DE2122696A1

DE2122696A1 - Brennkammer für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE2122696A1
Application number: DE19712122696
Authority: DE
Inventors: William Edward Scotia; Hilt Milton Bradford; Hopkins Edward Paul; Jonson Robert Howard; Schenectady; N.Y. Hill (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-05-21
Filing date: 1971-05-07
Publication date: 1971-12-02
Also published as: US3608309A; CA928512A

Description

Anmelder: General Electric Company, Schenectady, New York, N. Y., USA

Brennkammer für eine Gasturbine

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbine.

Ein Nachteil der modernen technischen Weiterentwicklung ist der ständige Anstieg der Luftverseuchung. Viele Brennstoff verbrauchende Maschinen bewirken eine Verseuchung der Luft., durch die eine Vielzahl von schädlichen Effekten auf das Gleichgewicht in der Natur ausgeübt werden. Dies gilt auch für Gasturbinen, weshalb in diesem Zusammenhang zahlreiche Bemühungen erfolgten, um die Raucherzeugung in derartigen Gasturbinen zu verringern, welche bei Abgabe in die Atmosphäre eine Verseuchung bedingen.

Die Arbeitsweise einer Brennkammer einer Gasturbine und der Verbrennungvorgang selbst sind verhältnismäßig kompliziert. Es ist jedoch bekannt, daß die von Gasturbinen abgegebene Rauchmenge von zwei Kriterien abhängt. Ein Kriterium für die Rauchmenge oder die erzeugte Rußmenge hängt von dem Ausmaß der unvollständigen Verbrennung und dem Spaltbrennstoff in der Reaktionszone oder im Bereich des Brenners ab. Das zweite bisher nicht berücksichtigte Kriterium ist die Menge desjenigen verbrauchten Rußes, der bei chemischen Reaktionen bei hoher Temperatur nach der Verbrennung in der Reaktionszone beseitigt wird. Bei einem idealen Verbrennungs-

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system müßte deshalb die Rußproduktion minimal und der darauffolgende Rußverbrauch maximal sein.

Die Abgabe von Gasturbinen enthalten verhältnismäßig wenige Luftverunreinigungen, weil der Verbrennungsvorgang mit einer Luftmenge erfolgt, die weit über der stochiometrischen Mischung liegt, und weil die Verbrennung vergleichsweise vollständig ist. In einer idealen heißen oxidierenden Atmosphäre wird bei der Verbrennung eines Kohlenwasserstoffes mit Luft entsprechend der folgenden Formel eine vollständige Verbrennung erzielt: CH+ 0 —^ CO₂ + H_0, so daß sich ein rauchfreies Abgas ergibt. Bei dem anderen Extremfall in einer heißen inerten Atmosphäre, bei welcher eine unvollständige Mischung des Kohlenwasserstoffs mit Luft erfolgt, tritt die folgende chemische Reaktion (thermischer Krackvorgang) auf: CH —^^c+C(n_;u^H ' ^so ^^aß Kohlenstoff atome freigesetzt werden und damit polyacetylenartige Verbindungen, welche unter Bildung von Rußteilchen koagulieren, welche einen Durchmesser von größenordnungsmäßig 1 Mikron haben. Die meisten Brennkammern arbeiten in einem Bereich zwischen den beiden oben als Grenzwert erwähnten Reaktionen. Die Rußteilchen, welche in einem nicht idealen Brenner in den Bereichen mit Brennstoffüberschuß erzeugt werden, welche in der Verbrennungszone vorhanden sind, wachsen in Bereichen an, die in der Nachreaktionszone nicht zu einer weiteren Oxidation beitragen. Zur Oxidation der Rußteilchen in der Nachreaktionszone könnten die folgenden Reaktionen auftreten: C + 20 —^ ^c0 ₂' ^{welctie Re}~ aktion jedoch zu langsam verläuft, um das gewünschte Resultat in der kurzen Verweilzeit in dem Brenner einer Gasturbine zu erzielen. Wenn die Temperatur in der Nachreaktionszone der Brennkammer der Gasturbine hoch genug ist, wird Wasserdampf entsprechend der folgenden Gleichung zersetzt: 2H₀O —^H + 20H~, so daß zwei negative Hydroxylradikale gebildet werden. Diese stark reaktiven Hydroxylradikale verbinden sich dann mit dem Ruß entsprechend der folgenden Formel: C + 2OH —^ C0_ + H-, welche Reaktion entsprechend den Gegebenheiten mit einer hinreichend hohen Reaktionsgeschwindigkeit erfolgt. Es ist diese letzte Reaktion, welche den Ruß indem Verbrennungssystem verbraucht.

