DE2355127A1

DE2355127A1 - Brenner fuer eine gasturbine

Info

Publication number: DE2355127A1
Application number: DE19732355127
Authority: DE
Inventors: Katsuyuki Kawaguchi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1972-11-09
Filing date: 1973-11-01
Publication date: 1974-05-22
Also published as: GB1450190A; CH560356A5; IT996392B; JPS4968929A; US3886736A; CA985514A; JPS5342897B2; FR2206441A1; FR2206441B1; DE2355127C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für eine Gasturbine mit einem Brennraum;, mit Brennstoffzufuhr, mit einem unter Druck stehende Verbrennungsluft liefernden Kompressor und mit Zufuhr von unter Druck stehendem Zerstäubungsmittel zum Brennstoff»

Bekannte Anordnungen zum Lenken und Mischen von Zerstäubungsströmungsmitteln und Brennstoffen haben sich im allgemeinen mit der Erhöhung der thermischen Verbrennungsleistung und mit der Optimierung der Temperaturverteilung der Verbrennungsprodukte j um heiße Stellen auszuschalten und das Ausbrennen der im Strömungsweg'der Verbrennungsprodukte liegenden Bauteile zu verhindern, befaßt. Mit dem steigenden Interesse an der Entsorgung bzw. Sauberkeit der Umwelt wurde auch das Interesse daran -geweckt, für eine gründliche Brennstoffmischung und für eine Verminderung der Rauchentwicklung sowie der Erzeugung von schädlichen Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen bei der Verbrennung von Brennstoff in einer Gasturbine zu sorgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde„ einen Brenner_p insbesondere" für eine Gasturbine^ zu schaffen_s mit dem die Rauchentwicklung und die Erzeugung von Schadstoffen bei der Ver-

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brennung vermindert werden kann.

Ein diese Aufgabe lösender bzw. die gestellten Anforderungen erfüllender Brenner hat erfindungsgemäß eine Brennstoffzuführleitung mit einer winzigen Öffnung, die zu einem Brennraum führt, um in diesen einen Brennstoffstrom einzuleiten. Ferner ist eine Zerstäubungsmittelkammer mit einer Öffnung vorhanden, die so angeordnet ist, daß das Zerstäubungsmittel mit dem in den Brennraum, einströmenden Brennstoff zusammentrifft. Eine Ringkammer umgibt die Brennstoffzuführleitung, xvobei das eine Ende dieser Kammer mit dem Brennraum, das andere Ende mit dem Kompressionsteil der Gasturbine in Verbindung steht,, Die Ringkammer weist eine Vielzahl von winklig angeordneten Leitschaufeln auf, um der durchströmenden Luft am Austritt aus der Ringkammer und beim Eintritt in den Brennraum einen wirbeiförmigen Verlauf zu geben. Ferner sind radial einwärts und radial auswärts angeordnete, schräggestellte Ringreihen von Öffnungen vorgesehen, durch die Luft strömt, um die Wirbelbewegung und die innere Turbulenz des Brennstoff-Luft-Gemisches im Brennraum zu unterstützen. Jede der Ringreihen von öffnungen und die Leitschaufeln lenken ihre jeweiligen Luftströme im allgemeinen parallel zueinander, wobei sie auch zu dem insgesamt allgemein wirbeiförmigen Strömungsbild beitragen.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile werden für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstandes deutlich.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Brenner.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht nach der Linie II- II in der Fig. 1 und
Fig. 3 eine solche nach der Linie III - III in der Fig. 2_O

Der Brenner 10 für eine (nicht gezeigte) Gasturbine hat einen Brennraum 12 und eine Zufuhrleitung 14 zur Zufuhr von Druckluft von einem Kompressor 13 als Zerstäubungsmittel

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für den Brennstoff _o .

über eine Brennstoffzuleitung 16 gelangt Brennstoff zu einer Düse 18. mit wenigstens einer winzigen Öffnung 19 ■» aus der-der Brennstoff in den Brennraum 12 eingesprüht wird» Eine äußere Luftkammer 20 umschließt den Brenner ringförmig und steht mit einer Luft quelle über eine- -Vielzahl von Öffnungen 22 in Verbindung, die in der zylindrischen Außenwand 24 der Luftkammer 2C angeordnet sind₀ Mehrere .schräggestellte Leitschaufeln 26 sind an der zylindrischen Innenwand 28 der Luftkammer 20 be- festigt, von der sie sich radial auswärts erstrecken. Durch die schräggestellten Leitschaufeln 26 kann der durch die Kammer 20 strömenden Luft ein verwirbelter oder gewundener Verlauf bei ihrem Eintritt in den Brennraum gegeben werden, und zwar mit einem Winkel von 30 bis 35° zur Achse des Brennraumes„ Ein kegelstumpfförmiger Leitkörper 30 ist an dem Ende" mit ge-

