DE2417147A1

DE2417147A1 - Gasturbinenbrennvorrichtung und verfahren zum betrieb der vorrichtung

Info

Publication number: DE2417147A1
Application number: DE2417147A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Koch
Original assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Current assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Priority date: 1974-04-03
Filing date: 1974-04-09
Publication date: 1975-10-16
Also published as: SE7503449L; FR2266803A1; FR2266803B3; CA1022757A; GB1495672A; IT1034688B; DE2417147C2; US4073134A; CH577627A5; JPS5761975B2; SE402479B; JPS50135415A

Description

BST 074/Stev

Brown Boveri - Sulzer Turbomaschinen Aktiengesellschaft,

Zürich, Schweiz

Gasturbinenbrennvorrichtung und Verfahren zum Betrieb der

Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenhrennvorrichtung und ferner ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.

Die üblichen Brennvorrichtungen für Gasturbinen bestehen aus einer grossen, im wesentlichen zylindrischen Brennkammer, an die eine Brennstoff- und Luftzufuhr angeschlossen ist. Die Luft wird zum Teil in der Nähe der Brennermündung als Drallluft zugeführt, während die restliche Luft über in der Wandung der Brennkammer verteilte Oeffnungen in die Brennkammer gelangt. In solchen bekannten Brennvorrichtungen entsteht bei der Verbrennung NO_x, das heisst es bilden sich aus dem Stickstoff der Verbrennungsluft Stickoxyde, die nach Arbeitsleistung der Gase in der Gasturbine mit den Gasen in die Atmosphä-

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re gelangen. Da die Stickoxyde die Umwelt belasten, sind Bestrebungen im Gange, die NQ_X-Bildung in den Verbrennungsprozessen möglichst zu verringeren. So sind in USA Vorschriften zu berücksichtigen, nach denen der NO2.-Geh.alt 5,4 gr. je kg Brennstoff nicht übersteigen darf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennvorrichtung für Gasturbinen zu schaffen, in der die NO_x-Bildung wesentlich vermindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Vorrichtung aus vielen kleinen, je eine eigene Brennstoff- und Luftzufuhr aufweisenden Primärbrennkammern und einer grossen Sekundärbrennkammer besteht, in die die Primärbrennkammern münden. Durch die Aufteilung des Verbrennungsprozesses auf viele kleine Primärbrennkammern wird die Verweilzeit der Verbrennungsluft in der Hochtemperaturzone der Flamme sehr klein, was zur Folge hat, dass nur sehr kleine Mengen an Stickoxyden gebildet werden. In der allen Primärbrennkammern gemeinsamen Sekundärbrennkammer ist die Flammentemperatur wesentlich niedriger als in den Primärbrennkammern, so dass in der Sekundärbrennkammer eine nur noch unbedeutende NO_x-Bildung auftreten kann. Wesentlich für die geringe NO_x-Bildung in der erfindungsgemässen Brennvorrichtung ist ferner das Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung, das darin besteht, dass die Luftzufuhr zu jeder Primärbrennkammer so eingestellt wird, dass die Luftüberschusszahl A mindestens 2 beträgt. Dadurch dass die gemeinsame Se-

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kundärbrennkammer relativ gross zu den Primärbrennkarnmern bemessen, ist, wird der weitere Vorteil erreicht, dass in der Sekundärbrennkammer ein vollständiger Ausbrand stattfindet, so dass auch der CO-Gehalt der Gase sehr klein wird.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Primärbrennkammerη mit ihren Austrittsöffnungen auf einer kugelförmig oder angenähert kugelförmig gewölbten Fläche verteilt angeordnet. Durch diese Anordnung tritt der Vorteil auf, dass sich in der Sekundärbrennkammer eine kompakte Flamme ausbildet. Eine solche kompakte Flamme ist besonders günstig, um von ihr aus eine einwandfreie Zündung in den Primärbrennkammern zu er-

leinzeln oder gruppenweise; reichen, wenn diese nacheinander in Betrieb genommen werden. Es ist in diesem Fall also nicht notwendig jeder Primärbrennkammer eine eigene Zündvorrichtung zuzuordnen. Die Anordnung der Primärbrennkammern auf einer kugelförmig gewölbten Fläche hat weiter den Vorteil einer guten Vermischung der aus den Primärbrennkammern austretenden Flammengase in der Sekundärbrennkammer. Diese gute Vermischung führt zu einer gleichmässigeren Temperaturverteilung innerhalb der Sekundärbrennkammer.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Brennstoffzufuhr jeder Primärbrennkammer zu- und abschaltbar, s.o dass die Luf tüber schuss zahl in den in Betrieb befindlichen Primärbrennkammern über der Last ungefähr konstant gehalten werden kann.