In erster Linie sollten die Bereiche mit Brennstoffüberschuß beseitigt werden, um die Rußerzeugung zu verringern. Es ist bekannt, daß dies durch Beeinflussung der Reaktionszone in einem ge-

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wissen Ausmaß erreicht werden kann. Wenn die Reaktionszone in dieser Weise beeinflußt wird, wird die Stabilität der Flamme bei Annäherung an das minimale Brennstoff-Luftverhältnis verringert, wodurch die Notwendigkeit angezeigt wird, eine Einrichtung zur Beibehaltung der Stabilität der Flamme vorzusehen.

Es ist bereits bekannt, daß durch eine Verwirbelung eines Teils der eintretenden Verbrennungsluft die Stabilität der Flamme erhöht werden kann, damit zusätzliche Luft zugeführt werden kann, um das Mischungsverhältnis in der Reaktionszone weiter zu verringern. Diese turbulente Strömung wird ebenfalls dazu benutzt, um eine gut durchmischte Reaktionszone zu erzeugen, indem die Bereiche mit Brennstoffüberschuß verdrängt werden.

Probleme bei der Verringerung des Rauchanteils bestehen insbesondere in zweierlei Hinsicht. Erstens erfolgten Zusätze in dem Verbrennungssystem der Gasturbine, beispielsweise Zusatzstoffe für den Brennstoff (wie Mangan) sowie umständliche und komplizierte Luftskrubber, die direkt auf das Abgas der Gasturbine einwirken. Diese Zusätze zu dem Verbrennungssystem erhöhen gewöhnlich die Kosten und beeinträchtigen andererseits die Betriebseigenschaften, in dem zweiten Fall wurde oft angenommen, daß die zusätzlichen Kosten und die Kompliziertheit derartiger Verbrennungssysterne die Verwendung bei speziellen Gasturbinen nicht wünschenswert macht, weshalb der Rauch in die Luft abgelassen wurde.

Die Rauchdichte in dem Abgas einer Gasturbine kann als Rauchzahl (nach der Methode von Brand) gemessen werden, indem das Abgas mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit durch ein Band aus Filtermaterial indurchgezogen wird, welches mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt wird. Die Rauchspur auf dem Filterpapier wird durch eine Reflexionsmessung unter Benutzung eines Fotometers ausgewertet. Diese Rauchzahlen liegen zwischen 0 und 100, wobei 100 das Reflexionsvermögen von sauberem Filterpapier bedeutet. Bei einer Rauchzahl oberhalb 90 spricht man im allgemeinen von einem sauberen Abgas. Durch die bekannte Verwendung von Zusatzstoffen und Luftskrubbern war es möglich, die Rauchzahl auf etwa 90 bei hohen Belastungen zu erhöhen.