.28 ringem Durchmesser an der Innenwand/der Luftkammer 20 befestigt und weist eine Vielzahl von ringförmig angeordneten düsenartigen Öffnungen 32 auf, die zur Achse des Brennraumes 12 unter einem Winkel von 30 bis 35° liegen. Die Leitschaufeln 26 und die Öffnungen 32 richten ihre jeweiligen Luftströme im allgemeinen parallel zueinander. Jeder Luftstrom trägt zu der Wirbelbewegung des Brennstöff-Zerstäubungsmittels· bei und¹ verbindet sich mit dieser Bewegung» Die düsenartigen Öffnungen 32 können ihre Luftströme auch senkrecht zu dem Brennstoff—Luftwirbel richten, um die Verwirbelung und die'Mischung von Brennstoff und Luft zu erhöhen.

Nahe der Brennstoffdüse 18 ist eine innere Luftkammer 34 vorgesehen, der das Zerstäubungsmittel über die Zuleitung 14 zugeführt wird, das dann durch eine Öffnung 36 nahe dem Kopf der Düse 18 strömt, und zwar unter einem Winkel gegen den Brennstoff hin, so daß es mit dem in den Brennraum einströmenden Brennstoff zusammentrifft.

Zwischen der inneren und äußeren Luftkammer 34 bzw· 20 ist eine mittlere Luftkammer 38 ausgebildet, während in der Innen-

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wand 28 der äußeren Luftkammer 20 mehrere Durchtritte 40 vorgesehen sind. Die mittlereLuftkammer 38 steht strömungsmittelseitig mit dem Brennraum 12 über eine Mehrzahl von winklig angeordneten düsenartigen Öffnungen 42 in Verbindung, die zur Achse des Brennraumes unter einem Winkel von 30 bis 45° liegen. Die hier durchtretende Luft strömt im allgemeinen parallel zu dem durch die Leitschaufeln 26 und die äußere Reihe von Öffnungen 32 erzeugten Wirbelluftstrom.

Die Leitschaufeln 26 und die Reihen der winklig angeordneten Öffnungen 42 und 32 sind in Fig. 2 gezeigt.

Die Winkellage der Leitschaufeln und der äußeren Öffnungen 32 ist in Fig. 3 dargestellt. Bei dem Brenner gemäß der Erfindung wird der in einer Anfangs—Brennzone erzeugte Kohlenstoff durch Zufuhr von Wirbelluft in drei Stufen vermindert, indem der Winkel des Brennstoff-Einspritzkegels erweitert wird, \tfodurch die Brennstoffteilchen in ihrer Größe kleiner gemacht werden, die Zündfähigkeit des Brennstoffs verbessert und schließlich die Länge der Flamme verkürzt wird. Das Zerstäuben des Brennstoffs wird durch die Anwendung einer Wirbelströmung mit einer .zum Brennstoff-Einspritzkegel gleichen Wirbelrichtung gesteigert. Zusätzlich durchdringt die eingedüste Luft den Brennstoff-Einspritzkegel, was zu einer inneren Verwirbelung und Mischung führt. - Da während des Verbrennungsvorgangs der Verbrennungsdruck ansteigt, läßt ein Druckausgleichkolben 44 zusätzliche Luft von der Verbrennungsluftquelle, die wie in Fig. 1 gezeigt ist, ein Kompresor sein kann, eintreten, wobei die Luft durch einen um die Brennstoffzuleitung herum angeordneten Ringraum 46 strömt, um sich mit der Luft in der mittleren Luftkammer 38 vor dem Einblasen in den Brennraum 12 zu mischen. Die Luft von dem äußeren Ring der Öffnungen 32 gelangt in den Brennstoff-Einspritzkegel, ohne den Einspritzkegel zusammenzuziehen oder zu verkleinern, weil der Luftstrom seine eigenen Wirbelkomponenten hat und weil der Kegelwinkel des Wirbels durch den von dem inneren Ring der Öffnungen 42

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kommenden Luftstrom vergrößert wird«, Die Mischung von Frischluft mit den kreisendenjbrennbaren Brenngasstrom kann schnell erreicht und· der ¥erbrennungslastfaktor kann, auf einen .Stand erhöht werden, In welchem eine stabile ¥erbrennungszqne und ein stabiles Verhältnis von Brennst off/Luft wirksam und In hohem Maße aufrechterhalten werden können«, Die Mischung -von Brennstoff und Luft wird somit ausreichend gefördert und der auf einer unvollständigen Yerbrennung beruhende Kohlenstof £- ausstoß wird verminderte

