DE69303448T2

DE69303448T2 - Verbrennungsanlage mit niedriger Schadstoffemission für Gasturbinen

Info

Publication number: DE69303448T2
Application number: DE69303448T
Authority: DE
Inventors: Luciano Bonciani; Gianni Ceccherini; Vasco Mezzedimi; Roberto Modi
Original assignee: Nuovo Pignone SpA; Eniricerche SpA
Current assignee: Eni Tecnologie SpA; Nuovo Pignone SpA
Priority date: 1992-09-24
Filing date: 1993-09-17
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2013-09-18
Also published as: JPH06221556A; ITMI922189A0; EP0589520A1; ITMI922189A1; DK0589520T3; JP3398845B2; GR3020636T3; ES2089699T3; IT1255613B; DE69303448D1; EP0589520B1; US5381652A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Verbrennungsanlage für Gasturbinen, die eine wirkungsvolle und genaue Steuerung der Verbrennungsluft entsprechend der Turbinenlast bietet, eine ständig stabile Flamme sicherstellt, jeden störenden Einfluß der Kühlluft auf die Verbrennung verhindert und dem Luft- Kraftstoff-Gemisch eine mehr oder weniger starke Drehbewegung erteilt, daher die Emission umweltsahädlicher Stickstoff- und Kohlenstoffoxide bei allen Turbinenlastniveaus so gering wie möglich hält; eine Verbrennungsanlage dieses Typs ist im Dokument EP-A-488 766 offenbart. Es ist bekannt, daß die Bildung von umweltschädigenden Stickstoffoxiden mit zunehmender Verbrennungs- oder Flammentemperatur ansteigt.
Bei den üblichen bekannten Verbrennungsanlagen des sogenannten Diffusions-Typs, bei denen der Kraftstoff in eine Brennkammer eingespritzt wird, die von einem Zwischenraum umgeben ist, in welchem Druckluft dem Verbrennungsprodukte-Strom entgegenströmt und Löcher für die Verbrennungsluft aufweist, die mit kleinen, über die gesamte Kammeroberfläche verteilten Zwischenöffnungen für die Kammerkühlluft und mit Löchern für die Verdünnungsluft versehen ist, welche die Temperatur der Verbrennungsprodukte auf ein für die Turbine akzeptables Niveau reduziert, verbrennt der Kraftstoff eine dem stöchiometrischen Wert stets gleiche Luftmenge und folglich stets mit einer hohen Energiekonzentration und mit hoher Temperatur, unabhängig von der vorhandenen Überschußluft, und daher ohne nachfolgende Schwierigkeiten bei der Flammenstabilität auch unter geringer Last, aber mit offensichtlich hoher Schadstoffemission
Um diese Schadstoffemission zu verringern, werden im allgemeinen Verbrennungsanlagen mit Vormischung verwendet, bei denen in Arbeitsrichtung vor der Brennkammer, von der sie durch einen Bereich von verkleinertem Querschnitt getrennt ist und auch von dem Druckluft enthaltenden Zwischenraum umgeben ist, eine Vormischkammer angeordnet ist, in die sowohl der Kraftstoff als auch die genannte Verbrennungsluft eingeleitet wird, diese bei niedriger Temperatur vermischt werden, um den Kraftstoff vor Erreichen der Brennkammer so beträchtlich zu verdünnen, daß diese Verbrennung nicht mehr stöchiometrisch ist, sondern mit einem Überschuß an Luft und daher bei einer niedrigeren Temperatur stattfindet.
Es hat sich nun herausgestellt, daß es zur Erzielung einer niedrigen Schadstoffemission aus Stickstoffoxiden und Kohlenstoffmonoxid zusammen mit einer guten Flammenstabilität notwendig ist, das Verbrennungsluft/Kraftstoff-Verhältnis bei einem optimalen Wert zu halten, der einem Luftüberschuß zwischen dem 1,5- und 2fachen des stöchiometrischen Wertes entspricht. Dies ist mit Verbrennungsanlagen mit Vormischung bei allen Turbinenlastniveaus erreichbar.
Während der Luftstrom, der den genannten Verbrennungsanlagen im allgemeinen durch einen Axialverdichter zugefördert wird, im wesentlichen gleich bleibt, muß in dieser Hinsicht die Kraftstoffmenge entsprechend der Turbinenlast kontinuierlich variiert werden, so daß der genannte optimale Luftüberschuß, wenn er bei Vollast erreicht wird, nicht mehr erreicht wird, wenn die Turbine mit reduzierter Last arbeitet, d.h. wenn eine kleinere Kraftstoffmenge verbraucht wird. In solchen Fällen kann der Luftüberschuß das 4- bis 7fache des stöchiometrischen Wertes erreichen, mit dem daraus folgenden Risiko, daß die Flamme erlischt.