Es ist ferner bekannt, den Rauchgehalt der Abgase von Gastur-

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binen durch die Verwendung von Wirbeldüsen zu verringern. Die Luft-Wirbeldüse wurde allein benutzt, um die eintretende Verbrennungsluft zu durchwirbeln, um viele der Bereiche mit Brennstoff-Überschuß zu beseitigen, damit eine weitgehendere Verbrennung erfolgt. Es wurde bereits die Verwendung einer Wirbeldüse vorgeschlagen (US-Patentanmeldung Nr. 7947), welche eine Rauchbildung weitgehend vermeidet und die Rauchzahl auf mehr als 90 erhöht. Durch Erhöhung des Anteils der Verbrennungsluft in der Reaktionszone um einen gewissen Prozentsatz, durch Ausübung einer optimalen Turbulenz und durch die Verwendung einer Nachreaktionszone, in der keine Luftlöcher vorhanden sind, durch die ein thermischer Ansaugbereich gebildet wird, kann eine maximale Verringerung des Rauchgehalts in dem Abgas erzielt werden.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Rauchgehalt in Abgasen zu verringern. Insbesondere soll die Raucherzeugung verringert werden, ohne daß eine Beeinträchtigung der Arbeitsweise einer Gasturbine innerhalb des gesamten möglichen Belastungsbereichs erfolgt. Ferner soll die Stabilität der Verbrennung verbessert werden, damit der Betriebsbereich des Systems vergrößert werden kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in einer Brennkammer einer Gasturbine eine Reaktionszone mit einem mageren Mischungsverhältnis vorgesehen ist, welche durch eine Turbulenz stabilisiert wird, welche durch eine Luft-Durchwirbelungseinrichtung erzeugt wird, die 5 bis 10% des gesamten offenen Brennbereichs hat und Flügel kritischer Dicke unter einem kritischen Winkel aufweist. In dem Flammrohr sind Luftöffnungen vorgesehen, auf welche sich ein in axialer Richtung erstreckender thermischer Saugbereich folgt, der mindestens das 1,25 fache des DuVchmessers des Flammrohrs hat, und in dem nur kühle Luft strömt. Ein Satz von großen Öffnungen ist dann für den Eintritt der schließlichen Kühlluft in das Flammrohr vorgesehen. Die Luftdurchwirbelungseinrichtung bewirkt die erforderliche Strömung und Durchmischung zusammen mit einer starken Rückkopplung in der Reaktionszone, wodurch die Stabilität der Verbrennung erhöht wird, so daß praktisch kein Ruß erzeugt wird. Der Bereich ohne Luftöffnungen entlang dem Flammrohr ist der Bereich mit

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hoher Temperatur (thermischer Ansaugbereich), wo gegebenenfalls in der Reaktionszone erzeugte Rußteilchen durch chemische Reaktionen mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit und bei hoher Temperatur beseitigt werden. Es erfolgt ein Ausgleich der Parameter des Systems, um die angestrebte Wirkung zu erzielen.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Brennkammer gemäß der Erfindung für eine Gasturbine;

Fig. 2 eine Stirnansicht der Durchwirbelungseinrichtung, die um die Brennstoffdüse am Kopfende angeordnet ist;

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 einen Teilschnitt, durch die Flügel der Durchwirbelungseinrichtung und die Schlitze entlang der Linie IV-IV in Fig. 3, woraus die kritischen Abmessungen der Durchwirbelungseinrichtung ersichtlich sind;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Geschwindigkeit und des Drucks in Abhängigkeit von dem Abstand von der Mittellinie des Flammrohrs;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Änderung der Rauchzahl in Abhängigkeit von der Änderung des Gesamtströmungsbereichs in der Reaktionszone; und

Fig. 7 eine Schnittansicht der Durchwirbelungseinrichtung und der Brennstoffdüse, wobei der Strömungsverlauf eingezeichnet ist.

In Fig. 1 ist eine typische Brennkammer 1 für eine Gasturbine dargestellt. Die Brennkammer ist so konstruiert, daß die komprimierte Luft von dem Verdichter (nicht' dargestellt) in umgekehrter Richtung strömt. Bei bekannten Brennkammern mit umgekehrter Strömungsrichtung ergibt sich der Vorteil, daß die komprimierte Luft vor der Verbrennung erhitzt wird.

Die Brennkammer 1 hat ein zylindrisches äußeres Gehäuse 2, an dem das Gehäuse 3 befestigt ist. Das Gehäuse 3 steht mit dem nicht dargestellten Turbinenabschnitt in Verbindung. Eine Endabdeckung 4 verschließt das Ende des äußeren Gehäuses 2 gegenüber dem Gehäuse 3, so daß der Raum in dem äußeren Gehäuse 2 gegenüber der Atmo-

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• sphäre abgeschlossen ist. In axialer Richtung und im wesentlichen koaxial mit dem äußeren Gehäuse 2 erstreckt sich das Flammrohr 5, welches einen Durchmesser D hat. Bekanntlich liegt in dem Flammrohr 5 die Verbrennungs-Reaktionszone 6, in der die Verbrennung beim Betrieb der Brennkammer für eine Gasturbine stattfindet. Wenn die heißen Verbrennungsprodukte durch das zylindrische Flammrohr 5 strömen, werden sie mit zutretender Luft temperiert. Dann erreichen sie das Übergangsrohr 7, welches die temperierten Verbrennung sproduk te zu der Düse der ersten Stufe (nicht dargestellt) führt. Ein ringförmiger Luftzwischenraum 8 umgibt die Rohre 5 und 7, um die Durchleitung der komprimierten Luft zu ermöglichen.

