DE60100649T2

DE60100649T2 - Brennkammer

Info

Publication number: DE60100649T2
Application number: DE60100649T
Authority: DE
Inventors: Brian Anthony Varney
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: DE60100649D1; US20020020173A1; GB0019533D0; CA2354344C; US6513334B2; CA2354344A1; EP1180646B1; EP1180646A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Brennkammer und insbesondere auf eine Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk.
Um die gesetzlichen Emissionserfordernisse für industrielle Gasturbinentriebwerke geringer Emission erfüllen zu können, ist eine stufenweise Verbrennung erforderlich, um die Menge der erzeugten Stickoxide (NOx) zu vermindern. Gegenwärtig betragen die Emissionsvorschriften weniger als 25 volumetrische Teile pro Million NOx für die Abgase einer industriellen Gasturbine. Die fundamentale Möglichkeit der Verminderung von Emissionen von Stickoxiden besteht darin, die Verbrennungs-Reaktionstemperatur zu vermindern, und dies erfordert eine Vormischung von Brennstoff und der gesamten Verbrennungsluft, bevor die Verbrennung stattfindet. Die Stickoxide (NOx) werden gewöhnlich durch ein Verfahren reduziert, welches eine zweistufige Brennstoffeinspritzung benutzt. Unser britisches Patent GB 1489339 beschreibt eine zweistufige Brennstoffeinspritzung. Unsere internationale Patentanmeldung WO 92/07221 beschreibt zwei und drei Stufen einer Brennstoffeinspritzung. Bei einer stufenweisen Verbrennung suchen alle Stufen der Verbrennung, eine magere Verbrennung durchzuführen, um niedrige Verbrennungstemperaturen zu erreichen, die zur Verminderung des NOx-Ausstoßes erforderlich sind. Der Ausdruck "magere Verbrennung" bedeutet eine Verbrennung von Brennstoff in Luft, wobei das Brennstoff-Luft-Verhältnis niedrig ist, d. h. niedriger als das stoichiometrische Verhältnis. Um die niedrigen Emissionen von NOx und CO zu erreichen, ist es wesentlich, Brennstoff und Luft gleichmäßig zu vermischen.
Das industrielle Gasturbinentriebwerk, das in unserer internationalen Patentanmeldung WO 92/07221 beschrieben ist, benutzt mehrere rohrförmige Brennkammern, deren Achsen allgemein in Radialrichtung verlaufen. Die Einlässe der rohrförmigen Brennkammern befinden sich an ihren radial äußeren Enden und Übergangskanäle verbinden die Auslässe der rohrförmigen Brennkammern mit einer Reihe von Düsenleitschaufeln, um die heißen Gase axial in die Turbinenabschnitte des Gasturbinentriebwerks einzuleiten. Jede der rohrförmigen Brennkammern besitzt zwei koaxiale radiale Strömungsverwirbler, die eine Mischung von Brennstoff und Luft in eine Primär-Verbrennungszone einleiten. Ein ringförmiger Sekundär- Brennstoff-Luft-Mischkanal umgibt die Primär-Verbrennungszone und liefert eine Mischung von Brennstoff und Luft in eine Sekundär-Verbrennungszone.
Die US 5235814 beschreibt eine Brennkammer mit einer Verbrennungszone, die durch wenigstens eine Umfangswand definiert ist. Die Verbrennungszone weist mehrere Brennstoff-Luft-Mischkanäle auf, um das Brennstoff-Luft-Gemisch in die Verbrennungszone einzuleiten. Jeder Brennstoff-Luft-Mischkanal besitzt einen Brennstoffinjektor, um Brennstoff in den Brennstoff-Luft-Mischkanal einzuleiten. Die Brennstoffinjektoren in den Brennstoff-Luft-Mischkanälen für die Verbrennungszone sind in mehreren umfangsmäßig angeordneten Sektoren angeordnet. Die Brennstoff-Zuführungsmittel fördern den Brennstoff nach den Brennstoffinjektoren und weisen mehrere Ventile auf. Die Brennstoffzufuhr ist so ausgebildet, dass die Brennstoffzufuhr nach einem oder mehreren der umfangsmäßig angeordneten Sektoren abgesperrt wird und gleiche Mengen von Brennstoff nach den übrigen in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren geliefert wird, um die Emissionen von Kohlenmonoxid und UHC zu reduzieren, wenn die Brennkammer unter verminderter Last arbeitet.
Ein den Gasturbinentriebwerken zugeordnetes Problem wird durch Druckfluktuationen in der Luftströmung oder der Gasströmung durch das Gasturbinentriebwerk veranlasst. Druckfluktuationen in der Luftströmung oder der Gasströmung durch das Gasturbinentriebwerk können zu einer schwerwiegenden Beschädigung oder dem Ausfall von Komponenten führen, wenn die Frequenz der Druckschwankungen mit der. Eigenfrequenz eines Vibrationsmodus einer oder mehrerer Komponenten zusammenfällt. Diese Druckfluktuationen können durch den Verbrennungsprozess verstärkt werden, und unter ungünstigen Bedingungen kann eine Resonanzfrequenz eine so hohe Amplitude erreichen, dass eine schwerwiegende Beschädigung der Brennkammer und des Gasturbinentriebwerks eintritt.
Es hat sich gezeigt, dass Gasturbinentriebwerke, die bei einer mageren Verbrennung arbeiten, besonders durch dieses Problem gefährdet sind. Weiter hat es sich gezeigt, dass dann, wenn Gasturbinentriebwerke, die mit magerer Verbrennung arbeiten, um die Emissionen auf einen niedrigen Pegel zu bringen, indem eine gleichförmige Mischung von Brennstoff und Luft stattfindet, die Amplitude der Resonanzfrequenz größer wird.
Die Beziehung zwischen den Druckfluktuationen und dem Verbrennungsprozess kann gekoppelt sein. Es kann eine anfängliche Unstetigkeit im Verbrennungsprozess eintreten, wodurch die Druckfluktuationen erzeugt werden. Diese Druckfluktuation bewirkt dann, dass der Verbrennungsprozess oder die Wärmeabgabe vom Verbrennungsprozess unstetig wird, wodurch weitere Druckfluktuationen erzeugt werden. Dieser Prozess kann sich fortsetzen, bis Druckfluktuationen mit hoher Amplitude erzeugt werden.
Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer zu schaffen, bei der die oben erwähnten Probleme vermindert oder minimiert werden.
Die Erfindung geht aus von einer Brennkammer mit mehreren in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Verbrennungszonen, die durch wenigstens eine Umfangswand definiert werden, wobei jede Verbrennungszone wenigstens einen Brennstoff-Luft-Mischkanal aufweist, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch in jeweils eine der Verbrennungszonen einzuleiten und jeder Brennstoff-Luft-Mischkanal wenigstens einen Brennstoffinjektor aufweist, um Brennstoff in jeweils einen Brennstoff-Luft-Mischkanal zu fördern und wobei die Brennstoffinjektoren in dem wenigstens einen Brennstoff-Luft-Mischkanal für wenigstens eine Verbrennungszone in mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren angeordnet sind und Brennstoff-Zuführungsmittel vorgesehen sind, um Brennstoff den Brennstoffinjektoren zuzuführen, wobei die Brennstoff-Zuführungsmittel mehrere Brennstoffventile aufweisen, und löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass Wandlermittel akustisch mit der Brennkammer gekoppelt sind, um Druckoszillationen in der Brennkammer festzustellen und der Wandler ein Signal aussendet, das den Pegel der Druckoszillationen in der Brennkammer einem Steuergerät liefert, dass das Steuergerät Signale nach den Brennstoffventilen sendet, um einem oder mehreren der in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren mehr Brennstoff zuzuführen als den übrigen in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren, um Druckoszillationen in der Brennkammer zu vermindern, wenn die Druckoszillationen über einem vorbestimmten Wert liegen und um gleiche Brennstoffmengen sämtlichen in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren zuzuführen, um die Emissionen zu vermindern, wenn die Druckoszillationen unter dem vorbestimmten Pegel liegen.