Zusätzlich zu dieser Möglichkeit des Erlöschens der Flamme besteht ein weiterer Nachteil von Verbrennungsanlagen mit Vormischung darin, daß sie rasch eine instabile Verbrennung erzeugen, bedingt durch die vorhandene niedrige Energiekonzentration, welche die Flamme gegen kleinste Störungen empfindlich macht, daher schädliches Pulsieren des Druckes in der Brennkammer erzeugt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden, indem eine Verbrennungsanlage des Typs mit Vormischung geschaffen wird, die das Verbrennungsluft/Kraftstoff-Verhältnis auf seinem optimalen Wert bei allen Turbinenlastniveaus im wesentlichen gleich hält und den Bestand und die Stabilität der Flamme stets sicherstellt, mit der daraus folgenden Minimierung der Schadstoffemission.
Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß der Verbrennungsluftweg vom Zwischenraum in die Vormischkammer über in der Außenfläche der letzteren ausgebildete Öffnungen durch ein Ventilorgan unterbrochen wird, das in der Praxis aus einer Trommel besteht, die auf der genannten Außenfläche der Vormischkammer drehbar und mit entsprechenden Öffnungen versehen ist, die so ausgebildet sind, daß sie mit den genannten Öffnungen in der Vormischkammer zusammenwirken, wobei die Trommel von einem Stellorgan angetrieben wird, dessen Zahnritzel in einen mit der Trommel starr verbundenen Zahnsektor eingreift, um den Öffnungsgrad der genannten sich entsprechenden Öffnungen nach der verbrauchten Kraftstoffmenge zu verändern.
Abhängig von der Winkelstellung der als Ventil wirkenden Trommel und folglich ihrer Öffnungen in bezug auf die Öffnungen der Vormischkammer, können auf diese Weise letztere entweder völlig geöffnet sein oder ihr Öffnungsgrad kann bis zur vollkommenen Schließung reduziert werden.
Wenn daher die Turbine mit reduzierter Last und somit mit weniger Kraftstoff betrieben werden soll, ist es lediglich notwendig, den Öffnungsgrad der genannten Öffnungen in zweckdienlicher Weise zu verringern, derart, daß die Luft in angemessener Weise auf ihren optimalen Wert für die Erzielung niedriger Schadstoffemissionen reduziert wird, weil auf diese Weise an den Öffnungen eine Engstelle erzeugt wird, so daß die Luft, statt durch diese Engstelle zu strömen, in die Brennkammer vorzugsweise durch die Verdünnungsluftlöcher einströmt.
Die Fläche des Bereichs von verkleinertem Querschnitt, welche die Vormischkammer mit der Brennkammer verbindet und hinter der, bezogen auf die Arbeitsrichtung, die Flamme entsteht, ist mit einer Reihe kleiner Löcher für zusätzliches Einspritzen von Kraftstoff versehen, wodurch im Flammenbereich eine kraftstoffreiche Front entsteht und dadurch die Flamme stabilisiert wird.
Die Verbrennungsanlage für Gasturbinen, mit einer Brennkammer, die mit kleinen, über die gesamte Kammerfläche verteilten Öffnungen für die Kammerkühlluft versehen ist und mit Löchern für die Verdünnungsluft, welche die Temperatur der aus der Kammer ausströmenden Verbrennungsprodukte herabsetzt, wobei die Kammer von einem Zwischenraum umgeben ist, der dem Strom der genannten Verbrennungsprodukte entgegenströmende Druckluft enthält und ebenfalls eine Vormischkammer umgibt, in welcher der Kraftstoff mit der Verbrennungsluft vermischt wird und die in Arbeitsrichtung vor der Brennkammer angeordnet und von dieser durch einen Bereich von verkleinertem Querschnitt getrennt ist,
