DE69720155T2 - Verbrennungsverfahren mit einer tangentialen Zweistromdüse - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Premix-Brennstoffdüsen für niedrige NOx-Werte und insbesondere derartige Düsen zur Verwendung in Gasturbinenmaschinen.
• Eine Premix-Flüssigbrennstoffdüse mit longitudinalen Lufteintrittsschlitzen ist in WO 95/23316 beschrieben.
• Die Erzeugung von Stickoxiden (nachfolgend "NOx") erfolgt als Ergebnis der Verbrennung bei hohen Temperaturen. NOx und Kohlenmonoxid ("CO") sind notorische Schadstoffe, und folglich sind Verbrennungsgeräte, die NOx und CO erzeugen, immer strengeren Standards für Emissionen derartiger Schadstoffe unterworfen. Folglich wird viel Anstrengung aufgewandt, um die Bildung von NOx und CO in Verbrennungsgeräten zu verringern.
• Eine Lösung war es, den Brennstoff mit einem Luftüberschuss derart vorzuvermischen, dass die Verbrennung mit lokal hoher Überschussluft erfolgt, was zu einer relativ niedrigen Verbrennungstemperatur führt und so die Bildung von NOx minimiert. Eine Brennstoffdüse, die derart arbeitet, ist in US-Patent Nr. 5 307 634 gezeigt, das einen Schneckenverwirbler mit einem konischen Zentralkörper beschreibt. Dieser Typ von Brennstoffdüse ist als Tangentialeintritts- Brennstoffdüse bekannt und weist zwei versetzte Zylinder-Bogen-Schnecken auf, die mit zwei Abschlussplatten verbunden sind. Verbrennungsluft gelangt in den Verwirbler durch zwei im Wesentlichen rechtwinklige Schlitze, die durch die versetzten Schnecken gebildet sind, und verlässt diesen durch einen Brennkammereinlass-Durchlass in einer Abschlussplatte und strömt in die Brennkammereinrichtung. Eine lineare Anordnung von Öffnungen, die an der äußeren Schnecke gegenüber der inneren Vorderkante angeordnet sind, injiziert Brennstoff in die Luftströmung bei jedem Einlassschlitz aus einer Verteilereinrichtung, um eine gleichförmige Brennstoff-Luftmischung vor dem Eintritt in die Brennkammer zu bilden.
• Premix-Brennstoffdüsen des Typs mit Tangentialeintritt, die bei mageren Brennstoff/Luftverhältnissen arbeiten, haben niedrige Emissionen von NOx, verglichen mit Brennstoffdüsen des Stands der Technik gezeigt. Leider haben Brennstoffdüsen, wie die in dem genannten Patent Beschriebenen, Verbrennungsinstabilitäten über deren normalen Betriebsbereich als Folge dieses mageren Betriebszustands gezeigt.
• Benötigt wird ein Verfahren zum Betreiben einer Tangential-Eintritts-Brennstoffdüse bei mageren Brennstoff/Luftverhältnissen, welches die Ziele niedrige NOx- und niedrige CO-Emission erzielt, ohne die Verbrennungsinstabilitäten zu erfahren, die beim Stand der Technik beobachtet wurden.
• Folglich wird ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff gemäß Anspruch 1 beschrieben.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
• Fig. 1 ist eine Schnittansicht der Brennstoffdüse der vorliegenden Erfindung, die entlang der Linie 1-1 von Fig. 2 genommen ist.
• Fig. 2 ist eine Schnittansicht, mit Blickrichtung nach unten entlang der Längsachse der Düse der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Brennstoffdüse der vorliegenden Erfindung, die entlang der Linie 3-3 von Fig. 2 genommen ist.
• Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Die Niedrig-NOx-Premix-Brennstoffdüse 10 der vorliegenden Erfindung weist einen Mittelkörper 12 in einem Schneckenverwirbler 14 auf. Der Schneckenverwirbler 14 weist eine erste und eine zweite Abschlussplatte 16, 18 auf, und die erste Abschlussplatte ist mit dem Mittelkörper 12 verbunden und befindet sich in beabstandeter Beziehung zu der zweiten Abschlussplatte 18, die einen sich dort hindurch erstreckenden Brennkammereinlass-Durchlass 20 hat. Eine Mehrzahl, und vorzugsweise zwei, von Zylinder-Bogen-Schneckenelementen 22, 24 erstreckt sich von der ersten Abschlussplatte 16 zu der zweiten Abschlussplatte 18.
