WO1999046540A1 - Brennkammer und verfahren zum betrieb einer brennkammer - Google Patents

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WO1999046540A1
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combustion
heat shield
burner
fuel
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Gerwig Poeschl
Heinrich Pütz
Stefan Hoffmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F23D—BURNERS
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    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/16—Radiant burners using permeable blocks
    • 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
    • F23R3/002—Wall structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber with a combustion chamber wall and with an inner lining formed from a multiplicity of heat shield elements, and to a method for operating a combustion chamber.
  • EP 0 597 137 B1 describes an annular combustion chamber for a gas turbine.
  • the combustion chamber is divided into a primary zone and a secondary zone.
  • the primary zone and the secondary zone each have a flow-limiting wall, which are cooled independently of one another by cooling air.
  • the wall of the secondary zone is double-walled. It connects to the wall of the primary zone, which is formed by a segment support for segments of a refractory lining.
  • the cooling air first flows through the double-walled wall of the secondary zone, then flows through the segment carrier and the segments of the
  • EP 0 576 697 B1 describes a combustion chamber of a gas turbine in which, in addition to classic burner types, catalytic burners are also used. Premix burners are used as classic burner types, with which the main combustion is carried out. The combination of these burner types results in a simpler regulation in the event of changing load states of the gas turbine.
  • the object of the invention is to provide a combustion chamber which enables the supply of fuel and combustion air in a particularly simple construction.
  • Another object of the invention is to provide a method for operating a combustion chamber by means of which a staged combustion is made possible in a particularly simple manner.
  • the task aimed at specifying a combustion chamber is achieved by a combustion chamber with a combustion chamber wall and with an inner lining formed from a multiplicity of heat shield elements, at least one heat shield element functioning as a burner being a burner heat shield element st to which a fuel supply for supplying fuel and a combustion air supply for the supply of combustion air are connected upstream.
  • a heat shield element which is part of the fireproof inner lining of the combustion chamber, is used as the burner.
  • a burner heat shield element is supplied with fuel and combustion air and either discharged into the combustion chamber or burned directly in or on the heat shield element.
  • a premixing chamber, into which the fuel and the combustion air can be introduced, is preferably connected upstream of the burner heat shield element. Fuel and combustion air are only fed into the premixing room, where there is a fuel-air mixture 3 is formed. This fuel-air mixture is then fed to the burner heat shield element. This results in a homogeneous fuel-air mixture that is favorable for combustion.
  • the combustion chamber has an outer side, along which a fuel line preferably extends, from which fuel can be admitted into the premixing chamber.
  • a fuel line could e.g. in the case of an annular combustion chamber, an annular line running around the combustion chamber wall in the circumferential direction of the annular combustion chamber, from which e.g. fuel can also be supplied in a simple manner for a plurality of burner heat shield elements which are arranged along this circumferential direction.
  • a combustible gas stream can preferably be passed through the combustion chamber along an expansion direction from an inlet side to an outlet side, at least one burner being provided for a first stage of combustion, and wherein a second stage of combustion can be generated by the burner heat shield element downstream of the first stage is.
  • a second stage of a two-stage combustion is implemented in a simple manner via the burner heat shield element.
  • further stages of combustion can also be provided.
  • Due to the two-stage or multi-stage combustion a reaction zone of the combustion is distributed over a larger volume. This results in a lower tendency to form combustion vibrations in the combustion chamber. Such combustion vibrations can cause considerable damage to the combustion chamber.
  • the use of at least two burners results in a wide parameter range for controlling the combustion.
  • the fuel supply to the burner heat shield element can be omitted, so that only air flows into the combustion chamber through the burner heat shield element.
  • the use of the burner heat shield element results in an improved cooling capacity for cooling the inner lining of the combustion chamber, since a comparatively large amount of cooling combustion air can be fed to the burner heat shield element.
  • another advantage is that the air mass flow through the first stage burner can be reduced. This has the particular consequence that the burner can be made smaller. This has the advantage, for example, that the burner can be removed in a simpler manner from a housing surrounding it.
  • the burner heat shield element extends along the
  • the premixing chamber is preferably located between the combustion chamber wall and the burner heat shield element, and an outlet opening is provided in the region of the second end, which connects the premixing chamber to the combustion chamber.
  • the arrangement of the premixing chamber and the outlet opening arranged downstream result in a flow-related connection of the premixing chamber to the combustion chamber, which is distinguished by a particularly low flow resistance.
  • Cooling air can preferably be supplied to the burner heat shield element, the cooling air being simultaneously usable as combustion air.