Durch die Endkappe 9 wird das Flammrohr 5 gegenüber der Endabdeckung 4 des Gehäuses abgeschlossen, welche die Brennstoffdüse 10 trägt. Die Endkappe 9 ist kegelstumpfförmig ausgebildet, so daß die Brennstoffdüse 10 in der Oberseite des Kegelstumpfs angeordnet ist. Die Durchwirbelungseinrichtung 11, von der Einzelheiten in den Fig. 2 und 7 dargestellt sind, ist an der Endkappe 9 bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel befestigt. Sie kann jedoch auch an der Brennstoffdüse angeordnet sein. Die Brennstoffdüse kann in an sich bekannter Weise ausgebildet sein, und eine übliche Konstruktion für eine Anordnung in dem Kopfende des Flammrohrs 5 und insbesondere in der Endkappe 9 aufweisen. Durch die Brennstoffdüse 10 werden Brennstoffe aus Kohlenwasserstoffen zerstäubt, also solche Brennstoffe, die Rauch in dem Abgas der Gasturbine erzeugen. Die Zerstäubung durch die Brennstoffdüse 10 kann durch Luft oder durch Druck erfolgen, da beide Systeme für eine Brennkammer gemäß der Erfindung zufriedenstellend arbeiten.

Es ist bekannt, daß die Flammrohre von Brennkammern mit getrennten Öffnungen für einen Lufteintritt versehen sind, die sowohl für die Verbrennung als auch zur Kühlung und Verdünnung der Verbrennungsprodukte dient. Es wurde festgestellt, daß durch Anordnung dieser Öffnungen in einer bestimmten Weise entlang der Länge des Flammrohrs 5 eine Verringerung des Rauchgehalts des Abgases der Gasturbine erzielt werden kann. Es wurde ferner festgestellt, daß der Verbrennungsvorgang in einer Reaktionszone 6 auftritt, die etwa durch eine axiale Länge definiert ist, welche gleich dem Durchmesser D ist. Innerhalb der axialen Länge entspre-

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chend dem Durchmesser D wird die Brennstoff-Luftmischung verbrannt, entweder bis zu einer vollständigen Verbrennung, oder im Falle einer unvollständigen Verbrennung mit der Ausbildung von Rußteilen. In der Reaktionszone 6 sind zwei Reihen von Verbrennungs-Luftöffnungen vorgesehen. Obwohl zwei Reihen dargestellt sind, bedeutet dies weder eine obere noch eine untere Grenze.