zeichnet sich daher erfindungsgemäß dadurch aus, daß - die Verbrennungsluft aus dem Zwischenraum über eine Reihe von in der Außenfläche der Vormischkammer ausgebildeten und mit entsprechenden Öffnungen in einer auf der Außenfläche der Vormischkammer drehbaren Trommel zusammenwirkenden Öffnungen entnommen wird, wobei die Trommel zur Veränderung des Öffnungsgrades der genannten sich entsprechenden Öffnungen in Übereinstimmung mit der verbrauchten Kraftstoffmenge durch ein Stellorgan angetrieben wird, dessen Zahnritzel in einen mit der Trommel starr verbundenen Zahnsektor eingreift, und daß
- in der Fläche des Bereichs von verkleinertem Querschnitt eine Reihe kleiner, mit zusätzlichem Kraftstoff versorgter Löcher ausgebildet ist.
Um ferner ein wirkungsvolles und homogenes Mischen zu vereinfachen, weist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Vormischkammer eine ringförmige Querschnittsgestalt auf, die in den trennenden Bereich von verkleinertem Querschnitt stetig übergeht, und in ihrem ringförmigen Innenraum eine radiale Reihe perforierter Rohre, denen der zu mischende Kraftstoff zugeleitet wird.
Die erfindungsgemäße Verbrennungsanlage umfaßt auch weitere Mittel zur Flammenstabilisierung, die unter bestimmten Bedingungen an Stelle von oder zusammen mit der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung durch die kleinen Löcher im Bereich von verkleinertem Querschnitt zu verwenden sind.
Eines dieser Mittel besteht aus einem zentralen Brenner, der in der Vormischkammer angeordnet ist und mit zusätzlichem Kraftstoff versorgt wird, derart, daß eine weitere Kraftstoffeinspritzung in die in Arbeitsrichtung dem Bereich von verkleinertem Querschnitt nachgeordnete Verbrennungszone durchführbar ist.
Das andere Mittel umfaßt eine Reihe Schaufeln, die mit einem vorbestimmten einstellbaren Winkel zum Luft-Kraftstoffgemisch-Strom im ringförmigen Innenraum der Vormischkammer in der Nähe des Bereichs von verkleinertem Querschnitt im voraus eingestellt sind.
Auf diese Weise wird im Gemisch innerhalb der ringförmigen Kammer in größerem oder kleinerem Maße eine Drehbewegung induziert, die vom Schaufelwinkel abhängig ist; dies hat eine günstige Wirkung auf die Flammenstabilität.
Schließlich wird angenommen, was Versuche zu bestätigen scheinen, daß das Vorhandensein von Kühlluft in der Verbrennungszone unmittelbar unterstromig vom Bereich von verkleinertem Querschnitt die Verbrennung stören kann und insbesondere zu einer Erhöhung von Kohlenstoffmonoxid führt. Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die Brennkammer auf differenzierende Weise gekühlt, insofern als der Abschnitt der Brennkammerfläche, welcher der in Arbeitsrichtung dem Bereich von verkleinertem Querschnitt nachgeordneten Verbrennungszone entspricht, keine verteilten Löcher für die Kühlluft mehr aufweist, sondern ohne Öffnungen ist, und zusammen mit einer Außenwand, die mit einer großen Anzahl gering beabstandeter kleiner Löcher versehen ist, eine kleine Kühikammer begrenzt, die mit der Brennkammer über Sammellöcher verbunden ist, die in dem dem Bereich von verkleinertem Querschnitt entgegengesetzten Endabschnitt der genannten kleinen Kammer ausgebildet sind.
Auf diese Weise werden durch die Luft, die unter Druck aus dem Zwischenraum durch die genannten kleinen Löcher in der Außenwand hindurch in die kleine Kammer einströmt, eine Anzahl Luftstrahlen gegen die Innenwand der kleinen Kammer und folglich gegen die Fläche der Brennkammer erzeugt, die sie wirkungsvoll kühlen und dann in die Brennkammer strömen, aber in einem solchen Abstand, daß sie keinen Einfluß auf die Verbrennungszone ausüben können.
Die Erfindung wird nachstehend in Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die eine bevorzugte, nicht einschränkende Ausführungsform von ihr darstellt, bei der technische oder ausführungsmäßige Änderungen durchgeführt werden können, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Beispielsweise kann die genannte Trommel statt mit einem in einen Zahnsektor eingreifenden Zahnritzel durch ein beliebiges anderes Antriebssystem angetrieben werden.