Die Brennkammer kann eine Primär-Verbrennungszone und eine Sekundär-Verbrennungszone stromab der Primär-Verbrennungszone aufweisen.
Die Brennkammer kann eine Primär-Verbrennungszone, eine Sekundär-Verbrennungszone stromab der Primär-Verbrennungszone und eine Tertiär-Verbrennungszone aufweisen, die stromab der Sekundär-Verbrennungszone angeordnet ist.
Vorzugsweise sind die Brennstoffinjektoren im Brennstoff-Luft-Mischkanal, die Brennstoff und Luft in die Sekundär-Verbrennungszone einspritzen, in Sektoren angeordnet, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgen.
Die Brennstoffinjektoren in dem Brennstoff-Luft-Mischkanal, die Brennstoff und Luft in die Tertiär-Verbrennungszone einspritzen, können in Sektoren angeordnet sein, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgen.
Die Brennstoffinjektoren in dem Brennstoff-Luft-Mischkanal, die Brennstoff und Luft in die Primär-Verbrennungszone einspritzen, können in Sektoren angeordnet sein, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgen.
Der wenigstens eine Brennstoff-Luft-Mischkanal kann mehrere Brennstoff-Luft-Mischkanäle aufweisen.
Vorzugsweise sind zwei in Umfangsrichtung angeordnete Sektoren vorgesehen. Vorzugsweise sind die beiden in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren über die Hälfte angeordnet bzw. erstrecken sich über 180°.
Stattdessen können drei in Umfangsrichtung angeordnete Sektoren vorgesehen werden. Diese drei in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren können jeweils ein Drittel des Umfangs einnehmen und sich über 120° erstrecken.
Stattdessen können vier in Umfangsrichtung angeordnete Sektoren vorgesehen werden. Diese vier in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren können jeweils ein Viertel des Umfangs einnehmen und sich über 90° erstrecken.
Stattdessen können sechs in Umfangsrichtung angeordnete Sektoren vorgesehen werden. Diese sechs in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren können jeweils ein Sechstel des Umfangs einnehmen und sich über 60° erstrecken.
Stattdessen können acht in Umfangsrichtung angeordnete Sektoren vorgesehen werden. Diese acht in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren können jeweils ein Achtel des Umfangs einnehmen und sich über 45° erstrecken.
Vorzugsweise besteht der wenigstens eine Brennstoff-Luft-Mischkanal aus einem einzigen ringförmigen Brennstoff-Luft-Mischkanal.
Vorzugsweise umfasst die Brennstoff-Zuführungseinrichtung mehrere Brennstoff-Ringleitungen und mehrere Brennstoffventile, wobei jede Brennstoff-Ringleitung Brennstoff nach den Brennstoffinjektoren in jeweils einen der in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren fördert und jedes Brennstoffventil die Brennstoffzufuhr nach jeweils einer Brennstoff-Ringleitung einstellt.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer, die mehrere Verbrennungszonen aufweist, welche in Strömungsrichtung angeordnet sind, die durch wenigstens eine Umfangswand definiert ist, wobei jede Verbrennungszone wenigstens einen Brennstoff-Luft-Mischkanal aufweist, um Brennstoff und Luft in jeweils eine der Verbrennungszonen zu fördern und jeder Brennstoff-Luft-Mischkanal wenigstens einen Brennstoffinjektor aufweist, um Brennstoff in die jeweiligen Brennstoff-Luft-Mischkanäle einzuleiten, und wobei die Brennstoffinjektoren in dem wenigstens einen Brennstoff-Luft-Mischkanal für wenigstens eine der Verbrennungszonen in mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren angeordnet sind und eine Brennstoffzufuhr Brennstoff nach den Brennstoffinjektoren fördert, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: es wird der Pegel der Druckoszillationen in der Brennkammer bestimmt; es wird bestimmt, ob die Druckoszillationen über einem vorbestimmten Pegel liegen; es wird dem einen oder mehreren der in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren eine größere Menge Brennstoff zugeführt als den übrigen in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren, um die Druckoszillationen in der Brennkammer zu reduzieren, wenn die Druckoszillationen über dem vorbestimmten Pegel liegen, oder es werden allen in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren gleiche Brennstoffmengen zugeführt, um die Emissionen zu vermindern, wenn die Druckoszillationen unter dem vorbestimmten Pegel liegen.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks mit einer Brennkammer gemäß der Erfindung;
2 ist in größerem Maßstab gezeichnet ein Längsschnitt durch die Brennkammer gemäß 1;
3 ist eine Ansicht der Brennkammer in Richtung des Pfeiles A gemäß 2 betrachtet, wobei diese Figur die Primär-Brennstoff-Ringleitung, die Sekundär-Brennstoff-Ringleitung und die Tertiär-Brennstoff-Ringleitung zeigt;
4 ist eine schematische Ansicht des Brennstoff-Steuersystems für die Brennkammer gemäß 2 und 3;
5 ist eine graphische Darstellung, die das Brennstoff-Luft-Verhältnis in der Primär-Verbrennungszone in Abhängigkeit von dem Brennstoff-Luft-Verhältnis mit Geräusch-Amplituden-Konturen zeigt.
Ein industrielles Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 weist in axialer Strömungsrichtung hintereinander einen Einlass 12, einen Kompressorteil 14, eine Brennkammeranordnung 16, einen Turbinenabschnitt 18, einen Nutzleistungs-Turbinenabschnitt 20 und einen Auslass 22 auf. Der Turbinenabschnitt 20 treibt den Kompressor 14 über eine oder mehrere nicht dargestellte Wellen. Der Nutzleistungs-Turbinenabschnitt 20 treibt einen elektrischen Generator 26 über eine Welle 24 an. Die Nutzleistungs-Turbine 20 kann jedoch auch zum Antrieb anderer Maschinen dienen. Die Arbeitsweise des Gasturbinentriebwerks 10 ist die übliche und wird daher nicht im Einzelnen beschrieben.
Die Brennkammeranordnung 16 ist deutlicher aus den 2 und 3 ersichtlich. Die Brennkammeranordnung 16 weist mehrere, beispielsweise neun, im gleichen Winkelabstand umfangsmäßig beabstandete rohrförmige Brennkammern 28 auf. Die Achsen der rohrförmigen Brennkammern 28 erstrecken sich allgemein in Radialrichtung. Die Einlässe der rohrförmigen Brennkammern 28 befinden sich am radial äußeren Ende und ihre Auslässe am radial inneren Ende.