Aus Fig. 6 ist in Verbindung mit Fig. 1 ersichtlich, daß die in Fig. 6 dargestellte Kurve anzeigt, daß bei steigendem Prozentsatz des Verbrennungs-Luftströmungsbereichs in der Reaktionszone die Rauchzahl ansteigt. Wie bereits erwähnt wurde, zeigt die Erhöhung der Rauchzahl eine Verringerung des Rauchgehalts des Abgases an. Durch die beiden ersten Reihen von Luftöffnungen in dem Flammrohr 5 wird zusammen mit dem offenen Bereich der Durchwirbelungseinrichtung 11 der Verbrennungs-Luftströmungsbereich in der Reaktionszone 6 gebildet. Wie später noch beschrieben werden soll, wenn die Einzelheiten der Durchwirbelungseinrichtung 11 näher erläutert werden sollen, muß der offene Querschnitt der Durchwirbelungseinrichtung 11 zwischen 5 und 10% des gesamten Luftströmungsquerschnitts liegen, welcher hier als der Verbrennungs-·Luftströmungsbereich definiert ist, vergrößert um den Bereich der in Strömungsrichtung liegenden temperierenden Öffnungen, sowie vergrößert um den offenen Bereich des Flammrohrs, in dem die nicht dargestellten Luftschlitze zur Kühlung angeordnet sind. Die Reihen der Verbrennungs-Luftöffnungen in dem Flammrohr 5, die in der Reaktionszone 6 angeordnet sind, sollen etwa 40 bis 55% des Gesamtströmungsbereichs der Luft in das Flammrohr 5 bilden. Wie in Fig. 1 angedeutet ist, sind zwei Reihen von Verbrennungs-Luftöffnungen angeordnet. Eine erste Reihe 12 hat acht Öffnungenentlang dem Umfang des Flammrohrs 5. Das Verhältnis des Durchmessers der Öffnung zu dem Durchmesser des Flammrohrs beträgt etwa 0,075. Eine zweite Reihe 14 hat ebenfalls acht Öffnungen, die entlang dem Umfang des Flammrohrs 5 verteilt sind. Das Durchmesserverhältnis beträgt hier etwa 0,12. Die Reihen 12 und 14 liegen in axialer Richtung innerhalb einer Strecke entsprechend dem Durchmesser D, liegen also innerhalb der Reaktionszone 6.

In der Strömungsrichtung V der Verbrennungsprodukte hinter den Öffnungen 14 liegt der thermische Ansaugbereich 15 des Flamm-

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rohrs 5. Dieser Bereich 15 ist dadurch abgeschlossen, daß keine großen Öffnungen entlang dieser axialen Länge des Flammrohrs in Umfang sr ichtung verteilt, angeordnet sind. Jedoch sind Luftschlitze für Metall-Kühlluft entlang der Lange des Flammrohrs 5 vorgesehen, die der Übersicht halber nicht dargestellt sind. Die Luftschlitze dienen zur Kühlung des Flammrohrs 5. Die durch die Luftschlitze eintretende Luft liefert jedoch keinen wesentlichen Beitrag für den Verbrennungsvorgang. Der Ansaugbereich 15 muß mindestens eine axiale Länge von 1,25 D haben. In dem Bereich 15 findet die thermische Ansaugung der Verbrennungsprodukte statt, so daß in diesem Bereich bei hinreichend hoher Temperatur die folgenden Reaktionen auftreten: 2 H₃O —> H₃ + 2 0H~ und C + 2 0H~ —> C0„ + Η-, wodurch die Rußteilchen aus Kohlenstoff und kohlenstoffhaltigen Materialien verbraucht werden, die bei einer unvollständigen Verbrennung oder bei einer thermischen Spaltung in der Reaktionszone 6 erzeugt wurden. Es wird eine axiale Länge von mindestens 1,25 D vorgesehen, damit eine ausreichende Zeitspanne für die Durchführung dieser Reaktionen vorhanden ist.

Am Ende des Bereichs 15 sind temperierende Luftöffnungen 16 in Umfangsrichtung angeordnet. In Fig. 1 sind vier Öffnungen 16 vorgesehen, deren Durchmesserverhältnis im Vergleich zu dem Durchmesser des Flammrohrs etwa 0,20 beträgt. Diese Abmessungen sind nur Beispiele und deshalb nicht als obere oder untere Grenzwerte anzusehen. Die tatsächliche Größe und Anzahl von Luftöffnungen hängt von der Menge der temperierenden Luft ab, die den Verbrennungsprodukten zugesetzt werden soll, wenn diese aus dem Bereich 15 austreten. Der temperierende Bereich 18 des Flammrohrs 5 in Fig. 1 erstreckt sich von den temperierenden Luftöffnungen 16 zu der Düse der ersten Stufe. Der Zweck der Luftöffnungen 16 besteht darin, daß ein Teil der komprimierten Luft, die relativ kühl im Vergleich zu den heißen Verbrennungsprodukten ist, die Verbrennungsprodukte temperiert, bevor die gesamte Mischung aus Luft und Verbrennungsprodukten in die Düse der ersten Stufe eintritt. Die Öffnungen 16 sind groß genug, um ein ausreichendes Eindingen der kühleren Luft in die Verbrennungsprodukte zu ermöglichen, damit die gewünschte Eintrittstemperatur in die erste Stufe der Turbine vorhanden ist.

