DE2160675B2 - Brennereinrichtung fuer eine gasturbinenbrennkammer - Google Patents
Brennereinrichtung fuer eine gasturbinenbrennkammerInfo
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- F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennereinrichtung für eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Brennstoffeinspritzdüse
und mit einem letztere konzentrisch umgebenden hohtaylindrischen und an seinem stromabwärts
der Einspiritzdüsenmündung liegenden Ende nach innen eingezogenen Nabenkörper, der außen
eine Drallvorrichtung für die Primärluftzufuhr trägt und innen von einem zusätzlichen primären Arbeitsfluid
durchströmt wird, von dem mindestens ein Teil durch mehrere, im eingezogenen Teil des Nabenkörpers
angeordnete kleine öffnungen der Brennzone zuströmt.
Die Rauchbildung in der Brennkammer einer Gasturbine ist dem Umstand zuzuschreiben, daß das
Brennstoffgemisch im Lastbetrieb des Geräts iokal in der Brennkammer zu stark angereichert bzw. überfettet
wird. Insbesondere im Lastbetrieb der Brennkammer verkleinert sich der Einspritzkegelwinkel infolge
eines Druckanstiegs in der Brennkammer, wobei tatsächlich durchgeführte Messungen gezeigt haben., daß
die Luftmenge, besonders in der Primärbrennzone, nahe der Mitte der Brennkammer, auf weniger als 5 %
abnimmt. Infolgedessen wird in diesem Bereich ein größerer Kohlenstoffanteil gebildet, welcher die
Rauchbildung hervorruft.
Zur Vermeidung der Rauchbildung müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
1. Zufuhr einer ausreichenden Luftmenge zu dem >o dicht an der Einspritzdüsenmündung gelegenen
Bereich, da hier das Gemisch zu einer Überfettung tendiert und das für die vollkommene Verbrennung
erforderliche theoretische Mischungsverhältnis von 13,5:1 in diesem Bereich nicht
eingehalten werden kann.
2. Begünstigung der Vermischung der Brennstoffteilchen mit Luft in den nahe der Achse der
Brennkammer gelegenen Bereichen.
3. Verwirbelung der Brennstoffteilchen und der ao Luft, da ein Druckanstieg im Inneren der Brennkammer
zu einer Verkleinerung des Einspritzkegelwinkels der Brennstoffteilchen und mithin zu
erhöhter Rauchbildung in der Brennkammer führt.
*5 Es ist bereits versucht worden, bekannte Brennereinrichtungen
mit Drallvorrichtungen im Sinne obengenannter Bedingungen zu verbessern. Die Schwierigkeit
besteht jedoch darin, daß bei Verringerung der Rauchbildung durch Begünstigung der Luftzirkulation
durch die Brennkammer die Zündeigenschaften der Brennkammer beeinträchtigt werden, so daß ein
sogenannter Flammabriß auftreten kann. Es war daher bei bekannten Brennereinrichtungen nur möglich,
die Zündstabilität auf Kosten entweder der Zündeigenschaften oder der Rauchbildungseägenschaften
zu verbessern.
Bei einer bekannten Brennereinrichtung wird der Brennstoff durch eine zentrische Einspritzdüse kegelförmig
eingespritzt. Die Zufuhr der Verbrennungsluft
erfolgt einerseits durch hinter der Einspritzdüse liegende und ringförmig angeordnete öffnungen, sowie
durch eine Drallvorrichtung und andererseits durch in der Wandung der Brennkammer angeordnete radiale
öffnungen, so daß zwei Luftströmungen erzeugt werden, von denen die erstere im wesentlichen axial
und die zweite im wesentlichen radial gerichtet ist, wobei Wirbel entstehen, die im Sinne der vorgenannten
Bedingungen die Verbrennung positiv beeinflussen. Es wird bei dieser bekannten Brennereinrichtung
als nachteilig angesehen, daß die durch die kleinen öffnungen strömerde Verbrennungsluft praktisch
nicht geregelt werden kann, da das Verhältnis dieser Luft zum Durchsatz der übrigen Verbrennungsluft
durch die gegebenen Strömungsquerschnitte festgelegt ist und somit nicht lastabhängig geregelt werder
kann. Abhängig von der Belastung wird es daher be der bekannten Brennereinrichtung bei Vollast trotzdem
zu einer Rauchentwicklung kommen, oder be größerer Dimensionierung der öffnungen beim An
fahren zu Zündschwierigkeiten kommen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Bren nereinrichtung für eine Gasturbinenbrennkammer s<
auszubilden, daß die Rauchentwicklung der Brenn kammer im Betrieb mit hoher Belastung verminder
wird, ohne die Zündeigenschaften der Brennkamme zu beeinträchtigen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelös'
daß die kleinen öffnungen mit einer Einrichtung zur
Aufladen des zusätzlichen Arbeitsi'luids über ein oder
zwei Regeiventiie verbunden sind, durch die Druck und Durchsatz des durch die kleinen Öffnungen strömenden
Arbeitsfluids abhängig von der Brennkammerleistung regelbar sind. Es wird damit erreicht, daß
in Abhängigkeit der Belastung eine genaue Steuerung des zusätzlichen Arbeitsfluids ermöglicht wird, wodurch
bei allen Betriebszuständen sichergestellt wird, daß sich die Rauchentwicklung auf einem Minimum
hält. Bei hoher Belastung wird eine große Menge des Arbeitsfluids über die kleinen Öffnungen zugeführt,
während im Betrieb der Brennkammer ohne oder mit niedriger Belastung die Menge des über die kleinen
Öffnungen in der Nähe der Einspritzöffnung zugeführten Arbeitsfluids gedrosselt wird, wodurch sich
die Zünd- und Verbrennungseigenschaften der Brennkammer verbessern.