Jede der rohrförmigen Brennkammern 28 weist eine stromaufwärtige Wand 30 auf, die am stromaufwärtigen Ende mit einer Ringwand 32 verbunden ist. Ein erster stromaufwärtiger Abschnitt 34 der Ringwand 32 definiert eine Primär-Verbrennungszone 36. Ein zweiter Mittelabschnitt der Ringwand 32 definiert eine Sekundär-Verbrennungszone 40 und ein dritter stromabwärtiger Abschnitt 42 der Ringwand 32 definiert eine Tertiär-Verbrennungszone 44. Der zweite Abschnitt 38 der Ringwand 32 hat einen größeren Durchmesser als der erste Abschnitt 34 der Ringwand 32, und in gleicher Weise hat der dritte Abschnitt 42 der Ringwand 32 einen größeren Durchmesser als der zweite Abschnitt 38 der Ringwand 32. Das stromaufwärtige Ende des ersten Abschnitts 34 besitzt einen ersten kegelstumpfförmigen Abschnitt 46, der im Durchmesser auf eine Einschnürung 48 hin vermindert ist. Ein zweiter kegelstumpfförmiger Abschnitt 50 verbindet die Einschnürung 48 mit dem stromaufwärtigen Ende des zweiten Abschnitts 38. Das stromabwärtige Ende des zweiten Abschnitts 38 hat einen dritten kegelstumpfförmigen Abschnitt 52, der sich im Durchmesser auf eine Einschnürung 54 hin verjüngt. Ein vierter kegelstumpfförmiger Abschnitt 56 verbindet die Einschnürung 54 mit dem stromaufwärtigen Ende des dritten Abschnitts 42.
Es sind mehrere umfangsmäßig im Winkelabstand angeordnete Übergangskanäle vorgesehen, und jeder der Übergangskanäle besitzt an seinem stromaufwärtigen Ende einen kreisförmigen Querschnitt. Das stromaufwärtige Ende eines jeden Übergangskanals ist koaxial zu dem stromabwärtigen Ende einer der rohrförmigen Brennkammern 28 verbunden, und jeder Übergangskanal ist mit einem Winkelabschnitt von Düsenleitschaufeln verbunden und gegenüber diesem abgedichtet.
Die stromaufwärtige Wand 30 einer jeden rohrförmigen Brennkammer 28 besitzt eine Öffnung 58, um Luft und Brennstoff in die Primär-Verbrennungszone 36 einzuleiten. Ein erstes radiales Strömungsverwirbelungsglied 60 ist koaxial zu der Öffnung 58 angeordnet, und ein zweites radiales Strömungsverwirbelungsglied 62 ist koaxial zu der Öffnung 58 in der stromaufwärtigen Wand 30 angeordnet. Das erste radiale Strömungsverwirbelungsglied 60 liegt axial stromab des zweiten radialen Strömungsverwirbelungsgliedes 62 bezüglich der Achse der rohrförmigen Brennkammer 28 betrachtet. Das erste radiale Strömungsverwirbelungsglied 60 weist mehrere Brennstoffinjektoren 64 auf, von denen jeder in einem Kanal befindlich ist, der zwischen zwei Schaufeln des radialen Strömungsverwirbelungsgliedes 60 liegt. Das zweite radiale Strömungsverwirbelungsglied 62 besitzt mehrere Brennstoffinjektoren 66, von denen jeder in einem Kanal angeordnet ist, der zwischen zwei Schaufeln des radialen Strömungsverwirbelungsgliedes 62 ausgeformt ist. Das erste und das zweite radiale Strömungsverwirbelungsglied 60 und 62 sind derart angeordnet, dass sie die Luft in entgegengesetzten Richtungen verwirbeln. Das erste und das zweite radiale Strömungsverwirbelungsglied 60 und 62 benutzen gemeinsam eine Seitenplatte 70, und die Seitenplatte 70 besitzt eine zentrale Öffnung 72, die koaxial zur Öffnung 58 in der stromaufwärtigen Wand 30 liegt. Die Seitenplatte 70 weist eine angeformte Ringlippe 74 auf, die sich in Richtung stromab in die Öffnung 58 hinein erstreckt. Die Lippe 74 definiert einen inneren Primär-Brennstoff-Luft-Mischkanal 76 für die Strömung des Brennstoff-Luft-Gemischs aus dem ersten radialen Strömungsverwirbelungsglied 60 in die erste Primär-Verbrennungszone 36 und einen äußeren Primär-Brennstoff-Luft-Mischkanal 78 für die Strömung des Brennstoff-Luft-Gemischs von dem zweiten radialen Strömungsverwirbelungsglied 62 in die Primär-Verbrennungszone 36. Die Lippe 74 wendet das Brennstoff-Luft-Gemisch, welches von den ersten und zweiten radialen Strömungsverwirbelungsgliedern 60 und 62 strömt, aus einer Radialrichtung in eine Axialrichtung. Das Primär-Brennstoff-Luft-Gemisch wird in den Kanälen zwischen den Schaufeln von ersten und zweiten radialen Strömungsverwirbelungsgliedern 60 und 62 und in den Primär-Brennstoff-Luft-Mischkanälen 76 und 78 vermischt.
Ein ringförmiger Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanal 80 ist für jede rohrförmige Brennkammer 28 vorgesehen. Jeder Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanal 80 ist in Umfangsrichtung um die Primär-Verbrennungszone 36 der entsprechenden rohrförmigen Brennkammer 28 angeordnet. Jeder der Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanäle 80 wird zwischen einer zweiten Ringwand 82 und einer dritten Ringwand 84 definiert. Die zweite Ringwand 82 definiert das innere Ende des Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 80, und die dritte Ringwand 84 definiert das äußere Ende des Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 80. Das axial stromaufwärtige Ende 86 der zweiten Ringwand 82 ist an einer Seitenplatte des ersten radialen Strömungsverwirbelungsgliedes 60 befestigt. Die axial stromaufwärtigen Enden von zweiter und dritter Ringwand 82 und 84 liegen im Wesentlichen in der gleichen Ebene senkrecht zur Achse der rohrförmigen Brennkammer 28. Der Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanal 80 weist einen Sekundär-Lufteinlass 88 auf, der radial zwischen dem stromaufwärtigen Ende der zweiten Ringwand 82 und dem stromaufwärtigen Ende der dritten Ringwand 84 gebildet ist.
Am stromabwärtigen Ende des Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 80 sind die zweite und dritte Ringwand 82 bzw. 84 an dem zweiten kegelstumpfförmigen Abschnitt 50 befestigt, und der zweite kegelstumpftörmige Abschnitt 50 ist mit mehreren Öffnungen 90 versehen. Die Öffnungen 90 sind so angeordnet, dass sie das Brennstoff-Luft-Gemisch in die Sekundär-Verbrennungszone 50 in Richtung stromab nach der Achse der rohrförmigen Brennkammer 28 richten. Die Öffnungen 90 können kreisförmig oder als Schlitze ausgebildet sein, und sie haben eine gleiche Strömungsfläche.
Die Querschnittsfläche des Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 80 vermindert sich vom Einlass 88 am stromaufwärtigen Ende nach der Öffnung 90 am stromabwärtigen Ende. Die Form des Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 80 erzeugt eine beschleunigte Strömung durch den Kanal 80, ohne dass irgendwelche Bereiche vorhanden wären, wo eine Rezirkulationsströmung auftreten kann.