• Die Schneckenelemente 22, 24 sind gleichförmig um die Längsachse 26 der Düse 10 beabstandet und definieren so eine Vermischungszone 28 zwischen sich, wie in der Fig. 2 gezeigt. Jedes Schneckenelement 22, 24 hat eine radial innere Oberfläche, die auf die Längsachse 26 gerichtet ist, und definiert eine Teil-Rotationsfläche um eine Mittellinie 32, 34. Der Begriff "Teil-Rotationsfläche", so wie er hier verwendet wird, bezeichnet eine Oberfläche, die durch das Rotieren einer Linie um weniger als eine komplette Drehung um eine der Mittellinien 32, 34 erzeugt wird.
• Jedes Schneckenelement 22 befindet sich in beabstandeter Relation zu dem anderen Schneckenelement 24, und die Mittellinie 32, 34 von jedem Schneckenelement 22, 24 ist in der Vermischungszone 28 angeordnet, wie in der Fig. 2 gezeigt. Es wird auf die Fig. 3 Bezug genommen. Jede der Mittellinien 32, 34 ist parallel und in einer beabstandeten Relation zu der Längsachse 26 angeordnet, und alle Mittellinien 32, 34 sind mit gleichem Abstand von der Längsachse 26 angeordnet und definieren so Einlassschlitze 36, 38, die sich parallel zur Längsachse 26 zwischen jedem Paar von benachbarten Schneckenelementen 22, 24 erstrecken zum Einbringen von Verbrennungsluft 40 in die Vermischungszone 28. Die die Verbrennung unterstützende Luft 42 aus dem Verdichter (nicht gezeigt) strömt durch die Einlassschlitze 36, 38, die durch die überlappenden Enden 44, 50, 48, 46 der Schneckenelemente 22, 24 mit versetzten Mittellinien 32, 34 gebildet sind.
• Jedes der Schneckenelemente 22, 24 weist ferner eine Brennstoffleitung 52, 54 zum Einbringen von Brennstoff in die Verbrennungsluft 40 auf, während diese in die Vermischungszone 28 durch einen der Einlassschlitze 36, 38 eingebracht wird. Eine erste Brennstoffversorgungsleitung (nicht gezeigt), die entweder einen flüssigen oder einen gasförmigen Brennstoff, aber vorzugsweise Gas, zuführen kann, ist mit einer jeden der Brennstoffleitungen 52, 54 verbunden. Der Brennkammereinlass-Durchlass 20, der koaxial zur Längsachse 26 ist, ist unmittelbar der Brennkammereinrichtung 56 benachbart angeordnet, um den Brennstoff und die Verbrennungsluft gemäß der vorliegenden Erfindung in die Brennkammereinrichtung 56 abzugeben, wo die Verbrennung des Brennstoffs und der Luft erfolgt.
• Es wird wieder auf die Fig. 1 Bezug genommen. Der Mittelkörper 12 hat eine Basis 58, die mindestens einen und vorzugsweise eine Mehrzahl von sich dort hindurch erstreckenden Luftzufuhr-Durchlässen 60, 62 aufweist, und die Basis 58 ist rechtwinklig zu der sich dort hindurch erstreckenden Längsachse 26. Der Mittelkörper 12 hat auch eine Innenpassage 64, die koaxial zu der Längsachse 26 ist. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Innenpassage 64 eine erste zylindrische Passage 66 mit einem ersten Ende 68 und einem zweiten Ende 70 und eine zweite zylindrische Passage 72 mit größerem Durchmesser als die erste zylindrische Passage 66 und in entsprechender Weise einem ersten Ende 74 und einem zweiten Ende 76 auf. Die zweite zylindrische Passage 72 kommuniziert mit der ersten zylindrischen Passage 66 durch eine sich verjüngende Passage 78 mit einem ersten Ende 80, das einen Durchmesser aufweist, der gleich dem Durchmesser der ersten zylindrischen Passage 66 ist und einem zweiten Ende 82, welches einen Durchmesser hat, der gleich dem Durchmesser der zweiten zylindrischen Passage 72 ist. Jede der Passagen 66, 72, 78 ist koaxial zur Längsachse 26, und das erste Ende 80 der sich verjüngenden Passage 78 ist integral mit dem zweiten Ende 70 der ersten zylindrischen Passage 66, während das zweite Ende 82 der sich verjüngenden Passage 78 integral mit dem ersten Ende 74 der zweiten zylindrischen Passage 72 ist. Die erste zylindrische Passage 66 weist eine Abgabeöffnung 68 auf, die kreisförmig ist und koaxial zu der Längsachse 26, und ist an dem ersten Ende 68 der ersten zylindrischen Passage 66 positioniert.