In der Zeichnung zeigt die Figur eine Seitenansicht mit mehreren Schnitten einer erfindungsgemäßen Gasturbinen-Verbrennungsanlage.
In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 die Brennkammer einer Gasturbinen-Verbrennungsanlage, die an ihrem oberstromigen Endstück mit einer Vormischkammer 2 über einen Bereich 3 von verkleinertem Querschnitt verbunden ist, dem die tatsächliche Verbrennungszone 4 der Kammer 1 in Arbeitsrichtung unmittelbar nachgeschaltet ist. Die gesamte Anordnung ist von einem Zwischenraum 5 umgeben, der von einem in der Figur nicht dargestellten Axialverdichter unter Druck zugeführte Luft enthält, die in der Richtung der Pfeile 6, d.h. dem aus der Brennkammer 1 austretenden Verbrennungsproduktstrom 7 entgegenströmt.
In der Außenfläche 8 der Brennkammer 1 sind kleine Leitöffnungen 9 für die Kammerkühlluft 10 und im unterstromigen Abschnitt der Kammer Löcher 11 für Luft 12 vorgesehen, die zum Verdünnen der Verbrennungsprodukte verwendet wird, um deren Temperatur auf ein für die Turbine akzeptables Niveau zu senken. Der die Verbrennungszone 4 umgebende Teil 81 der Fläche 8 der Brennkammer 1 ist ohne Öffnungen 9 und begrenzt zusammen mit einer Außenwand 13, die mit einer großen Anzahl mit geringem Zwischenabstand angeordneter kleiner Löcher 14 versehen ist, eine kleine Kühlkammer 15. Die durch die kleinen Löcher 14 strömende Druckluft 16 erzeugt eine große Anzahl Luftstrahlen gegen die Fläche 8', die daher wirkungsvoll gekühlt wird, ohne daß die Kühlluft 16 die Verbrennungszone 4 in irgendeiner Weise beeinflussen kann, da diese Luft in die Brennkammer 1 durch Sammellöcher 17 eingeleitet wird (von denen in der Figur nur eines erkennbar ist)., die in dem dem Bereich 3 von verkleinertem Querschnitt fernen Endabschnitt der kleinen Kammer 15 vorgesehen sind.
Die Vormischkammer 2 ist von ringförmigem Querschnitt, der stetig in den Zwischenraum 5 übergeht und in seinem ringförmigen Innenraum eine radiale Reihe perforierter Rohre 18 aufweist, denen der zu mischende Kraftstoff über die ringförmige Kammer 19 und das Rohr 20 zugeleitet wird, das den mittigen Hohlraum 21 in der Vormischkammer 2 durchdringt. In dem genannten ringförmigen Innenraum 2 sind in der Nähe des Zwischenraums 5 auch Schaufeln 22 vorgesehen, die mit einem Zapfen 23 und einer Befestigungsmutter 24 unter einem vorbestimmten Winkel zum Luft-Kraftstoffgemisch-Strom eingestellt werden können, derart, daß zur Begünstigung der Flammenstabilisierung dem Gemisch eine mehr oder weniger starke Drehbewegung aufdrückbar ist.
Die Verbrennungsluft wird aus dem Zwischenraum 5 in die Vormischkammer 2 über eine Reihe Öffnungen 25 geleitet, die in die Außenfläche 26 dieser Kammer eingearbeitet sind. Diese Öffnungen 25 wirken mit entsprechenden ffnungen 27 in einer Trommel 28 zusammen, die auf der Außenfläche 26 drehbar und in der Weise gedreht wird, daß der Öffnungsgrad der Öffnungen 25 in Übereinstimmung mit der verbrauchten Kraftstoffmenge verändert wird. Die Trommel 28 wird von einem Stellorgan 29 drehangetrieben, dessen Zahnritzel 30 in einen mit der Trommel 28 starr verbundenen Zahnsektor 31 eingreift.
Die Figur zeigt auch einen zentralen Brenner 32, der in den mittigen Hohlraum 21 eingesetzt ist und über das Rohr 33 mit zusätzlichem Kraftstoff versorgt wird, derart, daß zur Beibehaltung einer stabilen Flamme weiterer Kraftstoff in die Verbrennungszone 4 einspritzbar ist.
Um eine wirkungsvolle Flammenstabilisierung zu erreichen, ist schließlich die Oberfläche des Zwischenraums 5 mit einer Reihe kleiner Löcher 34 versehen, die über die ringförmige Kammer 35 und ein Rohr 36 mit zusätzlichem Kraftstoff versorgt werden.