Ein ringförmiger Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanal 92 ist für jede rohrförmige Brennkammer 28 vorgesehen. Jeder Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanal 92 ist in Umfangsrichtung um die Sekundär-Verbrennungszone 40 der entsprechenden rohrförmigen Brennkammer 28 angeordnet. Jeder der Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanäle 92 wird zwischen einer vierten Ringwand 94 und einer fünften Ringwand 96 definiert. Die vierte Ringwand 94 definiert das innere Ende des Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 92, und die fünfte Ringwand 96 definiert das äußere Ende des Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 92. Die axial stromaufwärtigen Enden von vierter und fünfter ringförmiger Wand 94 und 96 liegen im Wesentlichen in der gleichen Ebene senkrecht zur Achse der rohrförmigen Brennkammer 28. Der Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanal 92 hat einen tertiären Lufteinlass 98, der radial zwischen dem stromaufwärtigen Ende der vierten Ringwand 94 und dem stromaufwärtigen Ende der fünften Ringwand 96 definiert ist.
Am stromabwärtigen Ende des Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 92 sind die vierte und fünfte Ringwand 94 und 96 an dem vierten kegelstumpfförmigen Abschnitt 56 befestigt, und der vierte kegelstumpfförmige Abschnitt 56 ist mit mehreren Öffnungen 100 versehen. Die Öffnungen 100 richten das Brennstoff-Luft-Gemisch in die Tertiär-Verbrennungszone 44 in Richtung stromab nach der Achse der rohrförmigen Brennkammer 28. Die Öffnung 100 kann kreisförmig oder schlitzförmig sein und die gleiche Strömungsfläche aufweisen.
Die Querschnittsfläche des Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 92 vermindert sich vom Einlass 98 am stromaufwärtigen Ende nach der Öffnung 100 am stromabwärtigen Ende. Die Form des Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 92 erzeugt eine beschleunigte Strömung durch den Kanal 92, ohne dass irgendwelche Bereiche vorhanden wären, wo eine Rezirkulationsströmung auftreten kann.
Mehrere Primär-Brennstoffsysteme 67 sind vorgesehen, um Brennstoff den Primär-Brennstoff-Luft-Mischkanälen 76 und 78 jeder rohrförmigen Brennkammer 28 zuzuführen, wie dies in den 2, 3 und 4 dargestellt ist. Das Primär-Brennstoffsystem 67 für jede rohrförmige Brennkammer 28 besteht aus mehreren Primär-Brennstoff-Ringleitungen 68A und 68B, mehreren Primär-Brennstoffventilen 69A und 69B, mehreren Primär-Brennstoff-Zumesseinheiten 71A, 71B und mehreren Primär-Brennstoffleitungen 73A und 73B. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Primär-Brennstoff-Ringleitungen 68A und 68B, zwei Primär-Brennstoffventile 69A und 69B, zwei Primär-Brennstoff-Zumesseinheiten 71A und 71B und zwei Primär-Brennstoftleitungen 73A und 73B vorgesehen. Die Primär-Brennstoff-Ringleitungen 68A und 68B befinden sich am stromaufwärtigen Ende der rohrförmigen Brennkammer 28.
Jede der Primär-Brennstoff-Ringleitungen 68A und 68B ist an ein Primär-Brennstoffventil 69A und 69B und an eine Primär-Brennstoff-Zumesseinheit 71A und 71B über Primär-Brennstoffleitungen 73A und 73B angeschlossen, so dass der Brennstoff unabhängig nach den beiden Primär-Brennstoff-Ringleitungen 68A und 68B gelangen kann.
Jede der Primär-Brennstoff-Ringleitungen 68A und 68B besitzt mehrere, beispielsweise sechzehn, im gleichen Umfangsabstand angeordnete Primär-Brennstoffinjektoren 64 und mehrere, beispielsweise sechzehn, im gleichen Umfangsabstand zueinander angeordnete Primär-Brennstoffinjektoren 66. Demgemäß gibt es insgesamt zweiunddreißig Primär-BrennstoffinjektoreN 64 und zweiunddreißig Brennstoffinjektoren 66. Jede der Primär-Brennstoff-Ringleitungen 68A und 68B fördert Brennstoff nach einem jeweiligen Umfangssektor der Brennstoff-Luft-Mischkanäle 76 und 78 und demgemäß der Primär-Verbrennungszone 36, wobei sich jeder Sektor bei diesem Beispiel über die Hälfte oder über 180° erstreckt.
Die Brennstoffinjektoren 64 und 66 werden aus den Primär-Brennstoff-Ringleitungen 68A und 68B mit Brennstoff gespeist.
Es sind mehrere Sekundär-Brennstoffsysteme 102 vorgesehen, um Brennstoff den Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanälen 80 jeder rohrförmigen Brennkammer 28 zuzuführen. Das Sekundär-Brennstoffsystem 102 für jede ringförmige Brennkammer 28 besteht aus mehreren Sekundär-Brennstoff-Ringleitungen 104A und 104B, aus mehreren Sekundär-Brennstoffventilen 105A und 105B, aus mehreren Sekundär-Brennstoff-Zumesseinheiten 107A und 107B und mehreren Sekundär-Brennstoffleitungen 111A und 111B. Bei diesem Beispiel gibt es zwei Sekundär-Brennstoff-Ringleitungen 104A und 104B, zwei Sekundär-Brennstoffventile 105A und 105B, zwei Sekundär-Brennstoff-Zumesseinheiten 107A und 107B und zwei Sekundär-Brennstoffleitungen 111A und 111B. Die Sekundär-Brennstoff-Ringleitungen 104A und 104B sind um die rohrförmige Brennkammer 28 am stromaufwärten Ende der rohrförmigen Brennkammer 28 angeordnet.
Jede der Sekundär-Brennstoff-Ringleitungen 104A und 104B ist an eines der Sekundär-Brennstoffventile 105A und 105B und eine Sekundär-Brennstoff-Zumesseinheit 107A und 107B über jeweils eine Sekundär-Brennstoffleitung 111A und 111B angeschlossen, so dass der Brennstoff unabhängig nach den beiden Sekundär-Brennstoff-Ringleitungen 104A und 104B gefördert wird.
Jede der Sekundär-Brennstoff-Ringleitungen 104A und 104B besitzt mehrere, beispielsweise sechzehn, im gleichen Umfangsabstand angeordnete Sekundär-Brennstoffinjektoren 106. Demgemäß gibt es insgesamt zweiunddreißig Sekundär-Brennstoffinjektoren 106. Jede der Sekundär-Brennstoff-Ringleitungen 104A und 104B fördert Brennstoff nach einem Umfangssektor, und jeder Sektor nimmt bei diesem Ausführungsbeispiel die Hälfte oder 180° des Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 80 und demgemäß der Sekundär-Verbrennungszone 40 ein.
Jeder der Sekundär-Brennstoffinjektoren 106 besteht aus einem Hohlkörper 108, der sich axial bezüglich der rohrförmigen Brennkammer 28 von der Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104 in Richtung stromab durch den Einlass 88 des Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 80 und in den Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanal 80 hinein erstreckt.
