsåpningene 14 og innløpsrøret 16.

Avhengig av utformingen kan det oppnås ei rik, intens flammesone i nærværet av en virveldominert strøm i røret 10, begrenset til en tykkelse på 1-5 mm. i reaksjonssona. Ved å bevege innløpsrøret 16 aksialt, kan den rotasjonssylinderen som skaper starten av forbrenningen tilpasses til forskjellige lengder. Pluggen 30 aktiveres for å starte forbrenningsprosessen.

Ved gassaktige brennstoff vil brennstoffet komme inn i ringrommet 28 gjennom rette hull 15 i innløpsrøret 16. Disse hullene er plassert med en betydelig avstand fra endedelen til innløpsrøret 16.

Et typisk mål kan være 1,5-5 ganger diameteren på innløpsrøret 16 oppstrøms fra enden. Disse hullene

kan være innrettet i ei enkel rekke eller i flere hulrekker, fortrinnsvis slik at det ved bruk av flere rekker sørges for at de er innbyrdes forskjøvet.

For væskeformete brennstoff vil et antall dyser plassert i innløpsrøret vende mot den roterende strømmen i ringrommet 28. Åpningene går i ett med flata til innløpsrøret 16, og forårsaker avsetting av en film med flytende brennstoff, som fordampes og til slutt kastes av den skarpe kanten ved enden 17 til innløpsrøret 16 i form av små dråper. På samme måte som for åpninger for innslipp av gass, er disse plassert betydelig oppstrøms på det sentrale røret 10 for gassinnslipp, ved 1,5-5 diameter oppstrøms. De små dråpene blir deretter ytterligere fordampet i den roterende strømmen i ringrommet 28 og i frontområdet 19.

Brennstoffet for hoved-forblandingstrinnet blir innsprøytet gjennom dyser på eikene 32 plassert mellom føringsbladene 31 i innløpsåpningene 14 som vist i fig. 2. Som nevnt kan den radielle stillingen til disse, målt fra senterlinja, varieres og trenger ikke nødvendigvis være symmetrisk og på samme radius, for å unngå forbrennings-pulseringer som er et kjent problem ved LP-forbrenning.

Måten som denne oppfinnelsen unngår de vanlige problemene ved dårlig stabilitet, kompleks geometri og begrenset driftsområde for lave emisjoner, er beskrevet i det følgende: blandingen av brennstoff/luft ved å sprøyte inn brennstoff nær veggen til det sentrale innløpsrøret 16 skaper ei delvis forblandet blanding som deretter tennes av de innkommende varme resirkulerte gassene. En del av denne strømmen blir dermed delvis forblandet og gir ei stabil forbrenningssone i skjærlaget. Reaksjonstemperaturen senkes pga. av resirkulasjonen av forbrenningsgasser, som virker som et varmesluk, idet reaksjonen finner sted i en meget intens flamme som senker topptemperaturen ytterligere og utvider reaksjonssona som forsinker brennstoff/luft-reaksjonene. Dessuten blir brennstoff gradvis innblandet i reaksjonssona, fra starten av forbrenningen ved stagnasjonspunktet for strømmen nær endeveggen 17 til innløpsrøret 16, fram til den fullstendig utvidete flammeformen. Flammesona i koppen 10 kjennetegnes av en strøm som er dominert av virveldannelse som gir rik forbrenning og med en karakteristisk diameter i samme størrelsesorden som innløpsrøret 16 og med en tykkelse på reaksjonssona på 1-5 mm.

Det er ingen kontakt mellom denne strømmen og de avgrensende veggene i røret 10. Blandeprosessen som utgår fra brenneren virker som et uendelig antall forbrenningstrinn, hvilket er gunstig for temperatursenkning og forbrenningsstyring. Det gir derfor de gunstige trekkene ved en diffusjonsflamme med hensyn til stabilitet og område, mens emisjons-adferden likner den for en mager, forblandet flamme. Stabilitetsområdet til det delvis forblandete trinnet er meget bredt pga. den spesielle formen og plasseringen til røret 10, den koniske innsnevringen 20 og innløpsrørets 16 og dysene 15.