Claims

1. Verbrennungsanlage für Gasturbinen, mit einer Brennkammer, die mit kleinen, über die gesamte Kammerfläche verteilten Öffnungen für die Kammerkühlluft versehen ist und mit Löchern für die Verdünnungsluft, welche die Temperatur der aus der Kammer ausströmenden Verbrennungsprodukte herabsetzt, wobei die Kammer von einem Zwischenraum umgeben ist, der dem Strom der genannten Verbrennungsprodukte entgegenströmende Druckluft enthält und ebenfalls eine Vormischkammer umgibt, in welcher der Kraftstoff mit der Verbrennungsluft vermischt wird und die in Arbeitsrichtung vor der Brennkammer angeordnet und von dieser durch einen Bereich von verkleinertem Querschnitt getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Verbrennungsluft aus dem Zwischenraum über eine Reihe von in der Außenfläche der Vormischkammer ausgebildeten und mit entsprechenden Öffungen in einer auf der Außenfläche der Vormischkammer drehbaren Trommel zusammenwirkenden Öffnungen entnommen wird, wobei die Trommel zur Veränderung des Öffnungsgrades der genannten entsprechenden Öffnungen in Übereinstimmung mit der verbrauchten Kraftstoffmenge durch ein Stellorgan angetrieben wird, dessen Zahnritzel in einen mit der Trommel starr verbundenen Zahnsektor eingreift, und

- in der Fläche des Bereichs von verkleinertem Querschnitt eine Reihe kleiner, mit zusätzlichem Kraftstoff versorgter Löcher ausgebildet ist.

2. Verbrennungsanlage für Gasturbinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Vormischkammer eine ringförmige Querschnittsgestalt auf weist, die in den trennenden Bereich von verkleinertem Querschnitt stetig übergeht, und in ihrem ringförmigen Innenraum eine radiale Reihe perforierter Rohre, denen der zu mischende Kraftstoff zugeleitet wird.

3. Verbrennungsanlage für Gasturbinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

ein in der Vormischkammer angeordneter und mit zusätzlichem Kraftstoff versorgter zentraler Brenner eine weitere Kraftstoffeinspritzung in die in Arbeitsrichtung dem Bereich von verkleinertem Querschnitt nachgeordnete Verbrennungszone durchführt.

4. Verbrennungsanlage für Gasturbinen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

eine Reihe Schaufeln vorgesehen ist, die mit einem vorbestimmten einstellbaren Winkel zum Luft-Kraftstoffgemisch- Strom im ringförmigen Innenraum der Vormischkammer in der Nähe des Bereichs von verkleinertem Querschnitt im voraus eingestellt sind.

5. Verbrennungsanlage für Gasturbinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Abschnitt der Brennkammerfläche, welcher der in Arbeitsrichtung dem Bereich von verkleinertem Querschnitt nachgeordneten Verbrennungszone entspricht, keine Öffnungen aufweist und zusammen mit einer Außenwand, die mit einer großen Anzahl gering beabstandeter kleiner Löcher versehen ist, eine kleine Kühlkammer begrenzt, die mit der Brennkammer über Sammellöcher verbunden ist, die in dem dem Bereich von verkleinertem Querschnitt entgegengesetzten Endabschnitt der genannten kleinen Kammer ausgebildet sind.