Jeder Hohlkörper 108 erstreckt sich in Richtung stromab längs des Sekundär- Brennstoff-Luft-Mischkanals 80 nach einer Stelle, die genügend weit vom Einlass 88 entfernt liegt, wo keine Rezirkulationsströmung im Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanal 80 infolge der Luftströmung in den Kanal 80 hinein stattfindet. Der Hohlkörper 108 besitzt mehrere Öffnungen 109, um Brennstoff in Umfangsrichtung nach den benachbarten Hohlkörpern 108 zu richten. Der Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanal 80 und die Sekundär-Brennstoffinjektoren 106 werden im Einzelnen in unserer europäischen Patentanmeldung EP0687864A beschrieben.
Es sind mehrere Tertiär-Brennstoffsysteme 110 vorgesehen, um Brennstoff den Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanälen 92 einer jeden rohrförmigen Brennkammer 28 zuzuführen. Das Tertiär-Brennstoffsystem 110 für jede rohrförmige Brennkammer 28 weist mehrere Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112A, 112B, 112C und 112D, mehrere Tertiär-Brennstoffventile 113A, 113B, 113C und 113D, mehrere Tertiär-Brennstoff-Zumesseinheiten 115A, 115B, 115C und 115D und mehrere Tertiär-Brennstoffleitungen 119A, 119B, 119C und 119D auf. Bei diesem Beispiel sind vier Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112A, 112B, 112C und 112D, vier Tertiär-Brennstoffventile 113A, 113B, 113C und 113D, vier Tertiär-Brennstoff-Zumesseinheiten 115A, 11513, 115C und 115D und vier Tertiär-Brennstoffleitungen 119A, 119B, 119C und 119D vorgesehen. Die Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112A, 112B, 112C und 112D sind um die rohrförmige Brennkammer 28 herum angeordnet; sie können jedoch auch innerhalb des Gehäuses 118 liegen.
Jede der Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112A, 112B, 112C und 112D ist mit jeweils einem der Tertiär-Brennstoffventile 113A, 113B, 113C und 113D und jeweils einer Tertiär-Brennstoff-Zumesseinheit 115A, 115B, 115C und 115D über jeweils eine der Tertiär-Brennstoffleitungen 119A, 119B, 119C und 119D verbunden, so dass der Brennstoff unabhängig nach den vier Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112A, 112B, 112C und 112D gefördert wird.
Jede Tertiär-Brennstoff-Ringleitung 112A, 112B, 112C und 112D besitzt mehrere, beispielsweise acht, im gleichen Umfangsabstand angeordnete Tertiär-Brennstoffinjektoren 114. Demgemäß gibt es insgesamt zweiunddreißig Tertiär-Brennstoffinjektoren 114. Jede der Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112A, 112B, 112C und 112D fördert den Brennstoff nach einem Umfangssektor, und zwar in diesem Beispiel nach einem 90°-Sektor des Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 92 und demgemäß der Tertiär-Verbrennungszone 44.
Jeder der Tertiär-Brennstoftinjektoren 114 weist einen Hohlkörper 116 auf, der sich anfangs radial und dann axial bezüglich der rohrförmigen Brennkammer 28 von den Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112 in Richtung stromab durch den Einlass 98 des Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 92 und in den Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanal 92 hinein erstreckt. Jeder Hohlkörper 116 erstreckt sich stromab längs des Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 92 nach einer Stelle, die so weit vom Einlass 98 entfernt ist, dass dort keine Rezirkulationsströmung im Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanal 92 infolge der Luftströmung in den Kanal 92 auftreten kann. Der Hohlkörper 116 besitzt eine Vielzahl von Öffnungen 117, um Brennstoff in Umfangsrichtung auf die benachbarten Hohlkörper 117 zu richten.
Ein Wandler 120 oder mehrere Wandler sind akustisch mit den Brennkammern 28 gekoppelt, um Druckoszillationen in der Brennkammer 28 festzustellen. Die Wandler 120 sind über elektrische Leitungen 124 mit einem Steuergerät 122 verbunden, damit elektrische Signale, die dem Pegel oder der Amplitude der Druckoszillationen entsprechen, auf das Steuergerät 122 übertragen werden können.
Das Steuergerät 122 ist mit jedem Primär-Brennstoffventil 69A und 69B, mit den Sekundär-Brennstoffventilen 105A und 105B und mit den Tertiär-Brennstoffventilen 113A, 113B, 113C und 113D über elektrische Verbindungen 126 verbunden. Das Steuergerät 122 ist elektrisch mit jeder Primär-Brennstoff-Zumesseinheit 71A und 71B, mit den Sekundär-Brennstoff-Zumesseinheiten 107A und 107B und den Tertiär-Brennstoff-Zumesseinheiten 115A, 115B, 115C und 115D über elektrische Leitungen 127 verbunden.
Das Steuergerät 122 analysiert das elektrische Signal, das dem Wandler 120 zugeführt wird, um festzustellen, ob die Druckoszillationen über einem vorbestimmten Pegel oder einer vorbestimmten Amplitude liegen. Das Steuergerät 122 analysiert außerdem die elektrischen Signale, die die Brennstoffmenge anzeigen und durch die Primär-Brennstoff-Zumesseinheiten 71A und 71B, die Sekundär-Brennstoff-Zumesseinheiten 107A und 107B und die Tertiär-Brennstoff-Zumesseinheiten 115A, 115B, 115C und 115D zugeführt werden.
Wie weiter oben erläutert, wird das Brennstoff-Luft-Gemisch, das den Verbrennungszonen 36, 40 und 44 zugeführt wird, vorgemischt und jede der Verbrennungszonen 36, 40 und 44 ist so angeordnet, dass eine magere Verbrennung stattfindet, um den NOx-Gehalt zu vermindern. Die Produkte der Verbrennung aus der Primär-Verbrennungszone 36 strömen durch die Einschnürung 48 in die Sekundär-Verbrennungszone 40, und die Verbrennungsprodukte aus der Sekundär-Verbrennungszone 40 strömen durch die Einschnürung 54 in die Tertiär-Verbrennungszone 44, Infolge der Druckfluktuationen in der Luftströmung in die rohrförmigen Brennkammern 28 verstärkt der Verbrennungsprozess die Druckfluktuationen aus den oben angegebenen Gründen, und es können dadurch Bauteile des Gasturbinentriebwerks 10 beschädigt werden, wenn deren Eigenfrequenz des Vibrationsmodus mit der Frequenz der Druckfluktuationen übereinstimmt.
Im Betrieb detektieren die Wandler 120 die Druckoszillationen in der Brennkammer 28 und senden elektrische Signale an das Steuergerät 122. Das Steuergerät 122 stellt fest, ob die Druckoszillationen über der vorbestimmten Amplitude liegen.
Wenn das Steuergerät 122 feststellt, dass die Druckoszillationen unter der vorbestimmten Amplitude liegen, dann sendet das Steuergerät 122 Signale an die beiden Primär-Brennstoffventile 69A und 69A, so dass gleiche Brennstoffmengen von den beiden Primär-Brennstoff-Ringleitungen 68A und 68B in die beiden Hälften der Primär-Brennstoff-Luft-Mischkanäle 76 und 78 und demgemäß in die Primär-Verbrennungszone 36 eingeleitet werden.
In gleicher Weise sendet das Steuergerät 122 Signale nach den beiden Sekundär-Brennstoffventilen 105A und 105B derart, dass gleiche Brennstoffmengen von den beiden Sekundär-Brennstoff-Ringleitungen 104A und 104B in die beiden Hälften des Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 80 und demgemäß in die Sekundär-Verbrennungszone 40 eingeleitet werden.