Obwohl Luft als vorverdichtetes Arbeitsfluid bevorzugt verwendet wird, ist die erfindungsgemäß erzielte
Wirkung der Senkung des Rauchbildungsgrades bei Aufladung mit Dampf noch größer. Dies beruht
darauf, daß die Brennstoffteilchen durch die Energie, welche von den im Dampf enthaltenen Wassertröpfchen
bei deren Verdampfung in der Primärbrennzone freigesetzt wird, weiter aufgebrochen werden, so daß
ein homogeneres Luft/Brennstoff-Gemisch erzielt werden kann. Die gleiche Wirkung ergibt sich, wenn
Wassertröpfchen über eine Düse in die Primärbrennzone eingespritzt werden.
Zur Verbesserung der Zündeigenschaften sind im Nabenkörper öffnungen vorgesehen, durch welche
der Primärluftraum der Drallvorrichtung mit dem Innenraum zwischen Nabenkörper und Einspritzdüse in
Verbindung steht. Dieser Innenraum ist darüber hinaus mit einer das zusätzliche Arbeitsfluid abführenden
bzw. zuführenden Einrichtung verbunden. Beim Anzünden kann somit ein Teil der Primärluft vom Einströmen
in die Brennkammer gehindert werden, was die Zündeigenschaften wesentlich verbessert.
Weitere Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Nachstehend sind bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen lotrechten Schnitt durch den einspritzseitigen
Teil einer Brennkammer für eine Gasturbine,
Fig. 2 einen lotrechten Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform, und
Fig. 3 einen lotrechten Schnitt durch eine noch weiter abgewandelte Ausführungsform der Brennkammer.
Gemäß Fig. 1 strömt die als Arbeitsfluid dienende Luft, wie durch die Pfeile 2 angedeutet, durch eine
Radialschaufel-Drallvorrichtung 1, die einen Nabenkörper 3 mit einem am Ende eingezogenen Bereich 4
und mehrere Luftauslaßöffnungen 5 aufweist, welche um einen durch den Bereich 4 des Nabenkörpers 3
festgelegte Einspritzdüsenmündung herum ausgebildet sind. Weiterhin sind in Fig. 1 eine Einspritzdüse 6,
ein Abstandsstück 7, mit dem Brennstoff zu vermischende Luft 8, ein ringförmiges Dichtglied 9 zum
Abdichten des Spaltes zwischen dem eingezogenen Bereich 4 der Nabe und der Seitenwand der Einspritzdüse
6 an einer gegenüber deren Mittellinie einwärts der Lufiauslaßöffnungen S gelegenen Stelle
dargestellt. Der Brennstoffstrom ist mit A angedeutet, die Luftzufuhr mit B gekennzeichnet.
Bei dieser Brennkammer ist der Durchmesser der Nabe 3 der Drallvorrichtung 1 auf zweckmäßige
Weise vergrößert ausgebildet, wobei die radialen Schaufeln der Drallvorrichtung 1 ohne einen an ihren
Spitzen angebrachten Mantelring an der Nabe befestigt sind. Infolgedessen streicht eine über die Ober-
S fläche der Nabe geleiteter, verwirbelter Luftstrom auswärts des Endes einer Zündkerze vorbei und werden
außerdem stromabwärts der Zündkerze stabile Wirbel erzeugt, so daß eine Brennstoffanreicherung
auf der Oberfläche des Einspritzkegels stattfindet und sich sehr stabile Zündung und Verbrennung erzielen
lassen. Da zudem der Schaufelanstellwinkel klein gehalten werden kann, lassen sich die Zündeigenschaften
ohne Erhöhung des Rauchbildungsgrades verbessern.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird das unter Aufladedruck stehende
Arbeitsfluid in den auf der Achse der Brennkammer liegenden Zentraibereich derselben nahe des Einspritzventils
eingeblasen, wo das Gemisch zu einer
ao Verfettung neigt, im Hochlastbetrieb der Brennkammer
wird hierdurch der Rauchbildungsgrad vermindert.