  • the heat shield elements are frequently cooled in that cooling air is led from the outside of the combustion chamber wall, for example through bores to the rear of the heat shield elements.
  • the burner heat shield element preferably has a material provided with numerous cavities, the fuel and the combustion air being able to be supplied in such a way that combustion can be generated within this material.
  • a burner heat shield element represents a so-called pore burner. Fuel and combustion air are therefore burned in the cavities or pores, the material heating up. On the one hand, this leads to a good stabilization of the combustion. On the other hand, the pore structure has a strong damping effect on combustion vibrations.
  • the advantage of the lower flame temperature can also be used to supply more fuel to the burner heat shield element and therefore less fuel to the burner of a first stage. This reduces the formation of such combustion vibrations, which can be caused by the burner of the first stage.
  • the material is preferably a foamed ceramic, in particular zirconium oxide or silicon carbide.
  • Such materials are e.g. B. can be produced in that the ceramic is introduced into a foam-forming support material and, after foaming and curing has taken place, the support material is etched away, so that a porous ceramic remains.
  • the combustion chamber is preferably designed as an annular combustion chamber forming an annular space, a plurality of heat shield elements being designed as burner heat shield elements along a circumferential direction of the annular space. Most of the heat shield elements arranged along a circumferential direction are preferably designed as burner heat shield elements. This results in a uniform distribution of the second stage of combustion over the circumference of the annular combustion chamber.
  • the combustion chamber is preferably used in a gas turbine, in particular in a stationary gas turbine.
  • the gas turbine preferably has an output greater than 60 MW.
  • the object of specifying a method is achieved by a method for operating a combustion chamber with a combustion chamber wall and with an inner lining formed from a multiplicity of heat shield elements, at least one of the heat shield elements being supplied with fuel and combustion air for combustion in the combustion chamber.
  • the fuel and the combustion air are preferably first mixed, then fed to the heat shield element, then discharged into the combustion chamber and burned there.
  • the fuel and the combustion air are more preferably burned within a porous structure of the heat shield element.
  • a first stage of a combustion preferably takes place first, with a second stage of the combustion then taking place via the heat shield element. 7
  • the method is further preferably carried out in a combustion chamber, in particular in an annular combustion chamber, of a gas turbine.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an annular combustion chamber of a gas turbine
  • FIG. 4 shows a burner heat shield element made of a porous material.
  • FIG 1 shows a longitudinal section through an annular combustion chamber 1 for a gas turbine.
  • the annular combustion chamber 1 is rotationally symmetrical about an axis 2. For the sake of clarity, only one half of the longitudinal section is shown.
  • the annular combustion chamber 1 has a combustion chamber wall 3.
  • the combustion chamber wall 3 encloses an annular space 4.
  • the inner wall of the combustion chamber wall 3 is lined with an inner lining 5.
  • the inner lining 5 is formed by a multiplicity of heat shield elements 6.
  • heat shield elements 6 consist, for example, of refractory ceramic.
  • a burner system 7 opens into the annular combustion chamber 1. This is formed by a diffusion burner 8 and a premix burner 9, which surrounds the diffusion burner 8 in the form of an annular channel.
  • the burner system 7 is arranged on an end 11 of the annular combustion chamber 1 on the burner side.
  • At an end 11 opposite the burner side Above the turbine-side end 13 is a gas turbine 15 shown schematically.
  • fuel 17A is supplied to the pilot burner 8.
  • Combustion air 18A is also supplied to the pilot burner 8.
  • the fuel 17A and the combustion air 18A are burned via a diffusion operation of the pilot burner 8 in the annular space 4 of the annular combustion chamber 1.
  • a mixture of fuel 17B and combustion air 18B ignites at the flame of this combustion stabilized on the pilot burner 8 and is fed to the premix burner 9.
  • the exhaust gas 20 generated by the combustion emerges from the turbine-side end 13 of the annular combustion chamber 1 and drives the gas turbine 15.
  • FIG. 2 shows a section of a longitudinal section corresponding to FIG. 1 through an annular combustion chamber 1.
  • One of the heat shield elements 6 is designed as a burner heat shield element 22.
  • the burner heat shield element 22 is screwed onto the combustion chamber wall 3 with a screw 24.
  • 22 through holes 26 are provided in the combustion chamber wall 3 behind the burner heat shield element.
  • On the outside 28 of the Brennka merwand 3, a fuel line 30 is also provided.
  • a through bore 32 of the combustion chamber wall 3 leads from the fuel line 30 to a premixing chamber 34, which is formed by the burner heat shield element 22 abutting the combustion chamber wall 3.
  • the through holes 26 also open into the premixing chamber 34.