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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist im Bereich der Primärbrennkammern mindestens ein in die Sekundärbrennkammer mündender Anfahrbrenner vorgesehen, der zweckmässig im Zentrum der gewölbten Fläche der Sekundärbrennkammer angeordnet-ist. Mit diesem Anfahrbrenner wird es auf einfache Weise möglich, die Gasturbinenanlage ohne Verwendung der Primärbrennkammern anzufahren; das ist die Phase·, während der die Gasturbine von der Zünddrehzahl auf die Synchrondrehzahl ohne Last gebracht wird. Wegen der sich glockenförmig in der Sekundärbrennkammern ausbreitenden Flamme des Anfahrbrenners wird das Zünden der ihm benachbarten, zuerst in Betrieb zu setzenden Primärbrennkammerη erleichtert.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch vereinfacht im Vertikalschnitt eine Brennvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 und 3 je einen vertikalen Teilschnitt durch eine Primärbrennkammer und

Fig. 4 ein Diagramm über den Betrieb der erfindungsgemässen Vorrichtung.

Gemäss Fig. 1 besteht die Brennvorrichtung im wesentlichen aus einer Anzahl, zum Beispiel 40, Primärbrennkammern 1 und einer

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., 5 —

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Sekundärbrennkammer 2. Die Primärbrennkammern 1 sind auf der in Fig. 1 oberen kugelförmig gewölbten Begrenzungsfläche 3 der Brennkammer 2 verteilt angeordnet. Jede Primärbrennkammer 1 besteht aus einem den Brennraum begrenzenden Mantel 4, einer eigenen Brennstoffzufuhr 10 und einer eigenen Luftzufuhr 11, wobei die Brennstoffzufuhr 10 mit Hilfe eines Ventils 12 zu- und abschaltbar ist. Die Achsen der im wesentlichen zylindrischen Primärbrennkamniern 1 stehen senkrecht zu der kugelförmig gewölbten Begrenzungsfläche 3, so dass die Achsen aller Brennkammern 1 praktisch im selben Punkt zusammentreffen. An die Begrenzungsfläche 3 der Sekundärbrennkammer 2 schliesst sich in Fig. 1 nach unten ein zylindrischer Rohrabschnitt 9 an, der sich dann in einen kegelstumpfartigen Rohrabschnitt 13 fortsetzt. Die Sekundärbrennkammer 2 ist mit Abstand von einem Mantel 30 umgeben, dessen Gestalt derjenigen der Rohrabschnitt 9 und 13 entspricht und an den sich oben eine kugelförmige Haube 31 anschliesst, die von Führungsrohren 17 für. die Brenner der Primärbrennkammern 1 durchdrungen \tfird.Die Sekundärbrennkammer 2 hat also im wesentlichen rotationssymmetrische Gestalt.

Im Zentrum der kugelförmig gewölbten Begrenzungsfläche 3 ist ein Anfahrbrenner 5 vorgesehen, der aus einer mit einem Ventil 40 versehenen Brennstoffzuführleitung 6, die in eine Düse 7 ausmündet, und einer Dralluftzufuhrvorrichtung 8 besteht. Dieser Anfahrbrenner 5 weist also keine eigene Brennkammer auf, sondern mündet direkt in die Sekundärbrennkammer 2.

Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, ist der Mantel 4 der Primär"brenn-

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kammern 1 am oberen Ende eingeschnürt und mit Drallblechen 14 versehen, die zusammen mit einer konischen Wand 36. die Luftzufuhr 11 bilden. Jede Primärbrennkammer 1 weist in ihrem zylindrischen Mantel 4 mehrere Löcher 15 auf, durch die zusätzliche Verbrennungsluft in die Primärbrennkammer eintreten kann. Ausser der Luftzufuhr 11, bei der die Luft an Drallblechen 14 in Rotation versetzt wird, und der Luftzufuhr durch die Löcher 15 ist noch eine dritte Luftzufuhr vorgesehen, und zwar durch Löcher 16, die in dem die Brennstoffdüse 27 umgebenden Führungsrohr 17 angebracht sind. Die durch die Löcher 16 eintretende Luft wird durch eine Drallvorrichtung 18 ebenfalls in eine rotierende Wirbelbewegung versetzt und tritt nahe dem aus der Düse 27 fein verteilt austretenden Brennstoff in die Primärbrennkammer 1 eh.. Durch die aus den Drallvorrichtungen 18 und 14 austretenden Luftströme wird eine intensive Vermischung der Luft mit dem Brennstoff erreicht. Jede Primärbrennkammer 1 kann mit einem PiIotbreimer versehen sein.

Die Primärbremikammer 1 nach Fig. 3 ist mit ihrem Mantel 4 entsprechend der Anordnung in Fig. 1 nahe dem unteren Ende auf einem Tragblech 32 abgestützt, das die kugelförmig gewölbte Begrenzung sfläche 3 bildet. Die Abstützung geschieht zum Beispiel in der Weise, dass ein den Mantel 4 umschiiessender Ring 20 auf dem Blech 32 ruht,_t der über eine sich in axialer Richtung erstreckende Hülse 21 mit dem Mantel 4 verbunden ist.

Die Primärbrennkammer 1 nach Fig. 2 ist ebenfalls nahe ihrem' unteren Ende abgestützt, jedoch nicht direkt auf einem die Be-

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grenzungsfläche 3 bildenden Blech, sondern auf einem die Brennkammer mit Spiel umgebenden Ring 25, der über ein zur Brennkammer koaxiales, schwach kegeliges Rohr 26 mit einem Tragblech verbunden ist. Die Brennkammer 1 ruht auf dem Ring 25 über einen Ring 20', der über eine Hülse 21' mit dem Mantel 4 verbunden ist. Das Rohr 26 setzt sich unterhalb des Ringes 25 bis zur Unterkante der Brennkammer 1 als Kegelstumpf 37 fort. Das Rohr 26 kann auch zylindrisch ausgebildet sein.

Die Primär-brennkammern 1 sind so ausgelegt, dass in jeder von ihnen eine wesentlich höhere Brennkammerbeiastung, zum Beispiel 15¹OOO - 30'0OO kW/m² bar, herrscht als in der Sekundärbrennkammer 2. . · '

Zum Anfahren der Gasturbinenanlage wird nur der Anfahrbrenner 5 gezündet. Die zur Verbrennung notwendige Luft kommt vom nicht dargestellten Kompressor her und durchströmt den Raum zwischen der Sekundärbrennkammer 2 einerseits und dem Mantel 30 und der kugelförmigen Haube 31 andererseits. In der Drallvorrichtung 8 wird die Luft in Rotation versetzt und vermischt sich mit dem aus der Düse 7 austretenden Brennstoff.

Bei Uebergang auf Lastbetrieb, d.h. nach Erreichen der Lastdrehzahl oder Synchrondrehzahl der Gasturbine, werden nacheinander die Primärbrennkammerη 1 durch Oeffnen des zugehörigen Ventils 12 in der jeweiligen Brennstoffzufuhrleitung 10 zugeschaltet¹, und zwar werden die dem Änfahrbrenner am nächsten befindlichen Brenn-

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kammern 1 zuerst in Betrieb gesetzt. Das Zünden der Primärbrennkammern 1 erfolgt von der Flamme des Anfahrbrenners 5 her und später auch von den Flammen benachbarter Primärbrennkammerη 1

,oder mehrerer Primärbrennkammern, her. Beim Zuschalten einer Primärbrennkammer '"steigt die Luftüb.erschusszahl jeweils etwas an und fällt dann mit zunehmender Brennstoffzufuhr wieder etwas ab. Auf diese Weise ergibt sich die in Fig. 4 dargestellte Sägezahnkurve, die die Luftüberschusszahl der Primärbrennkammern über der Brennstoffmenge wiedergibt. Aus der Sägezahnkurve ergibt sich also, dass die Luftüberschusszahl in den Primärbrennkammerη über den ganzen Lastbereich etwa konstant bleibt. Somit ist es mit der beschriebenen Vorrichtung möglich, auch Teillast zu fahren. Bei Betrieb im oberen Lastbereich und bei Vollast kann der Anfahrbrenner 5 abgeschaltet werden.