Außerdem sendet das Steuergerät 122 Signale an alle vier Tertiär-Brennstoffventile 113A, 113B, 113C und 113D, so dass gleiche Brennstoffmengen von den vier Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112A, 112B, 112C und 112D in die vier Viertel des Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 92 und demgemäß in die Tertiär-Verbrennungszone 44 eingeleitet werden.
Dies gewährleistet, dass geringe Emissionen von Stickoxiden und Kohlenmonoxid auftreten, wenn die Druckoszillationen innerhalb annehmbarer Grenzen liegen.
Wenn das Steuergerät 122 bestimmt, dass die Druckoszillationen über dem vorbestimmten Amplitudenwert liegen, dann sendet das Steuergerät 122 an beide Primär-Brennstoffventile 69A und 6913 Signale, so dass eine größere Brennstoffmenge von den Primär-Brennstoff-Ringleitungen 68A zugeführt wird als die Primär-Brennstoff-Ringleitungen 68B in die beiden Hälften von Primär-Brennstoff-Luft-Mischkanälen 76 und 78 und demgemäß in die Primär-Verbrennungszone 36 einleiten. Dies bewirkt, dass die eine Hälfte der Primär-Verbrennungszone mit einer höheren Temperatur arbeitet als die andere Hälfte der Primär-Verbrennungszone 36, wobei die Temperatur auch noch höher ist als die Durchschnittstemperatur der Primär-Verbrennungszone 36. Die beiden Hälften der Primär-Verbrennungszone 36 arbeiten dann auf einer unterschiedlichen Temperatur, so dass die Durchschnittstemperatur der Primär-Verbrennungszone 36 und demgemäß die Druckoszillationen vermindert und vorzugsweise minimiert werden.
Wenn stattdessen das Steuergerät 122 bestimmt, dass die Druckoszillationen über der vorbestimmten Amplitude liegen, dann sendet das Steuergerät 122 Signale an beide Sekundär-Brennstoffventile 105A und 105B, so dass eine größere Brennstoffmenge aus der Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104A zugeführt wird als die Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104B in die beiden Hälften des Sekundär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 80 und demgemäß in die Sekundär-Verbrennungszone 40 fördert. Dies verursacht, dass die eine Hälfte der Sekundär-Verbrennungszone 40 mit einer höheren Temperatur arbeitet als die andere Hälfte der Sekundär-Verbrennungszone 40 und auch mit einer höheren Temperatur als die Durchschnittstemperatur der Sekundär-Verbrennungszone 40. Die beiden Hälften der Sekundär-Verbrennungszone 40 arbeiten dann mit einer von der Durchschnittstemperatur der Sekundär-Verbrennungszone 40 unterschiedlichen Temperatur, und daher werden die Druckoszillationen vermindert und vorzugsweise minimiert.
Stattdessen sendet das Steuergerät 122 Signale an alle vier Tertiär-Brennstoftventile 113A, 113B, 113C und 113D, so dass eine größere Brennstoffmenge aus den Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112A geliefert wird als aus den Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112B, 112C und 112D in die vier Viertel des Tertiär-Brennstoff-Luft-Mischkanals 92 und demgemäß in die Tertiär-Verbrennungszone 44. Dies bewirkt, dass ein Viertel der Tertiär-Verbrennungszone 44 mit einer höheren Temperatur arbeitet als die anderen drei Viertel der Tertiär-Verbrennungszone 44 und auch mit einer höheren Temperatur als die Durchschnittstemperatur der Tertiär-Verbrennungszone 44. Die vier Viertel der Tertiär-Verbrennungszone 44 arbeiten dann mit einer anderen Temperatur als die Durchschnittstemperatur der Tertiär-Verbrennungszone 44, und daher werden die Druckoszillationen vermindert und vorzugsweise minimiert. Eine weitere Alternative besteht darin, eine größere Brennstoffmenge den drei Vierteln der Tertiär-Verbrennungszone 44 zuzuführen als dem verbleibenden Viertel. Eine zusätzliche Alternative besteht darin, eine größere Brennstoffmenge zwei benachbarten oder zwei diametral gegenüberliegenden Vierteln zuzuführen als den beiden anderen Vierteln.
Eine weitere Alternative besteht darin, der einen Primär-Brennstoff-Ringleitung 68A mehr Brennstoff zuzuführen als der anderen Primär-Brennstoff-Ringleitung 68B und außerdem der einen der Sekundär-Brennstoff-Ringleitungen 104A mehr Brennstoff zuzuführen als der anderen Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104B.
Eine weitere Alternative besteht darin, der einen Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104A mehr Brennstoff zuzuführen als der anderen Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104B und der einen Tertiär-Brennstoff-Ringleitung 112A mehr Brennstoff zuzuführen als den anderen Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112B, 112C und 112D.
Eine weitere Alternative besteht darin, der einen Primär-Brennstoff-Ringleitung 68A mehr Brennstoff zuzuführen als der anderen Primär-Brennstoff-Ringleitung 68B und der einen Tertiär-Brennstoff-Ringleitung 112A mehr Brennstoff zuzuführen als den anderen Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112B, 112C und 112D.
Eine weitere Alternative besteht darin, der einen Primär-Brennstoff-Ringleitung 68A mehr Brennstoff zuzuführen als der anderen Primär-Brennstoff-Ringleitung 68B und der einen Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104A mehr Brennstoff zuzuführen als der anderen Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104B und der einen Tertiär-Brennstoff-Ringleitung 112A mehr Brennstoff zuzuführen als den anderen Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112B, 112C und 112D.
Die Wirkung der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 5 erklärt. Die destruktiven Druckoszillationen treten auf, wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis an allen Stellen einer Verbrennungszone und demgemäß die Temperatur an allen Teilen der Verbrennungszone gleich dem Durchschnitts-Brennstoff-Luft-Verhältnis oder gleich der Durchschnittstemperatur ist.
Nach der Erfindung wird der einen Hälfte der Primär-Verbrennungszone 36 eine größere Menge von Brennstoff zugeführt als der anderen Hälfte der Primär-Verbrennungszone 36, so dass die eine Hälfte der Primär-Verbrennungszone 36 mit einem Brennstoff-Luft-Verhältnis arbeitet, das kleiner ist als das Durchschnitts-Brennstoff-Luft-Verhältnis und die andere Hälfte der Primär-Verbrennungszone 36 mit einem Brennstoff-Luft-Verhältnis arbeitet, das größer ist als das Durchschnitts-Brennstoff-Luft-Verhältnis. Durch die Erfindung wird das Brennstoff-Luft-Verhältnis und demgemäß die Temperatur in verschiedenen Sektoren der Primär-Verbrennungszone verändert, so dass die Druckoszillationen vermindert werden.
Der Primär-Verbrennungszone 36 wird durch die Primär-Brennstoffinjektoren 64 und 66 eine vorbestimmte Brennstoffmenge zugeführt. Das Steuergerät 122 stellt die Brennstoffzufuhr so ein, dass ein größerer Anteil von Brennstoff durch die Primär-Brennstoff-Ringleitung 68A und die Primär-Brennstoffinjektoren 64 und 66 der einen Hälfte der Primär-Verbrennungszone 36 zugeführt wird und ein geringerer Anteil von Brennstoff durch die Primär-Brennstoff-Ringleitung 68B und die Primär-Brennstoffinjektoren 64 und 66 nach der anderen Hälfte der Primär-Verbrennungszone 36 gelangt, um die Druckoszillationen zu vermindern.