  • the burner heat shield element 22 extends from a first end 23 to a second end 25. 9
  • the burner heat shield element 22 is now used in the following manner for a second stage of combustion in the annular combustion chamber 1:
  • Fuel 36 preferably natural gas
  • combustion air 38 is fed to the premixing chamber 34 via the through holes 26.
  • the natural gas 36 mixes with the combustion air 38.
  • an outlet opening 40 is provided, which discharges the natural gas-air mixture 42 into the annular combustion chamber 1.
  • the natural gas-air mixture 42 ignites in the hot annular combustion chamber 1. This forms a second stage of combustion. With this second stage, the reaction zone of the combustion taking place in the annular combustion chamber 1 is enlarged. This leads to a reduced tendency to form combustion vibrations.
  • the considerable combustion air flow 38 also leads to a high cooling capacity for the burner heat shield element 22 and also for the further heat shield elements 6 located downstream of the burner heat shield element 22.
  • FIG. 3 again shows an enlarged and schematic illustration of a burner heat shield element 22 arranged on the burner chamber wall 3.
  • the corresponding explanations apply as for FIG. 2.
  • the burner heat shield element 22 is formed from a porous material 44. It is fastened to the combustion chamber wall 3 with clips 46.
  • a wall 48 is provided opposite the burner heat shield element 22 which surrounds the premixing chamber 34.
  • a fuel line 30 is integrated into the wall 48. Openings 50 are also provided in the wall 48. 10 seen.
  • the premixing chamber 34 is connected in terms of flow technology to the burner heat shield element 22 through perforations 26 in the combustion chamber wall 3.
  • Combustion air 38 enters the premixing chamber 34 via the openings 50.
  • Fuel preferably natural gas, also arrives in the premixing chamber 34 from the fuel line 30.
  • the fuel-air mixture 42 passes from the premixing chamber 34 into the burner heat shield via the perforations 26. element 22.
  • the fuel-air mixture 42 penetrates into the porous material 44.
  • the heat in a combustion chamber ignites the fuel-air mixture 42 and burns within the pores of the porous material 44.
  • the porous material 44 heats up. This leads to a particularly stable combustion.
  • a combustion oscillation is suppressed by the pore structure of the porous material 44.
  • the porous material 44 radiates heat. As a result, the flame temperature of the combustion within the porous material 44 is comparatively low. This in turn means that fewer nitrogen oxides are formed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer (1) mit aus einer Vielzahl von Hitzeschildelementen (6) gebildeten Innenauskleidung (5), wobei mindestens ein als Brenner fungierendes Hitzeschildelement (5) ein Brenner-Hitzeschildelement (22) ist, dem eine Brennstoffzuführung (30) für Brennstoff (36) und eine Verbrennungsluftzuführung (26) für Verbrennungsluft (38) vorgeschaltet sind.

Description

1 Beschreibung
Brennkammer und Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer
Die Erfindung betrifft eine Brennkammer mit einer Brennkammerwand und mit einer aus einer Vielzahl von Hitzeschildele- menten gebildeten Innenauskleidung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer.
In der EP 0 597 137 Bl ist eine ringförmige Brennkammer für eine Gasturbine beschrieben. Die Brennkammer ist in eine Primarzone und eine Sekundarzone unterteilt. Die Primarzone und die Sekundarzone weisen jeweils eine stromungsbegrenzende Wandung auf, die voneinander unabhängig durch Kuhlluft ge- kühlt sind. Die Wandung der Sekundarzone ist doppelwandig ausgeführt. Sie schließt sich an die Wandung der Primarzone an, welche durch einen Segmenttrager für Segmente einer feuerfesten Auskleidung gebildet ist. Die Kuhlluft durchströmt zunächst die doppelwandige Wandung der Sekundarzone, strömt anschließend durch den Segmenttrager und die Segmente der
Primarzone und wird schließlich einem Brenner zur Verbrennung zugeführt .
In der EP 0 576 697 Bl ist eine Brennkammer einer Gasturbine beschrieben, in welcher gleichzeitig neben klassischen Brennertypen auch katalytische Brenner zum Einsatz gelangen. Als klassische Brennertypen kommen Vormischbrenner zum Einsatz, mit denen die Hauptverbrennung durchgeführt wird. Durch die Kombination dieser Brennertypen ergibt sich eine einfachere Regelung bei sich ändernden Lastzustanden der Gasturbine.
