DE2901099A1 - Kraftstoffverdampfungsvorrichtung, damit ausgeruestete brennkammer und verfahren zum betreiben derselben - Google Patents

Kraftstoffverdampfungsvorrichtung, damit ausgeruestete brennkammer und verfahren zum betreiben derselben

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DE2901099A1
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DE
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fuel
air
combustion chamber
mixing
mixture
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DE19792901099
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George Devenport Lewis
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    • 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
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/30—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices
    • F23R3/32—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices being tubular

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Description

OTITED TECMOLOGIES CORPORATION Hartford,, Connecticut 06101, VeSt.A.
Kraftstoffverdampfungsvorrichtungs damit ausgerüstete Brennkammer und Verfahren zum Betreiben derselben
Die Erfindung bezieht sich auf Kraftstoffbrennkammern und betrifft insbesondere Brennkammern für Gasturbinentriebwerke, in xirelchen Kraftstoff und Luft vor dem Einleiten in die Verbrennungszone der Brennkammer vermischt
werden.
Auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke gehören die Ver™ brennungsgesetze zu den am schwierigsten zu beschreibenden und vorherzusagenden Vorgängen. Demgemäß haben in den letzten vierzig Jahren Verbrennungsvorrichtungen mit dem Aufkommen von neuen Theorien und Techniken eine dramatische Inderung nach der anderen erfahren.
Zu den jüngsten und vielversprechendsten Techniken gehört die in der Industrie unter dem Gattungsbegriff "Wirbelverbrennung" bekannte«. Grundsätzliche Darlegungen zur Wirbelverbrennung finden sich in den US-PSen 3 675 ■und 3 788 065- Die in diesen Patentschriften beschriebenen
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Möglichkeiten werden nun ausgenutzt, um eine schnelle und wirksame Verbrennung durchzuführen, wobei aber strenge Luftreinhaltungsauflagen weitere Portschritte in der Technologie erfordern.
Vielleicht die schwierigste Luftreinhaltungsauflage, der sich Wissenschaftler und Ingenieure gegenübersehen, ist das Erfordernis geringerer Emissionswerte an Stickstoffoxiden. Stickstoffoxide werden, beispielsweise, gemäß folgenden vereinfachten Reaktionsgleichungen erzeugt:
N2 + O2 + Wärme *· 2NO
2NO + O2 »- 2NO2
Beide Reaktionen erfordern das Vorhandensein von Sauerstoff und sehr hohe Temperaturen. Durch Begrenzen entweder des vorhandenen Sauerstoffes oder der Kraftstoffverbrennungstemperatur werden die Werte an erzeugten Stickstoffoxiden beträchtlich verringert. Unter normalen Bedingungen kann die Menge an Sauerstoff in der Brennkammer nicht ohne die nachteilige Nebenwirkung einer Erhöhung d-r Kohlenwasserstoffemissionswerte verringert werden..Überschüssiger Sauerstoff wird benötigt, um sicherzustellen, daß der Kraftstoff vollständig verbrannt wird. „Aus diesem Grund bieten die Verringerung der Brennkammertemperatur und die Verringerung der Zeitspanne, während der der freie Stickstoff und überschüssiger Sauerstoff der Brennkammertemperatur ausgesetzt sind, bessere Lösungen zur Verringerung der Emission von Stickstoffoxiden.