• Es wird auf die Fig. 3 Bezug genommen. Die radial äußere Oberfläche 84 des Mittelkörpers 12 weist einen Kegelstumpfbereich 86 auf, der die äußere Oberfläche eines Kegelstumpfs definiert, der koaxial zu der Längsachse 26 ist und sich zu der Basis 58 aufweitet, und ein zylindrischer Bereich 88, der integral mit dem Kegelstumpfbereich 86 ist definiert die Oberfläche eines Zylinders und ist koaxial zur Achse 26. In der bevorzugten Ausführungsform endet der zylindrische Bereich 88 an der Ebene, in der die Abgabeöffnung 68 angeordnet ist, wobei der Durchmesser des Kegelstumpfbereichs 86 an der Basis 58 2,65-mal größer als der Durchmesser des Kegelstumpfbereichs 86 an dessen Spitze ist, und die Höhe 90 des Kegelstumpfbereichs 86 (der Strecke zwischen der Ebene, in der die Basis 58 den Kegelstumpfbereich 86 trifft, und der Ebene, in der die Spitze des Kegelstumpfbereichs 86 positioniert ist) ist etwa 1,3-mal der Durchmesser des Kegelstumpfbereichs 86 an der Basis 58. Der zylindrische Bereich 88 ist zwischen dem Kegelstumpfbereich 86 und der Abgabeöffnung 68 positioniert. Wie in der Fig. 3 gezeigt, ist die Innenpassage 64 radial innerhalb der radial äußeren Oberfläche 84 des Mittelkörpers 12 angeordnet, wobei der Kegelstumpfbereich 86 koaxial zur Längsachse 26 ist und der Mittelkörper 12 mit der Basis 58 derart verbunden ist, dass der Kegelstumpfbereich 86 sich in Richtung auf den zylindrischen Bereich 88 verjüngt und, an diesem endet. Wie in der Fig. 2 gezeigt passt die Basis des Kegelstumpfbereichs 86 in einen Kreis 92, der in die Vermischungszone 28 eingeschrieben ist, und hat ihren Mittelpunkt 94 an der Längsachse 26. Wie der Fachmann leicht erkennen wird, ist die Vermischungszone 28 nicht kreisförmig im Querschnitt.
• Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Eine Innenkammer 100 ist in dem Mittelkörper 12 zwischen der Basis 58 und dem zweiten Ende 76 der zweiten zylindrischen Passage 72 angeordnet, die an der Kammer 100 endet Luft 102 wird der Kammer 100 durch die Luftzufuhr-Durchlässe 60, 62 in der Basis 58 zugeführt, die mit dieser kommunizieren, und die Kammer 100 wiederum liefert Luft zu der Innenpassage 64 durch das zweite Ende 76 der zweiten zylindrischen Passage 72. Die erste Endplatte 16 hat Öffnungen 104, 106 darin, die mit den Luftversorgungsdurchlässen 60, 62 der Basis 58 derart ausgerichtet sind, dass sie die Strömung der Verbrennungluft 102 aus dem Verdichter der Gasturbinenmaschine nicht stören. Ein Verwirbler 108, vorzugsweise des Typs mit radialer Einströmung, der in dem Technikgebiet bekannt ist, ist koaxial zur Längsachse 26 und ist in der Kammer 100 unmittelbar der im zweiten Ende 76 der zweiten zylindrischen Passage 72 benachbart, so dass die gesamte Luft, die in die Innenpassage 64 aus der Kammer 100 gelangt, durch den Verwirbler 108 strömen muss.