Gemäß Fig. 1 sind ein im Abstandsstück 7 ausgebildeter
Einlaß 17 für unter Aufladedruck stehendes Arbeitsfluid, ein Verteiler 12, mit dessen Hilfe das
Arbeitsfluid gleichmäßig auf jede der verschiedenen Brennkammern verteilt wird und ein Aufladedruck-Regelventil
13 vorgesehen, welches den durch ein unmittelbar vom Auflader oder von der Gasturbine getriebenes
Gebläse gelieferten Aufladedruck in der Weise regelt, daß das Druckgefälle zwischen dem verdichteten
Arbeitsfluid und dem Inneren der Brennkammer etwa 1 bis 2 kg/cm2 beträgt.
Das Arbeitsfluid wird über eine Anzahl von Luftauslaßöffnungen 5 von jeweils 2 bis 3 mm Durchmesser
in der Weise ausgetragen, daß es axial und ohne Drallkomponente strömt und einen Differenzdruck
von 1 bis 2 kg/cm2 besitzt, oder aber in dieselbe Richtung wie die verwirbelten Brennstoffteilchen und mit
tangentialen Drallkomponenten strömt. Bei dieser Ausführungsform wird das vorverdichtete, mit geringem
Differenzdruck gegenüber dem Innendruck der Brennkammer über den Einlaß 17 zugeführte Arbeitsfluid
C durch das Regelventil 13 bezüglich Druck und Durchsatzmenge geregelt. Soll der Rauchbildungsgrad
gesenkt werden, so wird das Regelventil 13 geöffnet, um das durch den Einlaß 17 strömende
Arbeitsfluid C über die öffnungen 5 in die Brennkammer einströmen zu lassen, so daß der Rauchbildungsgrad
auf etwa B.S.N = 3 gesenkt werden kann (Bacara Smoke Number = in der ganzen Welt benutzter
Begriff zur Bestimmung eines Rauchpegels durch Vergleich der Schwärze des an der Oberfläche
eines Filterpapiers während einer Zeiteinheit, während welcher ein Verbrennungsgas das Filterpapier
durchströmt, anhaftenden Kohlenstoffs mit Norm-Schwärzungswerten von 0 bis 9). Bei dieser Ausführungsform
kann mithin der Rauchgrad zu jedem beliebigen Zeitpunkt auf einen gewünschten Wert
eingestellt werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform ist eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 1, bei
welcher ein inneres Leitblech 11 in Schrägstellung am inneren Ende der Nabe 3 der Drallvorrichtung befestigt
ist. Dieses Leitblech wird von einer Anzahl kleiner öffnungen 11' durchsetzt, über welche das die
Schaufeln 1 der Drallvorrichtung durchströmende Arbeitsfluid selbsttätig ausgestoßen wird. Die anderen
Konstruktionseinzelheiten entsprechen der Ausführungsform nach Fig. 1, wobei die der Fig. 1 entsprechenden
Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind.
Bei dieser Ausführungsform wird bei zunehmender Belastung, d. h. Luftdurchsatzmenge und -druck, der
Brennkammer ,selbsttätig verdichtetes Arbeitsfluid über die kleinen öffnungen 11' des Leitbleches 11
dem mit Brennstoff angereicherten Bereich zugeführt, wodurch die Rauchentwicklung auf etwa B.S.N. =
2 reduziert werden kann.
,Obgleich bei der Ausführungsform nach Fig. 1 das Dichtglied 9 vorgesehen ist, um das Ausblasen des
Arbeitsfluids über die kleinen öffnungen 5 zu erleichtern, ist dieses Dichtglied nicht unbedingt erforderlich.
In manchen Fällen ist es sogar vorteilhaft, dieses. Dichtglied wegzulassen, um eine Kohleablagerung
an der Brennstoff-Einspritzöffnungzu verhindern.
In Fig. 3 ist schließlich noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher eine
Luftabnahme- bzw. -einspeiseeinrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe die Zündeigenschaften bei Betriebsbeginn,
dvh. beim Anlassen, weiter verbessert werden können und die Rauchentwicklung beim Lastbetrieb
frei geregelt werden kann.