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Im folgenden soll die Durchwirbelungseinrichtung 11 in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 näher erläutert werden. Die Luft-Durchwirbelungseinrichtung 11 liefert den erforderlichen stabilisierenden Effekt, damit eine Verbrennungszone mit einem mageren Gemisch ausgebildet werden kann, und damit die turbulente Luft Bereiche mit hohem Brennstoffgehalt in der Reaktionszone 6 verdrängt .

Die Durchwirbelungseinrichtung 11 besteht aus einem ringförmigen Körperteil 17, welcher eine zentrale Öffnung 21 begrenzt, in der die Brennstoffdüse 10 angeordnet ist. Die Stirnfläche 19 des Körperteils 17 ist diejenige Seite, die direkt in das zylindrische Flammrohr 5 weist und die dem Verbrennungsraum gegenüberliegt.

Entlang dem Umfang des ringförmigen Körperteils 17 sind Flügel 22 angeordnet. Die Flügel 22 können in dem Körperteil 17 in an sich beliebiger Weise ausgebildet sein, indem dieser Teil gegossen oder spanabhebend bearbeitet wird. Die Flügel 22 sind durch ein ringförmiges Deckband 20 umgeben, welches als Befestigungsglied dient, wenn die Durchwirbelungseinrichtung 11 an der Endkappe 9 befestigt wird.

Es gibt gewisse kritische Abmessungen, die bei der Konstruktion der Flügel 22 berücksichtigt werden müssen. Die erste kritische Abmessung ist diejenige der Schlitze 23, welche zwischen angrenzenden Flügeln 22 liegt. Der gesamte Durchflußquerschnitt in einer Ebene senkrecht zu der Schlitzachse sollte zwischen 5 und 10% des gesamten Durchflußbereiches der Luft in das zylindrische Flammrohr 5 betragen. Dieser Schlitzbereich wird durch gewisse Abmessungsverhältnisse innerhalb bestimmter Grenzen bestimmt. Das erste Abmessungsverhältnis ist die Länge A (Fig. 4) eines Schlitzes 23, geteilt durch die Breite B (Fig. 4) des Schlitzes. Das Verhältnis ^ wird so gewählt, daß es zwischen 1, 15 und 1,85 liegt. Deshalb ist die Länge kleiner als das zweifache der Schlitzbreite .

Die Flügeldicke ist kritisch an der hinteren Kantenfläche Es ist zu beachten, daß diese Dicke beträchtlich im Vergleich zu bekannten Flügeln für Durchwirbelungseinrichtungen ist und etwa das 0,4 bis 0,8fache der Schlitzbreite B beträgt. Die hintere Kan-

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tenfläche 24 hat eine verhältnismäßig große Abmessung, damit ein

nach innen gerichteter Strömungsweg für die Luft in den Sogbereichen gegeben ist, die durch diesen Teil der Luftströmung durch die Schlitze der Durchwxrbelungseinrichtung erzeugt werden.

Ein weiteres kritisches Abmessungsverhältnis der Durchwxrbelungseinrichtung 11 ist das Verhältnis der Tiefe C (Fig. 2) eines

Schlitzes 23 zu der Flügeldicke T (Fig. 2). Dieses Verhältnis — muß in dem Bereich zwischen 1,5 und 3,5 liegen, weil dieses Verhältnis dazu beiträgt, die radial nach innen gerichtete Strömung der heißen Gase in dem Staubereich hinter den verhältnismäßig dicken hinteren Kanten zu bestimmen. Es ist ersichtlich, daß der Winkel d eines einzelnen Flügels 22 die Stärke der Durchwirbelung bestimmt. Dieser Winkel ist in Fig. 4 angegeben und muß in einem Bereich zwischen 25 und 35 liegen, wobei 30 der bevorzugte Winkel für eine rauchfreie Arbeitsweise ist.

Nach der Beschreibung der Konstruktion einer Brennkammer gemäß der Erfindung, durch die der Rauchgehalt im Abgas verringert werden soll, so daß die Rauchzahl wesentlich oberhalb 90 innerhalb des gesamten Belastungsbereichs der Gasturbine liegt, soll die Arbeitsweise der Brennkammer näher erläutert werden.