• Eine Brennstofflanze 110, die in gleicher Weise koaxial zu der Längsachse 26 ist, erstreckt sich durch die Basis 58, die Kammer 100 und den Verwirbler 108 und in die zweite zylindrische Passage 72 der Innenpassage 64. Der größere Durchmesser der zweiten zylindrischen Passage 72 nimmt den Querschnittsbereich der Brennstofflanze 110 auf, so dass der Strömungsquerschnitt in der zweiten zylindrischen Passage 72 im Wesentlichen gleich dem Strömungsquerschnitt der ersten zylindrischen Passage 66 ist. Eine zweite Brennstoffversorgungsleitung (nicht gezeigt), die entweder einen flüssigen oder einen gasförmigen Brennstoff zuführen kann, ist mit der Brennstofflanze 110 verbunden, um Brennstoff einer inneren Passage 112 in der Brennstofflanze 110 zuzuführen. Brennstoffdüsen 114 sind in der Brennstofflanze 110 angeordnet und schaffen einen Strömungsweg für den Austritt von Brennstoff aus der Brennstofflanze 110 in die Innenpassage 64.
• Es wird auf die Fig. 3 Bezug genommen. Der Brennstoffeinlass-Durchlass 20 ist koaxial zur Längsachse 26 und weist eine konvergente Oberfläche 116, eine divergente Oberfläche 117 und eine zylindrische Oberfläche 118 auf, welche die Schlundebene 120 des Einlass-Durchlasses 20 definiert. Die konvergente Oberfläche 116, die divergente Oberfläche 117 und die zylindrische Oberfläche 118 sind koaxial zur Längsachse 26, und die konvergente Oberfläche 116 ist zwischen der ersten Abschlussplatte 16 und der zylindrischen Oberfläche 118 angeordnet. Die konvergente Oberfläche 116 ist im Wesentlichen konisch in ihrer Gestalt und verjüngt sich in Richtung zur zylindrischen Oberfläche 118, während die divergente Oberfläche vorzugsweise definiert ist durch das Rotieren eines Teils einer Ellipse um die Längsachse 26.
• Die zylindrische Oberfläche 118 erstreckt sich eine begrenzte Strecke 121 zwischen der Schlundebene 120 und der divergenten Oberfläche. Die divergente Oberfläche 117 erstreckt sich zwischen der zylindrischen Oberfläche 118 der Brennkammeroberfläche 122 des Brennkammerdurchlass-Einlasses 20, die rechtwinklig zur Längsachse 26 ist, und die Austrittsebene 124 der Brennstoffdüse 10 der vorliegenden Erfindung definiert. Um die gewünschte axiale Geschwindigkeit der Brennstoff/Luftmischung durch den Brennkammereinlass- Durchlass 20 zu erreichen, muss die Verbrennungsluft, die dort hindurch strömt, auf den minimalen Strömungsquerschnitt, oder Schlundquerschnitt, an dem Brennkammereinlass-Durchlass 20 treffen. Um dieses Ergebnis zu erzielen, ist die zylindrische Oberfläche 118 an einem vorbestimmten Radius von der Längsachse 26 angeordnet der mindestens 10% geringer ist als der Radius des Kegelstumpfbereichs 86 an der Basis 58.
• Die konvergente Oberfläche 116 endet an der Schlundebene 120, wo der Durchmesser der konvergenten Oberfläche 116 gleich dem Durchmesser der zylindrischen Oberfläche 118 ist. Wie in der Fig. 3 gezeigt, ist die Schlundebene 120 zwischen der Austrittsebene 124 und der Abgabeöffnung 68 der Innenpassage 64 angeordnet, und die konvergente Oberfläche 116 ist zwischen der zylindrischen Oberfläche 118 und der ersten Abschlussplatte 16 angeordnet. Um das gewünschte Geschwindigkeitsprofil der Brennstoff/Luftmischung in dem Brennkammereinlass-Durchlass 20 herzustellen, erstreckt sich die konvergente Oberfläche 116 eine vorbestimmte Strecke 126 entlang der Längsachse 26, und die zylindrische Oberfläche 118 erstreckt sich eine zweite Strecke 128 entlang der Längsachse 26, die mindestens 5% der vorbestimmten Strecke 126 ist.