In dem Artikel "Options for Low Emissions", von Richard J. Antos, Low NOx Gas Turbines, Mai 1996, Seite 43, ist eine Gasturbine mit einer zweistufigen Verbrennung beschrieben. In einer Primarzone erfolgt eine erste Stufe der Verbrennung mit Hilfe eines Vormischbrenners, der durch einen Diffusionsbren- ner stabilisiert ist. An den Verbrennungsraum für die Primär- 2 zone schließt sich ein größerer Verbrennungsraum für eine Sekundarzone an, in der eine zweite Stufe der Verbrennung ablauft. Dazu wird über eine Anzahl von Offnungen m der Brennkammerwand am Eintritt der Sekundarzone ein vorgemischtes Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt. Das Brennstoff-Luft-Ge- misch zündet im heißen Abgas, welches von der Primarzone in die Sekundarzone eintritt. Damit ergibt sich die zweite Stufe der Verbrennung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer anzugeben, die in besonders einfacher Bauart eine Zufuhr von Brennstoff und von Verbrennungsluft ermöglicht. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb einer Brennkammer, durch welches in besonders einfacher Weise eine ge- stufte Verbrennung ermöglicht ist.
Erfmdungsgemaß wird die auf Angabe einer Brennkammer gerichtete Aufgabe gelost durch eine Brennkammer mit einer Brennkammerwand und mit einer aus einer Vielzahl von Hitzeschild- elementen gebildeten Innenauskleidung, wobei mindestens ein als Brenner fungierendes Hitzeschildelement ein Brenner-Hitzeschildelement st, dem eine Brennstoffzufuhrung zur Zufuhrung von Brennstoff und eine Verbrennungsluftzufuhrung zur Zufuhrung von Verbrennungsluft vorgeschaltet sind.
In einer solchen Brennkammer wird eine Verbrennung in baulich besonders einfacher Weise dadurch ermöglicht, daß ein Hitze- schildelement, welches Bestandteil der feuerfesten Innenauskleidung der Brennkammer ist, als Brenner benutzt wird. Einem solchen Brenner-Hitzeschildelement wird Brennstoff und Verbrennungsluft zugeführt und entweder in die Brennkammer ausgelassen oder direkt im oder am Hitzeschildelement verbrannt.
Bevorzugt ist dem Brenner-Hitzeschildelement ein Vormischraum vorgeschaltet, m den der Brennstoff und die Verbrennungsluft einleitbar sind. Brennstoff und Verbrennungsluft werden erst dem Vormischraum zugeführt, wo ein Brennstoff-Luft-Gemisch 3 gebildet wird. Dieses Brennstoff-Luft-Gemisch wird anschließend dem Brenner-Hitzeschildelement zugeführt. Damit ergibt sich ein für die Verbrennung günstiges homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch .
Die Brennkam erwand weist eine Außenseite auf, entlang der sich bevorzugt eine Brennstoffleitung erstreckt, aus der Brennstoff in den Vormischraum einlaßbar ist. Eine solche Brennstoffleitung könnte z.B. bei einer Ringbrennkammer eine in Umfangsrichtung der Ringbrennkammer um die Brennkammerwand umlaufende Ringleitung sein, aus der z.B. auch in einfacher Weise für eine Vielzahl von Brenner-Hitzeschildelementen, welche entlang dieser Umfangsrichtung angeordnet sind, Brennstoff zugeführt werden kann.
Vorzugsweise ist durch die Brennkammer entlang einer Ausdehnungsrichtung ein Brenngasstrom von einer Eintrittsseite bis zu einer Austrittsseite führbar, wobei mindestens ein Brenner für eine erste Stufe einer Verbrennung vorgesehen ist, und wobei durch das Brenner-Hitzeschildelement stromab von der ersten Stufe eine zweite Stufe der Verbrennung erzeugbar ist.