In Fig. 3 sind die den vorher beschriebenen Ausführungsforrnen
entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Für die folgende Beschreibung
wird d^her auf die vorher erläuterten Äusführungsformen verwiesen. ;
Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 weist einen mit dem Durchgang 17 kommunizierenden Durchgang
18, einen Lufteinlaß 19 in der Rückwand der Drallvorrichtung ausgebildete öffnungen 19', eine Luft-Ladevörrichtung
20, einen Verteiler 21, mit welchem die Leitungen von den einzelnen Brennkammern verbunden
sind, sowie elektromagnetische Ventile 22 und 23 auf.
Beim Anlassen der Gasturbine wird bei dieser Ausführungsform das Ventil 23 geschlossen und das Ventil
22 voll geöffnet und wird weiterhin die Brennkammer so eingestellt, daß der durch die Schaufeln 1
streichende Luftstrom über die öffnungen 19' sowie die Durchgänge 17,18 teilweise zur Außenluft abgeleitet
wird. Hierdurch wird die der Brennkammer eingespeiste Luft teilweise zur Außenluft umgeleitet, so
daß die Zündung zufriedenstellend erfolgen kann. Nach erfolgter Zündung wird das Ventil 22 geschlossen
und das Ventil 23 in Abhängigkeit von einem Si-
1S gnal geöffnet, welches die erfolgte Zündung anzeigt
und für die Turbinenaustrittstemperatur oder die Turbinendrehzahl repräsentativ ist. Hierauf wird das Arbeitsfluid
unter Aufladedruck über die Durchgänge 17, 18 in den primären Verbrennungsbereich der
Brennkammer eingeblasen.
Durch Vergrößerung des Öffnungsgrades des elektromagnetischen
VentHs 23 mit zunehmender Turbinendrehzahl kann die Rauchentwicklung bei zunehmender
Belastung verringert werden.
a5 Die Menge der zu Beginn der Zündung über die
öffnungen 19' sowie durch die Durchgänge 17, 18 nach außen umgeleiteten Luft beträgt etwa 10% der
der Brennkammer zugeführten Gesamtluftmenge.
Die Wirkung der Verbesserung der Zündeigen-
schäften durch Verringerung der zum Zündungszeitpunkt
eingespeisten Luftmenge sowie die Wirkung der
Reduzierung des Rauchbildungsgrades durch Erhöhung der Luftmenge im Lastbetrieb sind bereits in
Verbindung mit den vorher beschriebenen Ausführungsformen erläutert worden und brauchen daher
nicht erneut beschrieben zu werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Brennereiniichtung für eine Gasturbinenbrennkammer, mit einer Brennstoffeinspritzdüse
und mit einem letztere konzentrisch umgebenden hohlzylindrische η und an seinem stromabwärts der
Einspritzdüsenmündung liegenden Ende nach innen eingezogenen Nabenkörper, der außen eine
Drallvorrichtung für die Primärluftzufuhr trägt und innen von einem zusätzlichen primären Arbeitsfluid
durchströmt wird, von dem mindestens ein Teil durch mehrere, im eingezogenen Teil des
Nabenkörpers angeordnete kleine Öffnungen der Brennzonc zuströmt, dadurch gekennzeichnet,
daß die kleinen Öffnungen (5) mit einer Einrichtung zum Aufladen des zusätzlichen Arbe itsfluids
über ein oder zwei Regelventile (13 bzw. 23, 22) verbunden sind, durch die Druck und
Durchsatz des durch die kleinen Öffnungen (5) strömenden Arbeitsfluids abhängig von der
Brennkammerleistung regelbar sind.
2. Brennereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Arbeitsfluid
Primärluft oder Wasser ist.
3. Brennereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Nabenköroer (3)
öffnungen (10) vorgesehen sind, die den Innenraum zwischen hohlzylindrischem Nabenkörper
(3) und Einspritzdüse (6) mit der Primärluft verbinden und daß der das zusätzliche Arbeitsfluid
führende Innenraum über einen Kanal (17, 18) mit einer Einrichtung (20 bis 23) zum Ablassen
bzw. Einspeisen des Arbeitsfluids verbunden ist.
4. Brennereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Nabenkörper (3)
an dessen der Brennkammer zugewandten Ende ein konisches Leitblech (11) ausgebildet ist, in
dem kleine öffnungen (11') angeordnet sind, deren Achsen so gerichtet sind, daß die die Drallvorrichtung
(1) durchströmende Primärluft selbsttätig über die im konischen Leitblech (11) vorgesehenen
kleinen öffnungen auf den Einspritzkegel trifft.
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ID=27521227
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