Forblandingen (hovedtrinnet) tilføres brenneren gjennom innløpsåpningene 14. Formålet med dette er å blande brennstoffet med lufta, slik at dette trinnet kan drives med laveste mulig flammetemperatur. Denne blandinga tennes i hoved-forbrenningsrommet og danner en integrert flamme som kan betegnes "delvis forblandet trinn" (PPS). Hovedtrinnet kan understøtte en flamme ved et lavere brennstoff-luftforhold enn en ren forblandet flamme, pga. stabiliteten i dette trinnet, forvarmingen og den stabile tennkilda. Hoved-forblandetrinnet vil således være utformet for å brenne ved lavest mulig flammetemperatur som kan oppnås uten å avgi høye nivå med CO og UHC. Et generalisert diagram som angir brennstoff-delingen mellom PPS-trinnet og forblande-trinnet er vist i fig. 3. Prinsippet er således brennstoff-basert og ikke luft-basert.

Venturibrennere er grunnleggende ustabile, selv om fremragende lav emisjon kan oppnås over et begrenset belastningsområde. En typisk venturibrenner-form er beskrevet i norsk patentskrift 303.551. Den beskrevne konfigurasjonen har sitt grunnlag i det begrensete volumet for flammestabilisering og den korte oppholdstida til den sekundære venturibrenneren, noe som ikke er optimalt med hensyn til driftsvilkår og emisjonsforholdene ved deilast. En venturibrenner i kombinasjon med brenneren i Fig.

1 er vist il Fig. 4 og 5.

En venturibrenner 40, som nevnt i avsnittet ovenfor, er koblet til ei sylindrisk foring 18, tilsvarende det som er vist i fig. 1, nedstrøms i forhold til innsnevringen 20. Venturibrenneren 40 er montert for tangensiell innsprøyting av brennstoff/luft-blanding inn i det sylinderformete brennkammeret 18. Flammerøret og huset avgrenser et ringformet rom eller kanaler 42,44 mellom seg, for tilførsel av luft til brenneren 40.

Forbrenningslufta avgis til venturibrenneren 40 med gassturbinens kompressor (ikke vist) gjennom de nevnte kanalene og blandes med brennstoff i et system for virveldannelse og brennstofifnnslipp som vist i fig. 1 og 2. Innløpsrøret 16 til denne utførelsesformen er utformet som en integrert del med endeplata 27.

Ved utførelsesformen i fig. 4 vil den sentrale brenneren virke som en pilotbrenner, og gi stabilitet for hoved-venturibrenneren og denne stabiliteten oppnås med samme lave emisjoner som beskrevet ovenfor. Når den drives som en pilotbrenner, vil brennstofftilførselen i det minste skje gjennom PPS-trinnet og eventuelt også gjennom forblandingstrinnet. Gjennom det siste kan også lavere emisjoner av særlig NOx oppnås.

Virkemåten til den andre utførelsesformen som vist i fig. 4-6 er følgende: hoved-forblandingstrinnet består av venturi-brenneren 40, med blanding av brennstoffet som sprøytes inn gjennom dysene 41, ideHuft blir pumpet fram til forbrenneren fra gassturbinens luftkompf essof gjennom kanalene 42 og 44. Den enkelte venturibrenner sprøyter brennstoff/luft-blandinga tangentielt inn i det sylindriske forbrenningskammeret 18, og skaper en forbrenningsstrøm med sterk virvel. Brennstoffet forbehandles slik at blandingen blir homogen og mager. Pilottrinnet er ekvivalent med det som er beskrevet ovenfor i fig. 1 for den første utførelsesformen. Lufta går inn i det sylinderformete røret ved begynnelsen av dette trinnet, idet luft blir pumpet fra kompressoren gjennom kanalene 42, 44 og 46.

Vekselvirkningen mellom den forholdsvis ustabile forbrenningssona til venturibrenneren 40 og den stabile forbrenningen til den opprinnelige brenneren (pilottrinnet), skaper en stabil kombinasjon som vil forbedre driften av en slik forbrenner betydelig med hensyn til stabilitet, emisjoner og driftsområde. Rotasjonsretningen til venturistrømmen i hovedforbrenningsrøret 18 er samvirvling med pilotbrenneren. For å forenkle henviser beskrivelsen nedenfor bare til brennstoff som er sprøytet inn i PPS-trinnet (med delvis formiksing) slik det også er vist i diagrammet i fig. 6.