Ein Fortschritt aus jüngster Zeit bei der Verringerung des Gehaltes an Stickoxidschadstoffen in Brennkammerabgasen ist in der US-PS 3 973 375 beschrieben. Gemäß dieser Patentschrift wird der Brennkammerkraftstoff in dem
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verunreinigten Abgas eines Zünd- oder Pilotbrenners verdampft und anschließend auf ein mageres Kraftstoff/Luft-Verhältnis stromabwärts desselben verdünnt» Das Verdampfen des Kraftstoffes in dem verunreinigten Abgas hat eine Zündverzögerung zur Folge, so daß die Selbstzündung nicht erfolgt, bevor magere Verhältnisse erzielt sind«
Es sind aber noch weitere Fortschritte erwünscht und es müssen noch neue Techniken und Möglichkeiten entwickelt werden«, Zu diesem Zweck setzen Hersteller und Konstrukteure von Gasturbinentriebwerken weiterhin beträchtliche wirtschaftliche und personelle Mittel ein, um die Schadstoffemissionswerte zu senken und die Luftreinhaltungsauflagen zu erfüllen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Leistungsfähigkeit eines Gasturbinentriebwerkes zu verbessern und einen wirksamen Betrieb bei geringeren Schadstoffemissionswerten und insbesondere bei einem niedrigeren Wert der Emission an Stickstoffoxiden aus den Triebwerksbrennkammern zu erreichen»
Gemäß der Erfindung besteht eine Vorrichtung zum Verdampfen von Kraftstoff stromaufwärts einer Brennkammer aus einem langgestreckten, an den Enden offenen Rohr mit einem konvergierenden Abschnitt an dem strom auf !bärtigen Ende desselben und einem divergierenden Abschnitt an dem stromabwärtigen Ende desselben und aus einer Kraftstoffzufuhreinrichtung, die Kraftstoff in den konvergierenden Abschnitt des Rohres leitet, in welchem Luft in das stromaufwärtige Ende des Rohres strömen kann, um sich mit dem Kraftstoff in dem konvergierenden und in dem divergierenden. Abschnitt zu vermischen.
In. weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Verdampfungs-
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vorrichtung so ausgebildet, daß sie verdampften Kraftstoff in einer Umfangswirbelbewegung in den zentralen Teil einer Brennkammer leitet, welche mehrere Zünd- oder Pilotmischrohre in radialem Abstand außerhalb der Verdampfungsvorrichtung hat, die ein Kraftstoff/Luft-Gemisch in Umfangsrichtung in den radial äußeren Teil der Brennkammer abgeben, so daß die beiden wirbelnden Gemische ein starkes Zentrifugalkraftfeld in der Brennkammer aufbauen und dadurch das Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem zentralen Teil bei Zündung des Pilot-Kraftstoff/Luft-Gemisches radial nach außen in das Pilot-Kraftstoff/Luft-Gemisch treiben.
In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zum Begrenzen der Emissionen von Stickstoffoxiden aus einer Brennkammer gekennzeichnet durch folgende Schritte: Einströmenlassen von Kraftstoff und Luft in die Primärmischrohre mit einem Verhältnis zwischen ungefähr 50% und 75% des stöchiometrischen Verhältnisses für den verwendeten Kraftstoff; Vermischen des Kraftstoffes und der Luft in den Primärmischrohren; Abgeben des Gemisches aus den Primärmischrohren in Umfangsrichtung in den äußeren Teil einer Brennkammer; Zünden dieses Gemisches aus den Primärmischrohren; Einströmenlassen von Kraftstoff und Luft in ein Sekundärmischrohr mit einem Verhältnis, das ungefähr 75% des stöchiometrischen Verhältnisses für den benutzten Kraftstoff nicht übersteigt; Vermischen des Kraftstoffes und der Luft in dem Sekundärmischrohr; Beschleunigen des Kraftstoffes in dem Sekundärmischrohr; Verlangsamen des Kraftstoffes in dem Sekundärmischrohr; Virbein des Gemisches aus Kraftstoff und Luft in Umfangsrichtung; Abgeben des wirbelnden Gemisches aus Kraftstoff und Luft aus dem Sekundärmischrohr an den zentralen Teil der Brennkammer, wodurch das sekundäre Gemisch aus Kraftstoff und Luft radial nach außen in das gezündete Primärgemisch geschleudert wird.
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Ein Merkmal der Erfindung sind die Primär- oder Pilotkraftstoffrohre an dem stromaufwärtigen Ende der Brennkammer«, Die Pilotrohre haben, wie dargestellt, eine Schlangenliniengeometrie -und leiten das Kraftstoff/Luft-Gemisch in Umfangsrichtung in den äußeren Teil der Brennkammer«, Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist das Sekundärkraftstoff vormischrohr, das nahe der Achse der Brennkammer angeordnet ist» Das Sekundärrohr hat einen konvergierenden Abschnitt an dem stromaufwärtigen Ende des Rohres, in welchem Kraftstofftröpfehen "beschleunigt werden, und einen divergierenden Abschnitt an dem stromabwärtigen Ende des Eohres, in welchem Kraftstofftröpfchen verlangsamt werden. Das Sekundärrohr hat, wie dargestellt, einen Wirbler an seinem stromabwärtigen Ende, xf elcher dem aus ihm austretenden Kraftstoff/Luft-Gemisch eine Umfangswirbelbewegung gibt» Getrennte Einrichtungen zum Einströmenlassen von Kraftstoff in die Primär- und Sekundärmischrohre ermöglichen, die Kraftstoffzufuhr zu der Brennkammer abzustufen«.
Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die bessere Kraftstoffverdampfung und -Vermischung» Das Beschleunigen und Verlangsamen der Kraftstofftröpfchen in dem Mischrohr führt zum Abstreifen von Kraftstoffdampf von den Kraftstofftröpfchen und damit zur Verringerung der Größe der Tröpfchen, die zu der Verbrennungszone der Brennkammer geleitet werden. Die Verringerung der Größe der Kraftstofftröpfchen ermöglicht das Vermischen von Kraftstoff und Luft zu einem mageren Kraftstoff/Luft-.Verhältnis und verhindert eine Hochtemperaturverbrennung, die um große Kraftstofftröpfchen herum auftreten würde. Die Zwangsvermischung der Primär- und Sekundärkraftstoffströme in dem Zentrifugalkraftfeld fördert eine schnelle Verbrennung auf einer geringeren axialen Länge. Die Verringerung der axialen Länge der Brennkammer verringert das Ausmaß der Emission an Stick-
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s toff oxiden (NC) ) durch Begrenzung der Zeit, für die die Verbrennungsgase innerhalb der Bi^ennkammer extremen Temperaturen ausgesetzt sind. Gleichzeitig wird die Emission an Stickstoffoxiden durch Begrenzen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses innerhalb der Brennkammer auf magere Werte unterhalb der stöchiometrischen Verhältnisse verringert. Das Vorvermischen des Primärkraftstoffes und des Sekundärkraftstoffes in den betreffenden Mischrohren gewährleistet die gewünschten mageren Kraftstoff/Luft-Verhältnisse beim Einleiten in die Verbrennungszone.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische
Außenansicht der Brennkammer,
Fig. 2 eine vereinfachte Längs schnitt ansicht ■
der in ein Triebwerk eingebauten Brennkammer von Fig. 1,
Fig. 3 die Brennkammer von Fig. 1 in Vorder
ansicht,
Fig. 4 eine Querschnittansicht der Brennkammer
auf der Linie 4-4 von Fig. 2,
Fig. 5 ein Diagramm, welches das angewandte
Kraftstoffabstufungsverfahren nach der Erfindung zeigt,
Fig. 6 ein Diagramm, welches bei einem Betrieb
innerhalb des angegebenen bevorzugten Kraftstoff/Luft-Verhältnisses die
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Auswirkung auf die Brennkammertemperatur zeigt,
Fig. 7 eine Längsschnittansicht des Sekundär
oder Hauptmischrohres und
Fig. 8 ein Diagramm, welches die Gasgeschwindig
keit und die Kraftstofftröpfchengeschwindigkeit über der axialen Länge des Sekundär- oder Hauptmischrohres zeigt.
Eine zylindrische Brennkammer (Combustor) ist in Fig. 1 in perspektivischer Ansicht gezeigt. Die Brennkammer hat eine Kraftstoff/Luft-Mischzone 10, eine. Verbrennungszone und eine Verdünnungszone 14. Die Verbrennungszone 12 wird durch einen zylindrischen Körper 16 gebildet. Die Kraftstoff/Luft-Mischzone 10 enthält mehrere Primär- oder Pilotmischrohre 18 und ein einziges Sekundär- oder Hauptmischrohr 20« Die Rohre 18 haben jeweils eine Schlangenliniengeometrie und geben jeweils die hindurchströmenden Gase in Umfangsrichtung in den radial äußeren Teil der Verbrennungszone der Brennkammer ab«. Das Hauptmischrohr 20 ist bezüglich der Brennkammer axial ausgerichtet und nahe der Achse der Brennkammer angeordnet, wobei aber die Achsen des Hauptmischrohres und der Brennkammer nicht notwendigerweise zusammenzufallen brauchen« Das Rohr 20 gibt ein hindurchströmendes Gas in den zentralen Teil der Verbrennungszone 12 ab.