Komprimierte Luft von dem Verdichter füllt den ringförmigen Luftraum um die Rohre und die Endkappe, so daß beim Lufteintritt durch die verschiedenen Öffnungen in dem Flammrohr ein Druckgefälle auftritt, welches für den Betrieb erforderlich ist. Beginnend mit dem Eintritt der Druckluft durch die Schlitze der Durchwxrbelungseinrichtung in der Reaktionszone soll die Luftströmung und die Strömung der Verbrennungsgase an verschiedenen Stellen entlang der axialen Länge des Flammrohrs beschrieben werden.

Da etwa 5 bis 10% der Luft durch die Durchwxrbelungseinrichtung hindurchtritt, wird eine Turbulenz in einem Teil der Brennkammer erzeugt. Die Strömungsverhältnisse sind in Fig. 7 dargestellt. Die Eigenschaften der turbulenten Strömung sind in Fig.5 dargestellt, in welcher die Änderung der Geschwindigkeit und des Drucks gegen den radialen Abstand von der Mittellinie des Flammrohrs aufgetragen ist. In dem zentralen Bereich Z der turbulenten Luftströmung ist aus den Kurven ersichtlich, daß der Druck am

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niedrigsten ist, während die Geschwindigkeit am höchsten ist. Dadurch wird angezeigt, daß in Strömungsrichtung hinter der Durchwirbelungseinrichtung der Druck bei größerem radialem Abstand größer als der Druck in dem zentralen Teil Z ist, in welchem ein Druck unterhalb des Drucks in den übrigen Bereichen in dem Flammrohr vorliegt. Folglich dringt die Luft, welche in das Flammrohr durch die Öffnungen für die Verbrennungsluft eintritt, durch die turbulente Luft in dem zentralen Teil durch und strömt zu der Stirnfläche der Durchwirbelungseinrichtung und der Brennstoffdüse. Daraus geht hervor, daß dieser Rückkopplungseffekt zu der Gesamtdurchmischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff beiträgt. Die aus den Öffnungen eintretende Luft, welche den turbulenten zentralen Bereich durchdringt, vermischt sich mit dem zerstäubten Brennstoff und beginnt dann mit dem Brennstoff zu reagieren. Der Einfluß dieser turbulenten Luft und der Rückkopplungseffekt stabilisieren die Flamme in dem gesamten Arbeitsbereich, wodurch ermöglicht wird, daß die zusätzliche Luft, welche der Reaktionszone zugeführt wird, ein stabilisiertes Kopfende mit einem mageren Mischungsverhältnis bildet. Der Zusatz von mehr Luft trägt dazu bei, die Ausbildung unerwünschter Rußteilchen zu verhindern, indem eine vollständigere Verbrennung der Reaktionszone ermöglicht wird. Ferner wird durch die turbulente Durchmischung erreicht, daß Bereiche mit zu großem Brennstoffgehalt beseitigt werden, sofern solche Bereiche auftreten sollten.

Die verschiedenen Druckgefälle quer zu dem Flammrohr und entlang der Mittellinie des Flammrohrs sind in Fig. 5 angegeben. Die obere Linie ρ , ist der Druck in dem ringförmigen Luftraum vor dem Druckgefälle ΛΡσ über dem Flammrohr. Die Erhöhung des Drucks nach innen von dem Flammrohr wird dann durch die geneigte Kurve ρ angezeigt, während der vollständige Druckabfall von dem ringförmigen Luftraum zu der Mittellinie des Flammrohrs alsAp_T eingezeichnet ist.

Nachdem die Verbrennungsluft mit dem Brennstoff vermischt ist und eine stabilisierte Flamme gebildet wird, wobei Verbrennungsprodukte gebildet werden, wird der thermische Absaugbereich in dem Flammrohr wirksam. Irgendwelcher Ruß, der in der Reaktionszone auf Grund ungeeigneter Durchmischung oder auf Grund von Bereichen mit zu hohem Brennstoffgehalt erzeugt wurde, welche Be-

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reiche nicht durch die Turbulenz der Luft beseitigt wurden, kann mit den Hydroxylradikalen in hoher Konzentration und bei erhöhten Temperaturen reagieren.

