DE2160675C3

DE2160675C3 - Brennereinrichtung für eine Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE2160675C3
Application number: DE19712160675
Authority: DE
Inventors: Katsuyuki Akashi Hyogo Kawaguchi (Japan)
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1970-12-15
Filing date: 1971-12-07
Publication date: 1978-04-20
Also published as: FR2117965A1; IT943964B; CH531642A; DE2160675B2; DE2160675A1; FR2117965B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Brcnncrcinrichtung für eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Brennstoffeinspritzdüse und mit einem letztere konzentrisch umgebenden hohlzylindrischen und an seinem stromabwärts der Einspritzdusenmündung 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 Nabenköipers angeordnete kleine öffnungen der Brennzone zuströmt.

Die Rauchbildung in der Brennkammer einer Gasturbine ist dem Umstand zuzuschreiben, daß das Brennstoffgemisch im Lastbctrieb des Geräts lokal 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 Rauchbüdung müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

1. Zufuhr einer ausreichenden Luftmenge ;-y dem dicht an der Einspritzdüsenmündung gelegenen

Bereich, da hier das Gemisch zu einer Überfettung tendiert und das für die vollkommene Verbrennung erforderliche theoretische Mischungs-• verhältnis von 13,5:1 in diesem Bereich nicht ¹S eingehalten werden kann.

2. Begünstigung der Vermischung der Brennstoff-. teilchen mit Luft in den nahe der Achse der

Brennkammer gelegenen Bereichen.

3. Verwirbelung der Brennstoffteilchen und der Luft, da ein Druckanstieg im Inneren der Brennkammer zu einer Verkleinerung des Einspritzkegeiwinkeis der Brennstoffteilchen und mithin zu erhöhter Rauchbildung in der Brennkammer führt.

^a5 Es ist bereits versucht worden, bekannte Brennereinrichtungen mit Drallvorrichtungcn im Sinne obengenannter Bedingungen zu verbessern. Die Schwierigkeitbesteht jedoch darin, daß bei Verringerung der Rauchbildung durch Begünstigung der Luftzirkula tion 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 Zünd eigenschaften oder der Rauchbildungseigenschaften 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

5» als nachteilig angesehen, daß die durch die kleinen öffnungen strömende Verbrennungsluft praktisch nicht geregelt werden kann, da das Verhältnis dieser Luft zum Durchsatz der übrigen Verbrennungsluft durch die gegebenen Strömungsquerschnitte festge-

SS legt ist und somit nicht lastabhängig geregelt werden kann. Abhängig von der Belastung wird es daher bei der bekannten Brennereinrichtung bei Vollast trotzdem zu einer Rauchentwicklung kommen, oder bei größerer Dimensionierung der öffnungen beim An fahren zu Zündschwierigkeiten kommen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindungj die Brenncreinrichtung für eine Gasturbinenbrennkammer so auszubilden, daß die Rauchentwicklung der Brennkammer im Betrieb mit hoher Belastung vermindert

*5 wird, ohne die Zündeigenschaften der Brennkammer zu beeinträchtigen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die kleinen öffnungen mit einer Einrichtung zum

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Aufladen des zusätzlichen Arbeitsfluids über ein oder zwei Regelventil 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 Ste uerung 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 diekleinen 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. I 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 Lufteuslaßöffnungen 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 Luftauslaßöffnungen 5 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 ausgebikiet, wobei die radialen Schaufeln der Drallvorrichtung 1 ohne einen an ihren Spitzen angebrachten Mantelring an der Nabe befestigt sind. Infolgedessen streicht eine über die Oberfläche 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 Zentralbereich derselben nahe des Einspritzventiis eingeblasen, wo das Gemisch zu einer

Verfettung neigt, im Hochlastbetrieb der Brennkammer wird hierdurch der Rauchbtl^ngsgrad vermindert.

Gemäß Fig. 1 sind ein im Abstandsstück 7 ausgebildeter Einlaß 17 für unter Aufladedruck stehendes Arbeitsfluid, ein Verteiler 12, mit dessen Hilfe das ArbeitsiJuid 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 ausgetiagen, 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 Cdurch das Regelventil 13 bezüglich Druck und Durchsatzmenge geregelt. Soli 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 njiS 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

Konstruktionscinzelheitcn 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 1Γ des Leitblechcs 11 dem mit Brennstoff angereicherten Bereich zugeführt, wodurch die Rauchentwicklung aul etwa B.S.N. = 2 reduziert werden kann.

Obgleich bei der Ausführungsform nach fig. I das Dichtglied 9 vorgesehen ist, um das Ausblasen des Arbeitsfluids über die kleinen Öffnungen S zu erleichtern, ist dieses Dichtglied nicht unbedingt erforderlich. In manchen Fällen ist es sogar vorteilhaft, dieses Dichtglied wegzulassen, um eine Kohlcablagcrungan der Brcnnstoff-Einspritzöffnunj· zu 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, d. h. beim Anlassen, weiter verbessert werden können und die Rauchentwicklung beim Lastbetrieb frei geregelt werden kann.

In Fig. 3 sind die den vorher beschriebenen Ausführungsformen entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Für die folgende Beschreibung wird daher auf die vorher erläuterten Ausführungsformen 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-Ladevorrichtung 20, einen Verteiler 21. mit welchem die Leitungen von den einzelnen Brennkammern verbunden sind, sowie elektromagnetische Ventile 22 und 23 auf.

Beim Anlassen der Oasturbine 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-

'5 gnal geöffnet, welches die erfolgte Zündung anzeigt und für die Turbinenaustriltstemperatur oder die Tui binendrehzahl repräsentativ ist. Hierauf wird das Arbeitsfluid unter Aufladedruck über die Durchgänge 17, 18 in den primären Verbrennungsbercich der Brennkammer cingeblascn.

Durch Vergrößerung des Öffnungsgrades des elektromagnetischen Ventils 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 ai'⁽<en umgeleiteten Luft beträgt etwa 10% der der Brennkammer zugeführten Gesamtluftmenge.

Die Wirkung der Verbesserung der Zündeigenschäften durch Verringerung der zum Zündungszeitpunkt eingespeisten Luftmenge sowie die Wirkung der Reduzierung des Rauchbildungsgrades durch Erhöhung der Lultmengc 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

Patentansprüche:

1. BrennereinricfUung für eine Gasturbinenbrennkammer, mit einer Brennstoffeinspritzdüse und mit einem letztere konzentrisch umgebenden hohlzylindrischen und an seinem stromabwärts der Einspritzdüsenmündang 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, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinen Öffnungen (5) mit einer Einrichtung zum Aufladen des zusätzlichen Arbeitsfluids über ein oder zwei Regelventile (13 bzw. 23, 22) verbunden sind, durch die Druck und Durchsatz des durch die kleinen öffnungen (5) strömendes Arbeitsfluids abhängig von der Brennkammerleistung regelbar sind.

2. Brennereinrichtung nach Anspruch l,*dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Arbeitsfluid Primärluft oder Wasser ist.

3. Brennereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß i/n 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 Inr^nraum über einen Kanal (17, 18) mit einer Einrichtung (20 bis 23) zum Ablassen bzw. Einspeisen des Arheitsfluids 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.