Die Brennkammer ist ausführlicher in der Schnittansicht in Fig. 2 dargestellt. Obgleich nur eine einzelne Brennkammer dargestellt ist, werden in jedem Triebwerk mehrere derartige Brennkammern benutzt«, Die Brennkammern, von denen größenordnungsmäßig etwa acht oder zehn vorhanden sind, sind in umfangsmäßigen Abständen um das Triebwerk herum
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in einem Ring 22 zwischen einem inneren Triebwerksgehäuse 24 und einem äußeren Triebwerks gehäuse 26 angeordnet. Ein Diffusor 28 führt von einem Verdichtungsabschnitt (nicht gezeigt) aus axial in den Ring 22. Jede Brennkammer gibt über einen Übergangskanal 30 ihre Gase an einen Turbinenabschnitt (nicht gezeigt) ab. Verdünnungsluft kann in die Verdünnungszone der Brennkammer durch Verdünnungslöcher 32 einströmen. Ein Zünder 34- ist in dem Bereich, in welchem von den Primärrohren 18 das Kraftstoff/Luft-Gemisch abgegeben wird, in die Brennkammer eingeführt. Das Sekundärrohr 20 hat einen konvergierenden Abschnitt 21 an seinem stromaufwärtigen Ende und einen divergierenden Abschnitt 23 an seinem stromabwärtigen Ende. Ein Kraftstoffzuführeinrichtung 38 sprüht Kraftstoff in den konvergierenden Abschnitt des Rohres.
Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht der Brennkammer. Jedes Primärrohr 18 hat eine Kraftstoffzuführeinrichtung 36 an seinem stromaufwärtigen Ende. Das Sekundärrohr 20 hat eine Kraftstoffzuführeinrichtung 38 an seinem stromauf wärtigen Ende. Die PrimärkraftstoffZufuhreinrichtungen und die Sekundärkraftstoffzufuhreinrichtung sind unabhängig voneinander so betätigbar, daß die Kraftstoffzufuhr zu der Brennkammer abgestuft werden kann.
Fig. 4 zeigt eine Querschnittansicht der Brennkammer in Blickrichtung stromaufwärts durch die Verbrennungszone. Über dem stromabwärtigen Ende des Sekundärrohres 20 ist ein Wirbler 40 angeordnet. Der Wirbler besteht aus mehreren Schaufeln 42, welche den durch das Sekundärmischrohr strömenden Gasen eine Umfangswirbelbewegung geben. Ein zentraler Stopfen 44 mit einer Anzahl Löcher 46 ist in der Mitte des Mischrohres angeordnet. Jedes Primär- oder Pilotmisch-
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rohr 18 (nicht gezeigt) mündet über eine Öffnung 4-8 in die Brennkammer. Die über die Öffnungen 48 austretende Strömung wird veranlaßt, in Umfangsrichtung um die Kammer entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher die Gase aus dem Sekundärmischrohr abgegeben werden, herumzuwirbeln·
Während des Betriebes der Brennkammer wird Kraftstoff über die Zufuhreinrichtungen 36 zu den Primärmischrohren 18 geleitet. Der Kraftstoff vermischt sich mit Luft in den Primärrohren in einem Verhältnis, das in einem Bereich von ungefähr 50% bis 75% des stöchiometrischen Verhältnisses für den benutzten Kraftstoff liegt. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch wird anschließend in die Verbrennungszone 12 der Brennkammer über die Öffnungen 48 abgegeben.' Die Schlangenliniengeometrie der Rohre 18 gibt dem von ihnen abgegebenen Kraftstoff/Luft-Gemisch eine ümfangswirbelbewegung. Das wirbelnde Gemisch wird in der Verbrennungszone durch den Zünder 34 gezündet.