Über das Brenner-Hitzeschildelement wird in einfacher Weise eine zweite Stufe einer zweistufigen Verbrennung realisiert. Natürlich können auch weitere Stufen der Verbrennung vorgesehen sein. Durch die Zweistufigkeit oder Mehrstufigkeit der Verbrennung wird eine Reaktionszone der Verbrennung auf ein größeres Volumen verteilt. Damit ergibt sich in der Brennkammer eine geringere Neigung zur Ausbildung von Verbrennungs- Schwingungen. Solche Verbrennungsschwingungen können u.U. erhebliche Schäden in der Brennkammer hervorrufen. Weiterhin ergibt sich für eine zweistufige oder eine mehrstufige Verbrennung eine besonders gute Regelbarkeit zur Anpassung an unterschiedliche Leistungsabgaben, d.h. Lastzustände, z.B. für eine unter verschiedenen Belastungen betriebene Gasturbine. Wird durch das Abgas der Brennkammer eine Gasturbine angetrieben, so ist für die Verbrennung ein je nach der Bela- 4 stung der Gasturbine ausgerichtetes Brennstoff-Luft-Verhalt- nis erforderlich. Durch die Verwendung von mindestens zwei Brennern ergibt sich ein weiter Parameterbereich für die Regelung der Verbrennung. Darüber hinaus kann z.B. - falls er- forderlich - die Brennstoffzufuhr zum Brenner-Hitzeschildelement unterbleiben, so daß durch das Brenner-Hitzeschildelement lediglich Luft in die Brennkammer einströmt. Weiterhin ergibt sich mit der Verwendung des Brenner-Hitzeschildelemen- tes eine verbesserte Kühlleistung für die Kühlung der Innen- auskleidung der Brennkammer, da dem Brenner-Hitzeschildelement eine vergleichsweise große Menge an kühlender Verbrennungsluft zugeführt werden kann. Schließlich ist ein weiterer Vorteil, daß der Luftmassenstrom durch den Brenner der ersten Stufe verringert werden kann. Dies hat insbesondere zur Folge, daß der Brenner kleiner ausgeführt werden kann. Damit ergibt sich z.B. der Vorteil, daß der Brenner m einfacherer Art und Weise aus einem ihn umgebenden Gehäuse ausgebaut werden kann.
Das Brenner-Hitzeschildelement erstreckt sich entlang der
Ausdehnungsrichtung von einem ersten Ende bis zu einem zweiten Ende, wobei der Vormischraum vorzugsweise zwischen der Brennkammerwand und dem Brenner-Hitzeschildelement liegt und wobei im Bereich des zweiten Endes eine Auslaßoffnung vorge- sehen ist, die den Vormischraum mit dem Brennraum verbindet. Durch die Anordnung des Vormischraumes und mit der stromab angeordneten Auslaßoffnung ergibt sich eine stromungstechni- sche Verbindung des Vormischraums zur Brennkammer, die sich durch einen besonders niedrigen Stromungswiderstand auszeich- net.
Bevorzugt ist dem Brenner-Hitzeschildelement Kuhlluft zufuhrbar, wobei die Kuhlluft gleichzeitig als Verbrennungsluft verwendbar ist. Die Hitzeschildelemente werden häufig dadurch gekühlt, daß Kuhlluft von der Außenseite der Brennkammerwand z.B. durch Bohrungen an die Hinterseite der Hitzeschildele- mente gefuhrt wird. Durch die Ausnutzung dieser Kuhlluftzu- 5 fuhrung als Verbrennungsluftzufuhrung ergibt sich eine besonders einfache Zufuhr von Verbrennungsluft zum Brenner-Hitzeschildelement.
Vorzugsweise weist das Brenner-Hitzeschildelement ein m t zahlreichen Hohlräumen versehenes Material auf, wobei der Brennstoff und die Verbrennungsluft so zufuhrbar sind, daß eine Verbrennung innerhalb dieses Materials erzeugbar ist. Ein solches Brenner-Hitzeschildelement stellt einen sogenann- ten Porenbrenner dar. Brennstoff und Verbrennungsluft werden also in den Hohlräumen oder Poren verbrannt, wobei sich das Material aufheizt. Dies fuhrt einerseits zu einer guten Stabilisierung der Verbrennung. Andererseits wirkt die Porenstruktur auf Verbrennungsschwingungen stark dampfend. Diese beiden Eigenschaften eines Porenbrenners fuhren dazu, daß sich über eine Verbrennung in einem Porenbrenner nahezu keine Verbrennungsschwingung ausbildet. Weiterhin strahlt das Material, welches sich wahrend der Verbrennung wie erwähnt stark aufheizt, eine erhebliche Menge an Warme ab. Dies fuhrt dazu, daß die Flammentemperatur der Verbrennung innerhalb des Materials vergleichsweise niedrig ist. Dies hat wiederum zur Folge, daß weniger Stickoxide gebildet werden. Der Vorteil der niedrigeren Flammentemperatur kann aber auch dazu benutzt werden, dem Brenner-Hitzeschildelement mehr Brennstoff und dafür dem Brenner einer ersten Stufe weniger Brennstoff zuzuführen. Dies vermindert die Ausbildung von solchen Verbrennungsschwingungen, welche vom Brenner der ersten Stufe hervorgerufen werden können.