Ved lav belastning vil pilottrinnet bære hele brennstofflasta, og i denne situasjonen vil bare luft strømme igjennom venturibrenneren 40, i fig. 4. Ved en viss belastning blir hovedbrenneren 40 satt i virksomhet. På dette punktet blir den maksimale mengden av brennstoff spøytet inn i venturibrenneren 40 for å ha så høy temperatur som mulig med en begrensing på omtrent 1900K som ei øvre grense. Dette vil så stille strenge krav til pilotbrenneren, fordi brennstoffandelen er lav og pilotbrenneren derfor vil måtte drives med meget mager blanding. Dette er en situasjon hvor de fremragende stabilitetsegenskapene til pilotbrenneren kan utnyttes i fult monn. Pilotbrenneren kan støtte flammen ved lavere kombinasjoner av emisjoner og brennstoff/luft-forhold (FAR) enn kjente brennere. Ved full belastning er brennstoff-fordelingen innrettet for å oppnå den lavest mulige emisjonsgrad. Hovedstrømmen kan også virke under magrere betingelser enn normalt pga. den stabile tennkilda som dannes i pilottrinnet. Forbrenning med lav emisjon kan dermed oppnås og oscillasjoner i forbrenningen kan undertrykkes pga. stabiliteten i pilotforbrenningen.

I fig. 7 er det vist en tredje utførelsesform. En sentral pilotbrenner som ligner på brennerne i fig. 1 og 2 muliggjør drift på lignende måte, som en pilotbrenner og vil ha brennstoffinnsprøyting i det minste i PPS-trinnet. Koaksialt rundt pilotbrenneren er det plassert en ytterligere brenner med et rørformet element 62 med tilsvarende geometri som røret 10 til pilotbrenneren, og den omfatter også en konvergerende konisk innsnevring 64 som ligger noe lenger nedstrøms i brennkammeret 18 enn den tilsvarende koniske innsnevringen 20 til den indre pilotbrenneren. De innbyrdes koaksiale rørformete elementene 10 og 62 danner et ytterligere ringformet rom 68 som også er plassert koaksialt rundt det indre ringkammeret 28.

I det ytre rørformete elementet 62 vil røret eller koppen 10 til hovedbrenneren danne en sentralt brennstoff tilførsel, med funksjon og form som svarer til det sentrale innløpsrøret 16 som er beskrevet i tegningene foran.

Når det gjelder pilottrinnet, har den oppstrøms plasserte enden til det rørformete elementet 62 luftinnløp 66 gjennom hvilke luft kan blåses inn fra lufttilførselen 25. Luftinnløpene 66 er plassert aksialt nedstrøms i forhold til de tilsvarende luftinnløpene 14 til pilotbrenneren. Brennstoffdysene er utformet tilsvarende som innløpsåpningene 14 i fig. 1 og 2.

Generelt kan det anordnes et antall slike koaksiale trinn som vist i fig. 7.

For spesielle maskinutforminger og hvor driftsområdet er særlig stort og hvor det kreves lave emisjoner over hele driftsområdet til alle de emisjonstypene som er beskrevet foran, vil den tredje utførelsesformen gi optimal styring med disse parametrene med en mer komplisert utforming. Pilotbrenneren i fig. 7 vil ha brennstoffinnsprøyting i det minste i PPS-trinnet.

En brenner som har et antall av de nevnte koaksiale trinnene kan være gunstig for spesielle formål i driftskrav (meget omfattende og/eller syklisk drift) eller for spesielle maskintyper/bruksområder, med frakoblet luftstrøm og effekt. Rotasjonsretningene til strømmene som kommer ut av pilotbrenneren er fortrinnsvis like.

I fig. 8 er det vist hvordan driften av denne utførelsesformen blir ved en to-trinns utforming, idet det generelt kan brukes et ubegrenset antall trinn på bekostning av kompleksiteten. Pilotbrenneren driver utstyret opp til en bestemt belastning hvor hovedbrenneren settes i drift ved et bestemt nivå for brennstoff-fordeling. Hovedbrenneren avgir ei homogen blanding av brennstoff og luft til pilot-forbrenningssona (som beskrevet foran). Ved kontakt med pilotflammen vil hovedflammen starte og brenne stabilt, idet stabiliteten blir sørget for av piloten pga. de varme gassene som er tilgjengelig for stabil tenning av den forholdsvis magre blandinga som kommer fra hovedbrenneren. Forblandinga i hovedbrenneren og PPS/forblandinga sikrer lave emisjoner. Emisjonene ved 100% belastning er tilpasset med hensyn på brennstoff-fordeling, slik at det kan oppnås så lav emisjon som mulig.