■Wenn der Leistungswert des Triebwerkes erhöht wird, wird zusätzlicher Kraftstoff über die Zufuhreinrichtung 38 dem Sekundärrohr 20 zugeführt. Der Kraftstoff in dem Sekundärrohr 20 vermischt sich mit hindurchströmender Luft in einem Verhältnis, welches kleiner als ungefähr 75% des stöchiometrischen Verhältnisses für den benutzten Kraftstoff ist. In das Sekundärrohr eingeleiteter Kraftstoff wird in den konvergierenden Abschnitt 21 abgegeben. Luft, die in das Sekundärrohr 20 strömt, wird in dem konvergierenden Abschnitt gleichzeitig so beschleunigt, daß die Geschwindigkeit der Luft an der Stelle der Kraftstoffeinspritzung größer als die Geschwindigkeit der Kraftstofftröpfchen ist. Wenn die Kraftstofftröpfchen in dem Rohr verdampfen, wird demgemäß der Dampf von den Tröpfchen abgeschert, um die weitere Verdampfung zu fördern. Infolgedessen werden die
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Kraftstofftropfchen beschleunigt. Wenn das Kraftstoff/ Luft-Gemisch in den divergierenden Abschnitt 23 eintritt, wird das Gemisch verlangsamt. Die Tröpfchen, die ein größeres Bewegungsmoment in dem Strom haben, werden weniger schnell verlangsamt als die Luft, was zu einem weiteren Abscheren von Dämpfen von den Tröpfchen führt. Die Wände des Sekundärrohres in dem divergierenden Abschnitt divergieren unter einem Winkel von 7° über einer axialen Länge von ungefähr 1°> cm in einer Ausführungsform, in welcher die Kraftstofftröpfchen in ihrer Größe von 50 pm zu Tröpfchen mit einer Größe in der Größenordnung von 2 pm bis 20 pm verringert werden. Fig. 8 zeigt die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Gasstrom und dem Tröpfchenstrom, die die Verdampfungsgeschwindigkeit erhöht.
Gemäß den Fig. 7 "und 8 ist ein Venturi-Abschnitt an dem stromaufwärtigen Ende des Rohres 20 gebildet. Die Luftgeschwindigkeit an der Kraftstoffdüseneinsprxtzebene liegt in der Größenordnung von 0,5 Mach. Der niedrige statische Druck in diesem Gebiet gestattet die Verwendung einer Druckluftzerstäuberdüse in der Kraftstoffzufuhreinrichtung 38. Der fallende statische Druck in dem konvergierenden Abschnitt 21 beschleunigt die Luft und verhindert die Rückführung von Kraftstoffdämpfen aus dem stromaufwärtigen Ende des Kraftstoffrohres. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Rohr 20 vfird anschließend über die Wirbelschaufeln 4-2 geleitet. Die Schaufeln geben dem Gemisch eine Umfangswirbelbewegung und in Kombination mit dem wirbelnden Kraftstoff/Luft-Gemisch aus den Primärrohren kommt es zur Ausbildung eines starken Zentrifugalkraftfeldes innerhalb der Verbrennungszone.
Durch. Zünden und Verbrennen des Primär-Kraftstoff/Luft-Gemisches wird die Dichte der Gase in dem radial äußeren
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Teil der Verbrennungszone beträchtlich verringert. Demgemäß wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch aus den Sekundärrohren nach außen in diese heißen, weniger dichten Gase geschleudert. Die heißen Gase erhöhen die Temperatur des Sekundär-Kraftstoff/Luft-Gemisches über den Selbstzündungspunkt, so daß es zur Zündung des Sekundärgemisches kommt. Das Zwangsvermischen des Sekundär-Kraftstoff/Luft-Gemisches mit dem verbrennenden Primär-Kraftstoff/Luft-Gemisch führt zu sehr schnellen Verbrennung des verfügbaren .Kraftstoffes. Infolgedessen kann die'Zeit, während der Stickstoff und Sauerstoff enthaltende Gase hohen Verbrennungstemperaturen ausgesetzt sind, durch das Einleiten von die Temperatur verändernder Verdünnungsluft durch die Löcher 32 verkürzt werden.
Das hier beschriebene Verbrennungsverfahren wird anhand von Fig. 6 besser verständlich, die ein Diagramm zeigt, in welchem die Verbrennungstemperatur in Abhängigkeit von dem Kraftstoff/Luft-Verhältnis aufgetragen ist. Gemäß der Erfindung wird die Brennkammer mit mageren Kraftstoff/Luft-Verhältnissen betrieben, d.h. in einer sauerstoffreichen Umgebung, in welcher die Verbrennungstemperatur wesentlich unterhalb der stöchiometrischen Temperatur liegt. Kraftstoff/Luft-Verhältnisse, die 75% der stöchiometrischen Werte nicht übersteigen, begrenzen die Erzeugung von Stickstoffoxiden ausreichend. Nebenher sorgt überschüssiger Sauerstoff für eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffes und damit für eine geringe Kohlenmonoxidemission.