Wenn das Steuergerät 122 bestimmt, dass immer noch Druckoszillationen über dem vorbestimmten Amplitudenwert vorhanden sind, dann erhöht das Steuergerät 122 den Anteil von Brennstoff, der der Primär-Brennstoff-Ringleitung 68A und den Primär-Brennstoffinjektoren 64 und 66 zugeführt wird und vermindert gleichzeitig den Anteil von Brennstoff, der durch die Primär-Brennstoff-Ringleitung 68B und die Brennstoffinjektoren 64 und 66 in die Primär-Verbrennungszone 36 eingeleitet wird.
Wenn das Steuergerät 122 bestimmt, dass die Druckoszillationen unter der vorbestimmten Amplitude liegen, dann vermindert das Steuergerät 122 den Brennstoffanteil, der durch die Primär-Brennstoff-Ringleitung 68A und die Primär-Brennstoffinjektoren 64 und 66 zugeführt wird, und es wird der Anteil von Brennstoff erhöht, der durch die Primär-Brennstoff-Ringleitung 68B und die Brennstoffinjektoren 64 und 66 in die Primär-Verbrennungszonge 36 eingeführt wird. Das Steuergerät 122 vermindert den Anteil von Brennstoff, der durch die Primär-Brennstoff-Ringleitung 68A und die Primär-Brennstoffinjektoren 64 und 66 zugeführt wird und erhöht den Anteil von Brennstoff, der der Primär-Brennstoff-Ringleitung 68B und den Brennstoffinjektoren 64 und 66 in die Primär-Verbrennungszone 36 geleitet wird, solange die Druckoszillationen unter dem vorbestimmten Pegel verbleiben oder bis gleiche Brennstoffmengen von beiden Primär-Brennstoff-Ringleitungen 68A und 68B zugeführt werden.
Der Sekundär-Verbrennungszone 40 wird durch die Sekundär-Brennstoffinjektoren 106 eine vorbestimmte Brennstoffmenge zugeführt. Das Steuergerät 122 stellt die Brennstoffzufuhr so ein, dass ein größerer Anteil von Brennstoff durch die Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104A und die Sekundär-Brennstoffinjektoren 106 der einen Hälfte der Sekundär-Verbrennungszone 40 zugeführt wird und ein geringerer Anteil des Brennstoffs durch die Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104B und die Sekundär-Brennstoffinjektoren 106 der anderen Hälfte der Sekundär-Verbrennungszone 40 zugeführt wird, um die Druckoszillationen zu vermindern.
Wenn das Steuergerät 122 bestimmt, dass immer noch Druckoszillationen über der vorbestimmten Amplitude vorhanden sind, dann erhöht das Steuergerät 122 den Brennstoffanteil weiter, der durch die Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104A und die Sekundär-Brennstoffinjektoren 106 zugeführt wird, und es vermindert den Anteil des Brennstoffs, der durch die Sekundär-Brennstoff-Ringleitungen 104B und die Brennstoffinjektoren 106 in die Sekundär-Verbrennungszone 40 eingeleitet wird, weiterhin.
Wenn das Steuergerät 122 bestimmt, dass die Druckoszillationen unter der vorbestimmten Amplitude liegen, dann vermindert das Steuergerät 122 den Brennstoffanteil, der durch die Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104A und die Sekundär-Brennstoffinjektoren 106 zugeführt wird und erhöht den Brennstoffanteil, der durch die Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104B und die Brennstoffinjektoren 106 in die Sekundär-Verbrennungszone 40 eingeleitet wird. Das Steuergerät 122 vermindert den Brennstoffanteil, der durch die Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104A und die Sekundär-Brennstoffinjektoren 106 zugeführt wird und erhöht den Anteil von Brennstoff, der durch die Sekundär-Brennstoff-Ringleitung 104B und die Brennstoffinjektoren 106 in die Sekundär-Verbrennungszone 40 eingeführt wird, wenn die Druckoszillationen unter dem vorbestimmten Pegel verbleiben oder bis gleiche Brennstoffmengen von den beiden Sekundär-Brennstoff-Ringleitungen 104A und 104B zugeführt werden.
Der Tertiär-Verbrennungszone 44 wird durch die Tertiär-Brennstoffinjektoren 114 eine vorbestimmte Brennstoffmenge zugeführt. Ein ähnliches Verfahren bewirkt die Zuführung von Brennstoff durch die Tertiär-Brennstoff-Ringleitungen 112A, 112B, 112C und 112D.
Demgemäß schafft die Erfindung die Möglichkeit, eine Brennkammer mit einem mageren Brennstoff-Luft-Verhältnis bei einem vorbestimmten Betriebs-Leistungspegel zu betreiben, der normalerweise Druckoszillationen bewirken würde, wobei durch die Erfindung die Amplitude der Druckoszillationen vermindert wird.
Dadurch wird es möglich, die Brennkammer so zu betreiben, dass ein weiterer Bereich von Triebwerks-Leistungspegeln und Emissionen eingestellt werden kann, ohne Druckoszillationswerte zu erzeugen, die die Brennkammer oder das Gasturbinentriebwerk beschädigen. Demgemäß wird durch die Erfindung in Umfangsrichtung die Brennstoffzufuhr nach einer oder mehreren Brennzonen eingestellt. Die in Umfangsrichtung erfolgte unterschiedliche Brennstoffzufuhr kann bewirken, dass der Anteil des Brennstoffs in einem oder mehreren der Umfangssektoren relativ zu den verbleibenden Umfangssektoren erhöht wird.
Die Erfindung wurde vorstehend beschrieben unter Bezugnahme auf Brennstoffleitungen, die den Brennstoff nach zwei oder vier in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren zuführen, jedoch ist jede weitere Zahl von Sektoren denkbar, beispielsweise können drei, sechs, acht, zehn usw. Sektoren angeordnet werden. Die in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren können in ihrer Winkelerstreckung gleich oder ungleich sein.
Die Erfindung ist anwendbar für Brennkammern, auch für andere Maschinen mit Verbrennungsstufen, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Die Brennkammer kann ringförmig oder mit ringförmig angeordneten Flammrohren ausgebildet sein. Der Brennstoff kann ein gasförmiger oder ein flüssiger Brennstoff sein.