Vorzugsweise ist das Material eine aufgeschäumte Keramik, insbesondere Zirkonoxid oder Siliziumkarbid. Solche Materialien sind z. B. dadurch herstellbar, daß in ein schaumbildendes Tragermateπal die Keramik eingebracht wird und nach einer erfolgten Aufschaumung und Aushärtung das Tragermaterial weggeatzt wird, so daß eine poröse Keramik übrig bleibt. 6 Bevorzugtermaßen ist die Brennkammer als eine einen Ringraum bildende Ringbrennkammer ausgebildet, wobei entlang einer Umfangsrichtung des Ringraums eine Mehrzahl von Hitzeschildele- menten als Brenner-Hitzeschildelemente ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der größte Teil der entlang einer Umfangsrichtung angeordneten Hitzeschildelemente als Brenner-Hitze- schildele ente ausgebildet. Somit ergibt sich eine gleichmaßige Verteilung der zweiten Stufe der Verbrennung über den Umfang der Ringbrennkammer.
Bevorzugt wird die Brennkammer m einer Gasturbine, insbesondere in einer stationären Gasturbine verwendet. Vorzugsweise hat die Gasturbine eine Leistung großer als 60 MW.
Erfmdungsgemaß wird die auf Angabe eines Verfahrens gerichtete Aufgabe gelost durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer mit einer Brennkammerwand und mit einer aus einer Vielzahl von Hitzeschildelementen gebildeten Innenauskleidung, wobei mindestens einem der Hitzeschildelemente Brenn- Stoff und Verbrennungsluft für eine Verbrennung in der Brennkammer zugeführt werden.
Die Vorteile eines solchen Verfahrens ergeben sich entsprechend den obigen Ausfuhrungen zu den Vorteilen der Brennkam- mer.
Vorzugsweise werden der Brennstoff und die Verbrennungsluft zunächst gemischt, dann dem Hitzeschildelement zugeführt, anschließend in die Brennkammer ausgelassen und dort verbrannt. Weiter bevorzugt werden der Brennstoff und die Verbrennungsluft innerhalb einer porösen Struktur des Hitzeschildelemen- tes verbrannt.
Bevorzugt lauft zunächst eine erste Stufe einer Verbrennung ab, wobei anschließend über das Hitzeschildelement eine zweite Stufe der Verbrennung erfolgt. 7 Weiter bevorzugt wird das Verfahren in einer Brennkammer, insbesondere in einer Ringbrennkammer, einer Gasturbine durchgeführt .
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 ein Längsschnitt durch eine Ringbrennkammer einer Gasturbine,
FIG 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Ringbrennkammer mit einem Brenner-Hitzeschildelement,
FIG 3 ein Brenner-Hitzeschildelement und
FIG 4 ein Brenner-Hitzeschildelement aus einem porösen Material .
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ringbrennkammer 1 für eine Gasturbine. Die Ringbrennkammer 1 liegt rotationssymmetrisch um eine Achse 2. Der Übersichtlichkeit halber ist nur eine Hälfte des Längsschnittes gezeigt. Die Ringbrennkammer 1 weist eine Brennkammerwand 3 auf. Die Brennkammerwand 3 umschließt einen Ringraum 4. Die Innenwand der Brennkammerwand 3 ist mit einer Innenauskleidung 5 ausgekleidet. Die Innenauskleidung 5 wird durch eine Vielzahl von Hitzeschildele- menten 6 gebildet. Solche Hitzeschildelemente 6 bestehen z.B. aus feuerfester Keramik. In die Ringbrennkammer 1 mündet ein Brennersystem 7. Dieses wird gebildet durch einen Diffusionsbrenner 8 und einen Vormischbrenner 9, welcher den Diffusionsbrenner 8 in Form eines Ringkanals umgibt. Das Brennersy- ste 7 ist an einem brennerseitigen Ende 11 der Ringbrennkammer 1 angeordnet. An einem dem brennerseitigen Ende 11 gegen- überliegenden turbinenseitigen Ende 13 schließt sich eine schematisch dargestellte Gasturbine 15 an.