Die Länge der Pimärbrennkammern 1 ist so gewählt, dass die Verbrennung in ihnen nicht beendet wird. Die Flammen schlagen also aus den Primärbrennkammerη in die Sekundärbrennkammer 2 hinein, in der unter intensiver Vermischung dieser Primärflammen eine gemeinsame kompakte Sekundärflamme entsteht. Diese gemeinsame Sekundärflamme gewährleistet ein sicheres Zünden beim Zuschalten von Primärbrennkammern 1. Der durch die Düse 27 in den Primärbrennraum eintretende feinverteilte Brennstoff vermischt sich innig mit den beiden durch die Drallvorrichtungen 18 und 14 zugeführten Luftströme und gelangt nach teilweiser Verbrennung ziemlich rasch in die Sekundärbrennkammer 2, in der dann ein vollständiger Ausbrand stattfindet , wobei ein Teil der vom Kompres-

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sor kommenden Luft durch Löcher 38 im Rohrabschnitt 9 zur Sekundärflamme gelangt. Es ergibt sich also eine kurze Verweilzeit für den Brennstoff in den Primärbrennkammern. Durch diese kurze Verweilzeit sowie die hohe Luftüberschusszahl, die nach oben durch die Löschgrenze, d.h. das Verlöschen der Flamme, begrenzt ist, wird erreicht, dass der NO_x-Gehalt der Gase sehr klein wird-Die Gase gelangen über den konischen Rohrabschnitt 13 zur nicht dargestellten Gasturbine.

Wenn bei Teillastbetrieb einzelne Primärbrennkammern abgeschaltet werden, so bleibt die Luftzufuhr bei den abgeschalteten Primärbrennkammern 1 erhalten.

Es ist auch möglich, die Primärbrennkammern so auszubilden, dass die Luftzufuhr verstellbar ist, z.B. an dan Drallblechen 14. Dadurch kann die Luftüberschusszahl in den Primärbrennkammern über der Last ebenfalls etwa konstant gehalten werden. In diesem Falle bleiben alle Primärbrennkammern bei Teillast in Betrieb.

Statt einem Anfahrbrenner können auch einige Anfahrbrenner verteilt zwischen den Primärbrennkammern vorgesehen sein. Es ist auch möglich, statt mit dem Anfahrbrenner mit den Primärbrennkammern den Anfahrvorgang durchzuführen, wobei dann der gegebenen-

_tPilο tbrenner/ falls jeder Primärbrennkammer zugeordnete^zweckmässig ist.

Es ist möglich, einen Teil der Primärbrennkammern oder alle auf dem zylindrischen Rohrabschnitt 9 verteilt'anzubringen, wobei

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zweckmässig jeweils einige Brennkammern in einer gemeinsamen Querschnittsebene angeordnet sind.

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Claims

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• "Π ·

Patentansprüche

Ij Gasturbinenbrennvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass
sie aus vielen kleinen, je eine eigene Brennstoff- und Luftzufuhr aufweisenden Primärbrennkammern und einer grossen Sekundärbrennkammer besteht, in die die Primärbrennkammern münden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärbrennkammern mit ihren Austrittsöffnungen -auf einer kugelförmig oder angenähert kugelförmig gewölbten Fläche verteilt angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr jeder Primärbrennkammer zu- und abschalter ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Bereich der Primärbrennkammern mit mindestens einem in die
Sekundärbrennkammer mündenden Anfahrbrenner versehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der Anfahrbrenner im Zentrum der kugelförmig gewölbten Fläche angeordnet ist.

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6.Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärbrennkammern so ausgelegt sind, dass in jeder von ihnen im Betrieb eine wesentlich höhere Brennkammerbelastung (kW/m^ bar) herrscht als in der Sekundärbrennkammer.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand der Primärbrennkammern mit Löchern für eine zusätzliche Verbrennungsluftzufuhr versehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr zu mindestens einem Teil der Primärbrennkammern einstellbar ist.
9. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr zu jeder Primärbrennkammer so eingestellt wird, dass die Luftüberschusszahl λ mindestens 2 beträgt.

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