Zum Aufrechterhalten von niedrigen Kraftstoff/Luft-Verhältnissen wird eine abgestufte Verbrennung benutzt. In dem gesamten Betriebsbereich des Triebwerkes werden die Kraftstoff/Luft-Verhältnisse sowohl in den Primärrohren als auch in den Sekundärrohren genau kontrolliert.
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Das Diagramm von Fig. 5 zeigt die Kraftstoffabstufungstechnik und die entsprechenden Kraftstoff/Luft-Verhältnisse für ASTM(American Society for Testing Materials)-2880 2GT- Nr. 2 - Gasturbinendieselöl. Das Kraftstoff/Luft-Verhältnis wird in den Primärrohren in dem Bereich von 0,035 bis 0,050 gehalten. Innerhalb dieses Bereiches ist der Kraftstoff durch den Zünder 34- zündbar und nach seiner Zündung kann eine stabile Verbrennung aufrechterhalten werden. An einem Punkt oberhalb der Leerlaufleistung beginnt der Sekundärkraftstoff zu strömen. Aus dem Diagramm von Fig. 5 ist zu erkennen, daß der Sekundärkraftstoff mit Anfangsverhältnissen, die nahe bei null liegen, zuströmen kann. Die Verbrennung könnte zwar bei diesen niedrigen Kraftstoff/Luft-Verhältnissen allein nicht aufrechterhalten werden, bei der hier beschriebenen Brennkammer wird jedoch das Sekundär-Kraftstoff/Luft-Gemisch radial auswärts in das verbrennende Primär-Kraftstoff/Luft-Gemisch geschleudert. Innerhalb des verbrennenden Primärgemisches überschreiten.die örtlichen Temperaturen der sich vermischenden Gase den Selbstzündungspunkt des Kraftstoffes und die Verbrennung des Sekundärkraftstoffes wird ermöglicht. Vereinigter Primär- und Sekundärkraftstoff strömen weiter, wenn sich das Triebwerk der vollen Leistung nähert. Es ist insbesondere zu erkennen, daß bei voller Leistung die Kraftstoff/Luft-Verhältnisse weder der Primärmischrohre noch der Sekundärmischrohre einen Wert von 0,050 überschreiten.
Dieses beschriebene Betriebsverfahren wird anhand des Diagramms von Fig. 6 voll verständlich. Das Diagramm . von Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen dem Kraftstoff/ Luft-Verhältnis und der Verbrennungstemperatur.
Die bevorzugten Kraftstoff/Luft-Verhältnisse für die Verbrennung innerhalb des Brenners liegen in dem Bereich A.
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Solange das Kraftstoff/Luft-Verhältnis auf Werten von 0,050 oder weniger gehalten wird, wird die Emission von Stickstoffoxiden, wie sie in dem Bereich B erfolgt, vermieden. Eine weitere Erkenntnis ergibt sich aus dem Diagramm von Fig. 6 in Verbindung mit dem Magerentflammbarkeitsgrenzwert des Kraftstoffes. Der Magerentflammbarkeitsgrenzwert kann als das minimale Kraftstoff/Luft-Verhältnis definiert werden, bei welchem die Verbrennung bei einer bestimmten Temperatur aufrechterhalten werden kann. Für ASTM-2880 2GT-Nr. 2- Gasturbinentriebwerksdieselöl beträgt der Magerentflammbarkeitsgrenzwert ungefähr 0,0185. Minimale Kraftstoff/Luft-Verhältnisse von ungefähr 0,035 sind jedoch erforderlich, um eine kontinuierliche stabile Verbrennung zu gewährleisten. Der Bereich 0 des Diagramms von Fig» 6 bildet einen unerwünscht niedrigen Bereich von Kraftstoff/Luft-Verhältnissen.