Bei Verwendung einer solchen Ringbrennkammer 1 in einer hier nicht dargestellten Gasturbinenanlage wird dem Pilotbrenner 8 Brennstoff 17A zugeführt. Dem Pilotbrenner 8 wird ebenfalls Verbrennungsluft 18A zugeführt. Der Brennstoff 17A und die Verbrennungsluft 18A werden über einen Diffusionsbetrieb des Pilotbrenners 8 im Ringraum 4 der Ringbrennkammer 1 ver- brannt. An der am Pilotbrenner 8 stabilisierten Flamme dieser Verbrennung entzündet sich ein Gemisch aus Brennstoff 17B und Verbrennungsluft 18B, welches dem Vormischbrenner 9 zugeführt wird. Das durch die Verbrennung erzeugte Abgas 20 tritt aus dem turbinenseitigen Ende 13 der Ringbrennkammer 1 aus und treibt die Gasturbine 15 an. Im folgenden wird erläutert, wie die hier dargestellte, konventionelle einstufige Verbrennung in besonders einfacher Weise durch eine zweite Stufe einer Verbrennung unter Verwendung eines Brenner-Hitzeschildelementes ergänzt werden kann.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem der Figur 1 entsprechenden Längsschnitt durch eine Ringbrennkammer 1. Eines der Hitzeschildelemente 6 ist als ein Brenner-Hitzeschildelement 22 ausgeführt. Wie jedes der Hitzeschildelemente 6 ist auch das Brenner-Hitzeschildelement 22 mit einer Schraube 24 an die Brennkammerwand 3 angeschraubt. In der Brennkammerwand 3 sind hinter dem Brenner-Hitzeschildelement 22 Durchbohrungen 26 vorgesehen. Auf der Außenseite 28 der Brennka merwand 3 ist weiterhin eine Brennstoffleitung 30 vorgesehen. Von der Brennstoffleitung 30 führt eine Durchbohrung 32 der Brennkammerwand 3 zu einem Vormischraum 34, welcher durch das an der Brennkammerwand 3 anliegende Brenner-Hitzeschildelement 22 gebildet ist. In den Vormischraum 34 münden auch die Durchbohrungen 26. Das Brenner-Hitzeschildelement 22 erstreckt sich von einem ersten Ende 23 bis zu einem zweiten Ende 25. 9 Das Brenner-Hitzeschildelement 22 wird nun in folgender Weise für eine zweite Stufe einer Verbrennung in der Ringbrennkammer 1 eingesetzt:
Über die Brennstoffleitung 30 wird Brennstoff 36, vorzugsweise Erdgas, dem Vormischraum 34 über die Bohrung 32 zugeführt. Weiterhin wird Verbrennungsluft 38 über die Durchbohrungen 26 dem Vormischraum 34 zugeführt. Im Vormischraum 34 vermischt sich das Erdgas 36 mit der Verbrennungsluft 38. Am zweiten Ende 25 ist eine Auslaßöffnung 40 vorgesehen, die das Erdgas-Luft-Gemisch 42 in die Ringbrennkammer 1 ausläßt. Das Erdgas-Luft-Gemisch 42 entzündet sich in der heißen Ringbrennkammer 1. Damit bildet sich eine zweite Stufe einer Verbrennung aus. Mit dieser zweiten Stufe wird die Reaktionszone der in der Ringbrennkammer 1 ablaufenden Verbrennung vergrößert. Dies führt zu einer verringerten Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen. Der erhebliche Verbrennungsluftstrom 38 führt weiterhin zu einer hohen Kühlleistung für das Brenner-Hitzeschildelement 22 und auch für die ab- strömseitig vor dem Brenner-Hitzeschildelement 22 gelegenen weiteren Hitzeschildelemente 6.
Figur 3 zeigt noch einmal in einer vergrößerten und schematischen Darstellung ein an der Brennerkammerwand 3 angeordnetes Brenner-Hitzeschildelement 22. Es gelten die entsprechenden Erläuterungen wie zu Figur 2.
In Figur 4 ist schematisch in einem Längsschnitt ein Brenner- Hitzeschildelement 22 gezeigt, welches an einer Brennkammer- wand 3 angeordnet ist. Das Brenner-Hitzeschildelement 22 ist aus einem porösen Material 44 gebildet. Es ist mit Klammern 46 an der Brennkammerwand 3 befestigt. Auf der dem Brenner- Hitzeschildelement 22 abgewandten Außenseite 28 der Brennkammerwand 3 ist gegenüber dem Brenner-Hitzeschildelement 22 eine Wandung 48 vorgesehen, welche den Vormischraum 34 umschließt. In die Wandung 48 ist eine Brennstoffleitung 30 integriert. In der Wandung 48 sind weiterhin Öffnungen 50 vor- 10 gesehen. Der Vormischraum 34 ist strömungstechnisch mit dem Brenner-Hitzeschildelement 22 durch Durchbohrungen 26 in der Brennkammerwand 3 verbunden.