An einer axialen Stelle entsprechend mindestens 1,25 D von der letzten Reihe der Verbrennungs-Luftöffnungen wird temperierende Luft zu den Verbrennungsprodukten zugesetzt/ um diese auf eine Temperatur abzukühlen, bei der sie in die Düse der ersten Stufe eintreten können, welche Temperatur für den Zyklus der Gasturbine geeignet ist und einen Wert hat, der eine Beschädigung der nachfolgenden Strömungsleitung für das heiße Gas ausschließt.

Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß eine Brennkammer für eine Gasturbine beschrieben wurde, welche eine minimale Rauchmenge erzeugt, die mitdem Abgas in die Atmosphäre abgegeben wird. Dies wird durch die Verwendung einer Durchwirbelungseinrichtung bewirkt, welche eine optimale Durchmischungder Verbrennungsluft mit dem Brennstoff gewährleistet, indem die Flamme stabilisiert wird, so daß ein Kopfbereich mit einem mageren Mischungsverhältnis ausgebildet werden kann sowie ein thermischer Aufsaugbereich entlang dem Flammrohr, in^dem irgendwelche Rußteilchen durch eine chemische Reaktion mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit beseitigt werden, wenn derartige Rußteilchen als Verbrennungsrückstände aufgetreten sein sollten.

Patentansprüche

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Claims

-13-Patentansprüche

1.jBrennkammer für eine Gasturbine mit einem durch eine Endabdeckung abgeschlossenen äußeren Gehäuse, dessen anderes Ende zu der Düse der ersten Stufe der Turbine führt, mit einem von dem Gehäuse umgebenen Flammrohr mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, mit einem ringförmigen Luftzwischenraum zwischen dem Flammrohr und dem Gehäuse, und mit einer das eine Ende des Flammrohrs abdeckenden Endkappe, in der eine Öffnung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchwirbelungseinrichtung (11) für Luft in der Öffnung der Endkappe (9) angeordnet ist, die einen ringförmigen Körperteil (17) mit einer Stirnfläche senkrecht zu dessen Achse aufweist und eine zentrale Öffnung (21) für die Aufnahme einer Brennstoffdüse (10) aufweist, sowie eine Anzahl von um einen Winkel geneigten Flügeln (22), die entlang des Umfangs des Körperteils angeordnet sind, daß jeder Flügel eine durchschnittliche Dicke hat, die größer als 1/4 der Tiefe ist, daß die Flügel so angeordnet und bemessen sind, daß die offene Querschnittfläche zwischen den Flügeln 5 bis 10% der gesamten offenen Querschnittfläche für die Luftströmung in dem Flammrohr (5, 7) beträgt, daß eine Anzahl von Öffnungen (12, 14) für Verbrennungsluft in dem Flammrohr entlang einer axialen Länge vorgesehen sind, welche dem Durchmesser des Flammrohrs entspricht, daß diese Öffnungen eine solche Anordnung und Größe aufweisen, daß sie 40 bis 55% des gesamten Querschnitts der Luftströmung in dem Flammrohr definieren, daß sich ein thermischer Aufsaugbereich (15) von den Öffnungen in axialer Richtung mindestens um das l,25fache des Durchmessers des Flammrohrs erstreckt, der keine Öffnungen für Verbrennungsluft aufweist, und daß eine Anzahl von Öffnungen (16) für temperierende Luft in Strömungsrichtung der Verbrennungsprodukte hinter dem Bereich (15) vorgesehen sind und eine solche Größe haben, daß sie 35 bis 55% der gesamten Querschnittfläche der Luftströmung in dem Flammrohr definieren.

.' Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Flügel (22) mit einem Winkel zwischen 25 und 35 relativ zu einer Ebene senkrecht zu der Achse der Durchwirbelungs-

' einrichtung angeordnet sind.

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3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η z e i c h η e t , daß die Durchwirbelungsexnrichtung an der Endkappe (9) angeordnet ist.

4. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchwirbelungsexnrichtung an der Brennstoffdüse (10) angeordnet ist.

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