Bei der beschriebenen Brennkammer ist der Magerentflammbarkeitsgrenzwert des vereinigten Kraftstoff/Luft-Gemisches der Magerentflammbarkeitsgrenzwert des Primär-Kraftstoff/ Luft-Gemisches. Die Verbrennung des Primär-Kraftstoff/Luft-Gemisches erfolgt in dem gesamten Betriebsbereich des Triebwerkes bei Kraftstoff/Luft-Verhältnissen zwischen 0,035 und 0,050. Kraftstoff, der durch die Sekundärmischrohre eingeleitet wird, wird radial nach außen in das verbrennende Primär-Kraftstoff/Luft-Gemisch geschleudert» Nachdem der Sekundärkraftstoff mit dem verbrennenden Primär-Kraftstoff/ Luft-Gemisch vermischt worden ist, ist der Selbstzündungspunkt des Kraftstoffes überschritten und das Sekundär-Kraftstoff/Luft-Gemisch wird gezündet. Es ergibt sich eine äußerst stabile Verbrennung in dem gesamten Betriebsbereich. Weiter wird eine magere Verbrennung und demzufolge eine geringe Erzeugung von Stickstoffoxiden gewährleistet.
Die hier beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Kraftstoff/Luft-Verhältnisse -und Temperaturen gelten für
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ASTM 2880 2GT, d.h. für einen Standardkraftstoff, der in stationären Gasturbinentriebwerken verbrannt wird. Das stöchiometrische Kraftstoff/Luft-Verhältnis für diesen Kraftstoff beträgt 0,0683. Vergleichbare Kraftstoff/Luft-Verhältnisse und Temperaturen können für andere geeignete Kraftstoffe angegeben werden und die hier beschriebenen und beanspruchten Möglichkeiten sind nicht auf den in dieser Beschreibung speziell beschriebenen Kraftstoff beschränkt.
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Zus ammenf as sung;
Eine verbesserte Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk wird beschrieben. Verfahren zum "Verringern der Menge an durch die Brennkammer emittierten Schadstoffen werden entwickelt. In einer Ausführungsform ist eine Kombination aus Kraftstoffmischrohren mit Schlangenliniengeometrie, die in den radial äußeren Bereich der Brennkammer abgeben, und einem axial ausgerichteten Kraftstoffmischrohr nahe der Mittellinie der Brennkammer zum Erzeugen eines starken Zentrifugalkraftfeldes innerhalb der Brennkammer vorgesehen. Das Rohr nahe der Mittellinie der Brennkammer hat einen konvergierenden Abschnitt an seinem stromaufwärtigen Ende und einen divergierenden Abschnitt an seinem stromabwärtigen Ende. Die Kraftstoffzuführeinrichtung ist so ausgelegt, daß der Kraftstoff in den konvergierenden Abschnitt des Rohres eingeleitet wird. Die Verdampfung des Kraftstoffes in dem Rohr wird durch Aufrechterhalten einer Differenzaxialgeschwindigkeit über der Länge des Rohres unterstützt. Das Kraftfeld fördert das schnelle Vermischen und die schnelle Verbrennung innerhalb der Brennkammer, damit sowohl die Größe der Brennkammertemperatur als auch die Zeitspanne, während welcher die Arbeitsmediumgase dieser Temperatur ausgesetzt sind, verringert werden. Gemäß einem angegebenen Verfahren wird das Kraftstoff/Luft-Verhältnis in den schlangenlinienf örmigen Mischrohren in einem Bereich von 50% bis 75% des stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnisses für den benutzten Kraftstoff gehalten und das Kraftstoff/Luft-Verhältnis in dem axialen Mischrohr wird auf einem Wert gehalten, der niedriger als 75% des stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnisses für den benutzten Kraftstoff ist.
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At?
Leerseite

Claims (1)

  1. Patentansprüche ;
    Kraftstoffverdampfungsvorrichtung, gekennzeichnet durch ein langgestrecktes, an beiden Enden offenes Rohr für hindurchströmende Luft, dessen stromaufwärti™ ges Ende einen konvergierenden Abschnitt und dessen stromabxfärtiges Ende einen divergierenden Abschnitt hat, und durch eine Kraftstoffzufuhreinrichtung an dem stronaufwärtigen Ende des Rohres zum Abgeben von Kraftstoff in den konvergierenden Abschnitt des Rohres»
    2„ Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der divergierende Abschnitt des langgestreckten Rohres Wände hat, die unter einem Winkel von 7° von der Mittellinie des Rohres aus divergieren, so daß durch das Rohr strömende Luft in dem divergierenden Abschnitt verlangsamt wird»
    5» Brennkammer mit einer Yerbrennungszone, die einen zentralen Teil und einen radial äußeren Teil aufweist .