Claims

Brennkammer (28) mit mehreren in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Verbrennungszonen (36, 40, 44), die durch wenigstens eine Umfangswand (30, 32) definiert werden, wobei jede Verbrennungszone (36, 40, 44) wenigstens einen Brennstoff-Luft-Mischkanal (76, 78, 80, 92) aufweist, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch in jeweils eine der Verbrennungszonen (36, 40, 44) einzuleiten und jeder Brennstoff-Luft-Mischkanal (76, 78, 80, 92) wenigstens einen Brennstoffinjektor (64, 66, 106, 114) aufweist, um Brennstoff in jeweils einen Brennstoff-Luft-Mischkanal (76, 78, 80, 92) zu fördern und wobei die Brennstoffinjektoren (64, 66, 106, 114) in dem wenigstens einen Brennstoff-Luft-Mischkanal (76, 78, 80, 92) für wenigstens eine Verbrennungszone (36, 40, 44) in mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren (68A, 68B, 104A, 104B, 112A, 112B, 112C, 112D) angeordnet sind und Brennstoff-Zuführungsmittel (67, 102, 110) vorgesehen sind, um Brennstoff den Brennstoffinjektoren (64, 66, 106, 114) zuzuführen, wobei die Brennstoff-Zuführungsmittel (67, 102, 110) mehrere Brennstoffventile (69A, 69B, 105A, 105B, 113A, 113B, 113C, 113D) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass Wandlermittel (120) akustisch mit der Brennkammer (28) gekoppelt sind, um Druckoszillationen in der Brennkammer (28) festzustellen und der Wandler (120) ein Signal aussendet, das den Pegel der Druckoszillationen in der Brennkammer (28) einem Steuergerät (122) liefert, dass das Steuergerät (122) Signale nach den Brennstoffventilen (69A, 69B, 105A, 105B, 113A, 113B, 113C, 113D) sendet, um einem oder mehreren der in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren (68A, 104A, 112A) mehr Brennstoff zuzuführen als den übrigen in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren (68B, 104B, 112B, 112C, 112D), um Druckoszillationen in der Brennkammer (28) zu vermindern, wenn die Druckoszillationen über einem vorbestimmten Wert liegen und um gleiche Brennstoffmengen sämtlichen in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren (68A, 68B, 104A, 104B, 112A, 112B, 112C, 112D) zuzuführen, um die Emissionen zu vermindern, wenn die Druckoszillationen unter dem vorbestimmten Pegel liegen.
Brennkammer nach Anspruch 1, bei welcher die Brennkammer (28) eine Primär-Verbrennungszone (36) und eine Sekundär-Verbrennungszone (40) stromab der Primär-Verbrennungszone (36) aufweist.
Brennkammer nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welcher die Brennkammer (28) eine Primär-Verbrennungszone (36), eine Sekundär-Verbrennungszone (40) stromab der Primär-Verbrennungszone (36) und eine Tertiär-Verbrennungszone (44) stromab der Sekundär-Verbrennungszone (40) aufweist.
Brennkammer nach den Ansprüchen 2 oder 3, bei welcher die Brennstoffinjektoren (106) in dem Brennstoff-Luft-Mischkanal (80), die Brennstoff und Luft in die Sekundär-Verbrennungszone (40) fördern, in Sektoren (104A, 104B) angeordnet sind, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend liegen.
Brennkammer nach Anspruch 3, bei welcher die Brennstoffinjektoren (114) im Brennstoff-Luft-Mischkanal (92), die Brennstoff und Luft in die Tertiär-Verbrennungszone (44) fördern, in Sektoren (112A, 112B, 112C, 112D) angeordnet sind, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend liegen.
Brennkammer nach Anspruch 2, Anspruch 3, Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei welcher die Brennstoffinjektoren (64, 66) in dem Brennstoff-Luft-Mischkanal (76, 78), die Brennstoff, und Luft in die Primär-Verbrennungszone (36) fördern, in Sektoren (68A, 68B) angeordnet sind, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend liegen.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der wenigstens eine Brennstoff-Luft-Mischkanal aus mehreren Brennstoff-Luft-Mischkanälen besteht.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher zwei Sektoren (68A, 68B, 104A, 104B) in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Brennkammer nach Anspruch 8, bei welcher die in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren (68A, 68B, 104A, 104B) sich über den halben Umfang, d. h. über 180° erstrecken.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher drei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Sektoren angeordnet sind.
Brennkammer nach Anspruch 10, bei welcher die drei in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren sich über jeweils ein Drittel oder 120° erstrecken.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher vier Sektoren (112A, 112B, 112C, 112D) in Umfangsrichtung angeordnet sind.
Brennkammer nach Anspruch 12, bei welcher die vier in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren (112A, 112B, 112C, 112D) sich jeweils über ein Viertel bzw. 90° erstrecken.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher sechs Sektoren in Umfangsrichtung angeordnet sind.
Brennkammer nach Anspruch 14, bei welcher die sechs in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren jeweils ein Sechstel einnehmen oder sich über 60° erstrecken.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem acht Sektoren in Umfangsrichtung angeordnet sind.
Brennkammer nach Anspruch 16, bei welchem die acht in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren ein Achtel des Umfangs einnehmen oder sich jeweils über 45° erstrecken.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei welcher der wenigstens eine Brennstoff-Luft-Mischkanal (80, 92) aus einem einzigen ringförmigen Brennstoff-Luft-Mischkanal besteht.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei welcher die Brennstoff-Zuführungsmittel (67, 102, 110) mehrere Brennstoffleitungen (68A, 68B, 104A, 104B, 112A, 112B, 112C, 112D) und mehrere Brennstoffventile (69A, 69B, 105A, 105B, 113A, 113B, 113C, 113D) aufweisen und jede Brennstoffleitung (68A, 68B, 104A, 104B, 112A, 112B, 112C, 112D) Brennstoff nach den Brennstoffinjektoren (64, 66, 106, 114) in jeweils einen der umfangsmäßig angeordneten Sektoren fördern und jedes Brennstoffventil (69A, 69B, 105A, 105B, 113A, 113B, 113C, 113D) die Brennstoffzufuhr nach jeweils einer Brennstoffleitung (68A, 68B, 104A, 104B, 112A, 112B, 112C, 112D) steuert.
Gasturbinentriebwerk (10) mit einer Brennkammer (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer (28), die mehrere Verbrennungszonen (36, 40, 44) in Strömungsrichtung hintereinander aufweist, die durch wenigstens eine Umfangswand (30, 32) definiert sind, wobei jede Verbrennungszone (36, 40, 44) wenigstens einen Brennstoff-Luft-Mischkanal (76, 78, 80, 92) aufweist, um Brennstoff und Luft nach jeweils einer der Verbrennungszonen (36, 40, 44) zu fördern und jeder Brennstoff-Luft-Mischkanal (76, 78, 80, 92) wenigstens einen Brennstoffinjektor (64, 66, 106, 114) aufweist, um Brennstoff in jeweils einen der Brennstoff-Luft-Mischkanäle (76, 78, 80, 92) einzuleiten, wobei Brennstoffinjektoren (64, 66, 106, 114) in dem wenigstens einen Brennnstoff-Luft-Mischkanal (76, 78, 80, 92) für wenigstens eine der Verbrennungszonen (36, 40, 44) in mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren (68A, 68B, 104A, 104B, 112A, 112B, 112C, 112D) angeordnet sind und Brennstoff-Zuführungsmittel (67, 102, 110) angeordnet sind, um Brennstoff nach den Brennstoffinjektoren (64, 66, 106, 114) zu fördern, dadurch gekennzeichnet, dass der Pegel der Druckoszillationen in der Brennkammer festgestellt wird und dann bestimmt wird, ob die Druckoszillationen über einem vorbestimmten Pegel liegen, worauf einem oder mehreren der in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren (68A, 104A, 112A) eine größere Brennstoffmenge zugeführt wird als den übrigen in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren (68B, 104B, 112B, 112C, 112D), um die Druckoszillationen in der Brennkammer (28) zu vermindern, wenn die Druckoszillationen über dem vorbestimmten Pegel liegen oder um gleiche Brennstoffmengen allen in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren (68A, 68B, 104A, 104B, 112A, 112B, 112C, 112D) zu liefern, um die Emissionen zu minimieren, wenn die Druckoszillationen unter dem vorbestimmten Pegel liegen.