• Im Betrieb werden 11 bis 15% der Gesamtluftströmung durch die Brennstoffdüse 10 durch die Öffnungen 104, 106 und die Luftzufuhrdurchlässe 60, 62 in der Basis 58 und in die Kammer 100 des Mittelkörpers 12 eingebracht. Die Verbrennungsluft verlässt die Kammer 100 durch den Verwirbler 108 mit radialer Einströmung und gelangt in die Innenpassage 64 mit einer im Wesentlichen Tangentialgeschwindigkeit, oder als Wirbel, relativ zur Längsachse 26. Wenn diese wirbelnde Verbrennungsluft an der Brennstofflanze 110 vorbei strömt, wird Brennstoff, vorzugsweise in gasförmiger Form, aus der Brennstofflanze 110 in die Innenpassage 64 gespritzt und vermischt sich mit der wirbelnden Verbrennungsluft die Mischung aus Brennstoff und Verbrennungsluft strömt dann von der zweiten zylindrischen Passage 72 in die erste zylindrische Passage 66 durch die sich verjüngende Passage 78. Die Mischung strömt dann weiter nach unten über die Länge der ersten zylindrischen Passage 66 und verlässt die erste zylindrische Passage 66 kurz vor oder an der Schlundebene 120 des Brennkammereinlass-Durchlasses 20, und liefert eine zentrale Strömung von Brennstoff/Luftmischung.
• Zusätzliche Verbrennungsluft, gleich 85 bis 89% der Gesamtluftströmung durch die Brennstoffdüse 10, wird in die Vermischungszone 28 durch die Einlassschlitze 36, 38 eingebracht. Brennstoff, vorzugsweise gasförmiger Brennstoff, der zu den Brennstoffleitungen 52, 54 geliefert wird, wird in die Verbrennungsluft gespritzt, welche durch die Einlassschlitze 36, 38 strömt, und beginnt sich, mit dieser zu vermischen. In Folge der Gestalt der Schneckenelemente 22, 24 bildet diese Mischung einen ringförmigen Strom, der um den Mittelkörper 12 wirbelt und die Brennstoff/Luftmischung vermischt sich weiterhin, während sie dort herum wirbelt und während sie entlang der Längsachse 26 in Richtung zu dem Brennkammereinlass-Durchlass 20 weiter strömt. Brennstoff/Luftkonzentrationen wurden in einer Weise spezifiziert, dass, wenn das gewünschte Gesamt-Brennstoff/Luftverhältnis 0,5-mal dem für die stoichiometrische Verbrennung erforderlichen war, der Zentralstrom ein Brennstoff/Luftverhältnis von 0,54-mal dem stoichiometrischen Verhältnis hat und der Rest der Strömung ein Brennstoff/Luftverhältnis von 0,493-mal dem stoichiometrischen Wert hat.
• Der Wirbel der ringförmigen Strömung, der durch die Schneckenverwirbler 14 erzeugt wird, hat vorzugsweise den gleichen Drehsinn wie der Wirbel der Brennstoff/Luftmischung in der ersten zylindrischen Passage 66 und hat vorzugsweise eine Winkelgeschwindigkeit, die mindestens so groß ist wie die Winkelgeschwindigkeit der Brennstoff/Luftmischung in der ersten zylindrischen Passage 66. In Folge der Gestalt des Mittelkörpers 12 wird die Axialgeschwindigkeit des ringförmigen Stroms bei Geschwindigkeiten beibehalten, die verhindern, dass die Brennerflamme in den Schneckenverwirbler 14 migriert und an der Außenoberfläche 84 des Mittelkörpers 12 anhaftet. Beim Verlassen der ersten zylindrischen Passage 66 ist die wirbelnde Brennstoff/Luftmischung des Zentralstroms von der ringförmigen Strömung des Schneckenverwirblers 14 umgeben, und die zwei Ströme fließen radial nach innen zu der zylindrischen Oberfläche 118 und dann der divergenten Oberfläche 117, bis sie die Austrittsebene 124 des Brennkammereinlass-Durchlasses 20 strömungsabwärts der Vermischungszone 28 erreichen.