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    INSPECTED
    und durch einen zylindrischen Körper umschlossen ist, und mit .einer Kraftstoff/Luft-Mischzone stromaufwärts der Verbrennungszone, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoff/Luft-Mischzone ein Haupt-Kraftstoff/Luft-Mischrohr, das von mehreren Pilot-Kraftstoff/Luft-Mischrohren umgeben ist, aufweist, welches einen konvergierenden Abschnitt an seinem stromaufwärtigen Ende und einen divergierenden Abschnitt an seinem stromabwärtigen Ende hat, um die aus ihm austretende Strömung zu veranlassen, in Umfangrichtung in den zentralen Teil der Verbrennungszone zu wirbeln, und wobei die Pilotrohre so ausgerichtet sind, daß die aus ihnen austretende Strömung veranlaßt wird, in Umfangsrichtung um den radial äußeren Teil der Verbrennungszone zu wirbeln.
    4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Haupt-Kraftstoff/Luft-Mischrohr an seinem stromabwärtigen Ende einen Wirbler aufweist.
    5. Brennkammer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotrohre eine Schlangenliniengeometrie haben.
    6. Brennkammer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff zu den Pilotrohren und durch eine von dieser unabhängige Einrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff zu dem Hauptrohr.
    7. Brennkammer mit einer Verbrennungszone, die einen zentralen Teil und einen radial äußeren Teil aufweist, und mit einer Kraftstoff/Luft-Mischzone stromaufwärts der Verbrennungszone, gekennzeichnet durch mehrere Primär-Kraftstoff/Luft-Mischrohre, die so ausgerichtet sind, daß ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft in Umfangsrichtung in den radial äußeren Teil der Brennkammer abgegeben wird, durch ein Sekundär-Kraftstoff/Luft-Mischrohr, das einen
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    konvergierenden Abschnitt an seinem stromaufwärtigen Ende und einen divergierenden Abschnitt an seinem stromabwärtigen Ende hat, wobei dieses Eohr so ausgebildet ist, daß es ein Kraftstoff/Luft-Gemisch in ümfangsrichtung in den zentralen Teil der Brennkammer wirbelt, und durch eine Einrichtung zum Zünden des Primär-Kraftstoff/Luft-Gemisches, damit das wirbelnde Sekundär-Kraftstoff/Luft-Gemisch nach außen in das verbrennende Primär-Kraftstoff/ Luft-Gemisch geschleudert wird»
    8. Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer, die ein Sekundär-Kraftstoff/Luft-Mischrohr und mehrere Primär-Kraftstoff/Luft-Mischrohre, welche mit Abstand radial außerhalb desselben angeordnet sind, auf weist,, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    Einleiten von Kraftstoff und Luft in die Primärmischrohre mit einem Verhältnis zwischen ungefähr 50% und 75% des stöchiometrisehen Verhältnisses für den benutzten Kraftstoff;
    Vermischen des Kraftstoffes und der Luft in den Primärmisehrohren;
    Abgeben des Gemisches aus den Primärmischrohren in Umfangsriehtung in den äußeren Teil der Brennkammer;
    Zünden des Gemisches aus den Primärmischrohren;
    Einleiten von Kraftstoff und Luft in das Sekundärmischrohr mit einem Verhältnis, das ungefähr 75% des stöchiometrischen Verhältnisses für den benutzten Kraftstoff nicht übersteigt;
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    Vermischen des Kraftstoffes und der Luft in dem Sekundärmischrohr;
    Beschleunigen des Kraftstoffes in dem Sekundärmischrohr; Verlangsamen des Kraftstoffes in dem Sekundärmischrohr;
    Wirbeln des Gemisches aus Kraftstoff und Luft in Umfangsrichtung; und
    Abgeben des wirbelnden Gemisches aus Kraftstoff und Luft aus dem Sekundärmischrohr an den zentralen Teil der Brennkammer, wodurch das Sekundärgemisch aus Kraftstoff und Luft radial nach außen in das gezündete Primärgemisch geschleudert wird.
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