Ved ytterligere koaksiale trinn vil den samme prosedyren bli gjentatt, med et nytt trinn satt i drift ved en høyere belastning til en viss brennstoff-fordeling og deretter kan tilpasning av den endelige oppdelingen ved full belastning, som gir minimale emisjoner.

Claims

1. Brenner for gassturbiner, omfattende et sylindrisk hus (10) og et brennstoff-innløpsrør (16) plassert sentralt i dette huset, idet huset og innløpsrøret sammen danner et ringformet kammer (28) som strekker seg inn i et brennkammer (18) med utvidet diameter, hvilket har midler (25) for tilførsel av forbrenningsluft til det ringformete kammeret (28), hvor radiale strømningsvirvlere (14) er anordnet på dette midlet (25) for å skape en roterende bevegelse av forbrenningslufta i det ringformete kammeret, karakterisert ved"" - at huset (10) som danner det ringformete kammeret (28) har en nedstrøms innsnevring (20) i fronten av den fri enden til det sentralt plasserte innløpsrøret for brennstoff (16), ved inngangen til brennkammeret (18), for å skape en strøm av ei blanding av luft og brennstoff, som domineres av en rørformet virvel av ei blanding av luft og brennstoff, med en resirkulerende sentral kjeme, hvilken tubulært roterende strøm strekker seg inn i brennkammeret (18) og - at innløpsrøret (16) for brennstoff har et flertall innløpsdyser (15) anordnet i ei rekke i en avstand fra den fri enden til røret som utgjør minst ca. 1,5 ganger diameteren til innløpsrøret.

2. Brenner i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at innsnevringen (20) ved enden av det ringformete kammeret (28) har et forhold på 0,6-0,9 av kammerets diameter, for å skape en tubulær virveldannelse som strekker seg inn i brennkammeret (18).

3. Brenner i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved at den aksiale avstanden mellom innsnevringen (20) fra den fri enden av innløpsrøret (16) utgjør 0,2-3 av diameteren på innsnevringen.

4. Brenner i samsvar med et av patentkravene 1-3, karakterisert ved ei rekke aksiale eiker (32) med innløpsdyser for brennstoff, hvilke eiker krysser innløpet til det ringformete kammeret (28), og at dysene er anordnet i varierende radielle posisjoner for å bryte eventuelle pulser i de parallelle lufttilførslene, for å redusere støyen i brenneren.

5. Brenner i samsvar med et av patentkravene 1-4, karakterisert ved at de nedstrøms plasserte innløpsdysene (15) til røret (16) for brennstofftilførsel går over i rørets overflate, slik at de danner en film av flytende brennstoff på overflata av innløpsrøret.

6. Brenner i samsvar med patentkrav 5, karakterisert ved at avstanden til rekka av dyser (15) fra den fri enden av innløpsrøret (16) er 1,5-5 ganger rørdiameteren.

7. Brenner i samsvar med et av patentkravene 1-6, karakterisert ved at et venturi-luftblandende organ (40) er plassert tangensielt i forhold til hoved-forbrenningskammeret (18) opptil den nedstrøms enden (20) av det sylinderformete huset (10).

8. Brenner i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at et andre hus (62) omgir det første sylindriske huset (10) koaksialt og strekker seg en strekning nedstrøms, utenfor den innsnevrete endedelen (20) til det første huset (10) og at den nedstrøms enden til det andre huset (62) strekker seg inn i en innoverrettet konisk del (64) som danner en innsnevring, hvor det første og det andre huset (10, < 62) innbyrdes avgrenser et andre ringformet kammer (68), hvor den oppstrøms enden til det andre huset (62) omfatter midler (66) for tilførsel av forbrenningsluft og/eller ei brennstoff/luft-blanding inn i det andre ringformete kammeret.

9. Brenner i samsvar med et av patentkravene 1-8, karakterisert ved at innsnevringen (20) i det ringformete kammeret (28) har en konisk avsmalning.