• Ein Test der Brennstoffdüse 10 hat magere Brennstoff/Luftverhältnisse gezeigt, welche die Ziele niedriger NOx- und niedrige CO-Emission erreichen, ohne die Verbrennungsinstabilitäten zu erfahren, die im Stand der Technik beobachtet wurden. Der Schlüssel zum Betrieb der Brennstoffdüse ist die Aufteilung der Luft und des Brennstoffs auf die zwei Ströme. Genügend Brennstoff muss durch den Zentralstrom strömen, dass die Gesamtflamme durch seine Anwesenheit stabilisiert wird, und dennoch sollte das Brennstoff/Luftverhältnis nicht so hoch sein, dass eine signifikante NOx-Erzeugung bewirkt wird, oder den Rest der Flamme des Brennstoffs beraubt. Außerdem muss der Brennstoff, der den beiden Luftströmen zugeführt wird, unabhängig durch Verteilerleitungen geleitet und kontrolliert werden, um eine Änderung des Verhältnisses von Brennstoff in dem Zentralstrom während des Betriebs zu erlauben, um optimale Emissionen zu erhalten.
• Die Erfindung unterscheidet sich von anderen Pilot- und Stabilisier-Verfahren in einiger Hinsicht. Zum Einen wird diese Erfindung auf magere vorvermischte Systeme angewandt. Beide Ströme werden vorvermischt, wobei ein Strom nur etwas brennstoffreicher als der andere ist. Das erzeugt signifikant niedrigere Emissionen als das traditionelle Pilot-Verfahren mit einer Diffusionsflamme. Tatsächlich "pilotiert" die vorliegende Erfindung nicht, da ihre Funktion nicht die Bereitstellung einer Flammenquelle im Falle der Abwesenheit von einer Flamme anderswo ist, sondern stattdessen die Bereitstellung einer Flamme mit verbesserten Stabilitätseigenschaften und niedrigen Emissionen.
• Zum Zweiten bilden die zwei (oder mehr) Ströme eine einzige, integrierte vereinigte Flammenfront. Man kann zwar argumentieren, dass zusammenhängende Flammen immer eine einzige Flammenfront bilden, der Kern dieser Erfindung ist jedoch die subtile Manipulation und Kontrolle der Brennstoffspezifikationen in einer einzigen Flammenstruktur. In den getesteten Ausführungsformen, die zumeist erfolgreich waren, haben die zwei Ströme im Brennstoff/Luftverhältnis, in der Axialgeschwindigkeit, in der Rotation und in der Temperatur annähernd zusammengepasst, wobei die Unterschiede gering waren (d. h. 10% Unterschied im Brennstoff/Luftverhältnis). So wurden die Vorteile von an Brennstoff mageren Flammen erhalten und dabei etwas von ihren Nachteilen abgemildert.
• Zum Dritten sind die Ströme physisch getrennt und können unabhängig kontrolliert werden. Flüssig-Brennstoffinjektoren nutzen häufig einen Unterschied in der Tröpfchengröße oder -geschwindigkeit, um reichere und magerere Bereiche der Flamme zu erzeugen, um die Flammenstabilität zu verbessern und die Emissionen zu verringern. Ähnlich können die Brennstoffdurchlässe in einem mageren, vorvermischten Injektor für gasförmigen Brennstoff unterschiedlich bemessen oder angeordnet sein, um brennstoffreiche und brennstoffmagere Bereiche der Flamme zu erzeugen. Oder die Aerodynamik kann so kontrolliert werden, dass eine Aufteilung in einer Weise erzeugt wird, dass eine brennstoffreiche oder brennstoffmagere Umgebung gefördert wird. Die hier dargestellte Erfindung unterscheidet sich von diesen darin, dass die Ströme physisch getrennt gehalten werden, bis sie annähernd in die Verbrennungszone gelangen, wobei lediglich genügend Vermischungszeit zugelassen ist um die Ausbildung einer einzigen, integrierten, vereinigten Flammenfront, wie vorangehend beschrieben, zu erlauben.