Über die Öffnungen 50 gelangt Verbrennungsluft 38 in den Vormischraum 34. Aus der Brennstoffleitung 30 gelangt Brennstoff, vorzugsweise Erdgas, ebenfalls in den Vormischraum 34. Über die Durchbohrungen 26 gelangt das Brennstoff-Luft-Gemisch 42 aus dem Vormischraum 34 in das Brenner-Hitzeschild- element 22. Das Brennstoff-Luft-Gemisch 42 dringt in das poröse Material 44 ein. Durch die Hitze in einer nicht weiter dargestellten Brennkammer entzündet sich das Brennstoff-Luft- Gemisch 42 und verbrennt innerhalb der Poren des porösen Materials 44. Dabei heizt sich das poröse Material 44 auf. Dies führt zu einer besonders stabilen Verbrennung. Zudem wird durch die Porenstruktur des porösen Materials 44 eine Verbrennungsschwingung unterdrückt. Weiterhin strahlt das poröse Material 44 Wärme ab. Dies führt dazu, daß die Flammentemperatur der Verbrennung innerhalb des porösen Materials 44 ver- gleichsweise niedrig ist. Dies hat wiederum zur Folge, daß weniger Stickoxide gebildet werden.

Claims

11 Patentansprüche
1. Brennkammer (1) mit einer einen Brennraum (4) umschließenden Brennkammerwand (3) und mit einer aus einer Vielzahl von Hitzeschildelementen (6) gebildeten Innenauskleidung (5), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens ein als Brenner fungierendes Hitzeschildelement (5) ein Brenner-Hitzeschildelement (22) ist, dem eine BrennstoffZuführung (30) für Brennstoff (36) und eine Verbrennungsluftzuführung (26) für Verbrennungsluft (38) vorgeschaltet sind.
2. Brennkammer (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß dem Brenner- Hitzeschildelement (22) ein Vormischraum (34) vorgeschaltet ist, in den der Brennstoff (36) und die Verbrennungsluft (38) einleitbar sind.
3. Brennkammer (1) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Brennkam- merwand (3) eine Außenseite (28) aufweist, entlang der sich die BrennstoffZuführung (30) erstreckt.
4. Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, durch die entlang einer Ausdehnungsrichtung ein Brenngasstrom (20) von einer Eintrittsseite (11) bis zu einer Austrittsseite (13) führbar ist, wobei mindestens ein Brenner (8) für eine erste Stufe einer Verbrennung vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß durch das Brenner-Hitzeschildelement (22) stromab der ersten Stufe eine zweite Stufe der Verbrennung erzeugbar ist.
5. Brennkammer (1) nach Anspruch 2 und 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Vormischraum (34) zwischen der Brennkammerwand (3) und dem Brenner- Hitzeschildelement (22) angeordnet ist, wobei das Brenner- Hitzeschildelement (22) sich entlang der Ausdehnungsrichtung von einem ersten Ende (23) bis zu einem zweiten Ende (25) er- 12 streckt und wobei im Bereich des zweiten Endes (25) eine Auslaßoffnung (40) den Vormischraum (34) mit dem Brennraum (4) verbindet.
6. Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Brenner- Hitzeschildelement (22) ein mit zahlreichen Hohlräumen (45) versehenes Material (44) aufweist, welches so ausgebildet ist, daß eine Verbrennung innerhalb dieses Materials (44) er- zeugbar ist.
7. Brennkammer (1) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Material (44) Metall ist, in welches mechanisch, insbesondere durch Bohren, die Hohlräume (45) eingebracht sind.
8. Brennkammer (1) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Material (44) eine poröse Keramik, insbesondere Zirkonoxid oder Sili- ziumcarbid, ist.
9. Brennkammer (1), insbesondere Ringbrennkammer, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Brennraum (4) ringförmig ausgebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß entlang einer Umfangsrichtung des Ringraumes (4) eine Mehrzahl von Hitzeschildelementen (6) als Brenner-Hitzeschildelemente (22) ausgebildet sind.
10. Verwendung einer Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine Gasturbine, insbesondere für eine stationäre Gasturbine mit einer Leistung großer als 60 MW.
11. Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer (1) mit einer Brennkammerwand (3) und mit einer aus einer Vielzahl von Hitzeschildelementen (6, 22) gebildeten Innenauskleidung (5), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens 13 einem der Hitzeschildelemente (6, 22) Brennstoff (36) und Verbrennungsluft (38) für eine Verbrennung in der Brennkammer (1) zugeführt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Brennstoff (36) und die Verbrennungsluft (38) zunächst gemischt, dann dem Hitzeschildelement (22) zugeführt, anschließend in die Brennkammer (1) ausgelassen und dort verbrannt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Brennstoff (36) und die Verbrennungsluft (38) innerhalb eines porösen Materials (44) des Hitzeschildelementes (22) verbrannt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zunächst eine erste Stufe einer Verbrennung abläuft und anschließend über das Hitzeschildelement (22) eine zweite Stufe der Verbrennung erfolgt.
15. Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 14 in einer Brennkammer (1) , insbesondere in einer Ring- brennkammer, einer Gasturbine.
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