• Damit wird man erkennen, dass die vorliegende Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform ein Verfahren zum Betreiben einer Tangentialeintritts-Brennstoffdüse mit mageren Brennstoff/Luftverhältnissen schafft, das die Ziele einer niedrigen NOx- und niedriger CO-Emission erzielt, ohne die Verbrennungsinstabilitäten zu erfahren, die beim Stand der Technik beobachtet wurden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammereinrichtung, aufweisend Bereitstellen eines Schneckenverwirblers (14), der eine Vermischungszone (28) definiert und einen sich im Wesentlichen über die gesamte Menge der Vermischungszone (28) erstreckenden, sich verjüngenden Mittelkörper (12) hat;

Einbringen eines ersten Teils von Verbrennungsluft tangential in die Vermischungszone (28) im Wesentlichen kontinuierlich über deren Länge;

Einbringen eines ersten Teils von Brennstoff in die Verbrennungsluft, während die Verbrennungsluft in die Vermischungszone (28) eingebracht wird;

Vermischen der Verbrennungsluft und des Brennstoffs durch Wirbeln der Verbrennungsluft des Brennstoffs um den Mittelkörper (12), während die Verbrennungsluft und der Brennstoff in Richtung zu dem Brennkammereinlass-Durchlass (20) strömen;

Strömenlassen des ersten Teils der Verbrennungsluft in den Brennkammereinlass-Durchlass (20);

Einbringen eines zweiten Teils von Verbrennungsluft in den ersten Teil radial nach innen davon an dem Brennkammereinlass-Durchlass (20), wobei die Summe des ersten und des zweiten Teils von Verbrennungsluft die Gesamtluftströmung definiert und wobei der zweite Teil der Verbrennungsluft gleich 11 bis 15% der Gesamtluftströmung ist; und

Verbrennen des Brennstoffs außerhalb der Vermischungszone (28).

2. Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff nach Anspruch 1, wobei die Brennkammereinrichtung eine Brennkammereinrichtung einer Gasturbinenmaschine vom Premix-Verbrennungstyp ist, wobei der Schneckenverwirbler (14) eine erste und eine zweite Abschlussplatte (16, 18) hat, wobei die erste Abschlussplatte (16) in beabstandeter Relation zu der zweiten Abschlussplatte (18) angeordnet ist und die Vermischungszone (28) mit im Wesentlichen zylindrischer Gestalt dazwischen definiert, wobei die zweite Abschlussplatte (18) einen Brennkammereinlass-Durchlass (20) hat, der sich dort hindurch erstreckt; wodurch der Mittelkörper (12) in der Vermischungszone (28) positioniert ist und eine radial äußere Oberfläche (84) hat, die sich in Richtung zu dem Brennkammereinlass-Durchlass (20) verjüngt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Einbringens eines zweiten Teils der Verbrennungsluft in den ersten Teil radial nach innen davon an den Brennkammereinlass-Durchlass (20) aufweist,

Einbringen eines zweiten Teils von Verbrennungsluft in den Mittelkörper (12);

Einbringen eines zweiten Teils von Brennstoff in den zweiten Teil von Verbrennungsluft; und

Vermischen des zweiten Teils von Brennstoff mit dem zweiten Teil von Verbrennungsluft.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der erste Teil von Brennstoff, der in dem ersten Teil von Verbrennungsluft aufgeteilt ist, eine erste Brennstoff/Luftkonzentration definiert, wobei der zweite Teil von Brennstoff, der in dem zweiten Teil von Verbrennungsluft aufgeteilt ist, eine zweite Brennstoff/Luftkonzentration definiert, wobei das gewünschte Gesamt-Brennstoff/Luftverhältnis 0,5-mal dem für die stoichiometrische Verbrennung Erforderlichen ist, wobei die erste Brennstoff/Luftkonzentration 0,493-mal der stoichiometrische Wert und die zweite Brennstoff/Luftkonzentration 0,54-mal der stoichiometrische Wert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei dem Schritt des Einbringens eines zweiten Teils von Verbrennungsluft in den ersten Teil radial nach innen davon an dem Brennkammereinlass-Durchlass (20) der Schritt des Wirbelnlassens des zweiten Teils der Verbrennungsluft in dem Mittelkörper (12) mit einer Winkelgeschwindigkeit die im Wesentlichen gleich der Winkelgeschwindigkeit des ersten Teils ist, vorangeht.