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Claims

Patentansprüche

Brenner für eine Gasturbine mit einem Brennraum, mit Brennstoffzufuhr, mit einem unter Druck stehende Verbrennungsluft liefernden Kompressor und mit Zufuhr von unter Druck stehendem Zerstäubungsmittel zum Brennstoff, gekennzeichnet durch eine mit dem Brennraum (12) in Verbindung stehende, diesem Raum Brennstoff zuführende Brennstoffdüse (18) mit wenigstens einer Öffnung, durch eine Zerstäubungsmittelkammer (34) mit wenigstens einer Öffnung (36), aus der das Zerstäubungsmittel in den Brennraum (12) derart austritt, daß es mit dem darin strömenden Brennstoff zusammentrifft, durch eine erste Reihe von schräggestellten, um die Brennstoffdüse (18) herum angeordneten Öffnungen (42), aus denen dem Brennstoff im Brennraum eine Wirbelbewegung vermittelnde Luftstrahlen austreten, durch eine zweite Reihe von um die Brennstoffdüse herum angeordneten schräggestellten Öffnungen (32), aus denen die Vermischung und die Wirbelbewegung der Brennstoff-Luft-Mischung erhöhende Luftstrahlen austreten, und durch eine mit dem Kompressor (13) und dem Brennraum (12)in Verbindung stehende Ringkammer (20) mit darin im allgemeinen radial angeordneten Leitschaufeln (26), die der durchströmenden Luft zum Eintritt in den Brennraum eine Wirbelbewegung vermitteln, wobei die ersten und zweiten Öffnungen (42,32) und die Leitschaufeln (26) dem hindurchtretenden Strömungsmittel jeweils im allgemeinen den gleichen Strömungswinkel mit Bezug auf die Achse des Brennraumes geben und wo-bei die Leitschaufeln (26) und die ersten und zweiten Öffnungen (42,32) einander zusammenwirkend zugeordnet sind, um der Luft und dem Brennstoff eine Wirbelbewegung zu geben, die Verwirbelung zu steigern und die Raucherzeugung zu vermindern.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Öffnungen (42) zur Achse des Brennraumes einen Winkel vort 30 bis 45° haben, daß die zweiten Öffnungen (32) zur Achse

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des Brennraumes einen Winkel von 30 bis 35 haben und daß die Leitschaufeln (26) unter einem Winkel von"30 bis 35° zur Achse des Brennraumes angeordnet sind_o

3 ο Brenner nach Anspruch 1 oder 2₉ dadurch gekennzeichnet „■ daß die ersten Öffnungen (42) ringförmig das Ausströmende der Brennstoffdüse umgebenρ während die zweiten Öffnungen (32) radial auswärts von den ersten Öffnungen (42) angeordnet sind» . ".-."'■■

4ο Brenner für eine Gasturbine mit einem Brennraum, mit Brennstoffzufuhr_? mit einem unter Druck stehende Verbrennungsluft liefernden Kompressor und mit Zufuhr von unter Druck stehendem Zerstäubungsmittel zum Brennstoffs gekennzeichnet durch eine mit dem Brennraum (1.2) in Verbindung stehende ₉ diesem Raum Brennstoff zuführende Brennstoffdüse (18) mit wenigstens einer öffnung₉ durch eine Zerstäubungsmittelkammer (34) mit wenigstens einer öffnung (36) aus der das Zerstäubungsmittel in den Brennraum (12) derart austritt_s daß es mit dem darin strömenden Brennstoff zusammentrifft, durch eine erste, um die Brennstoffdüse (18) radial angeordnete innere Reihe von schräggestellten Öffnungen (42)_p aus denen dem Brennstoff im Brennraum eine Wirbelbexvegüng vermittelnde Luftstrahlen austreten^ und durch eine zweite_P radial auswärts von der ersten Reihe angeordnete Reihe von Öffnungen (32.) _f die im allgemeinen senkrecht zum Brennstoffkegel stehen und aus denen Luftstrahlen austreten, die im Zentrum des Wirbels eine den Kohlenstoff und die Rauchbildung vermindernde Verwirbelung hervorrufen.

5. Brenner nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine mit dem Kompressor (13) und dem Brennraum (12) in Verbindung' stehende Ringkammer (20),- in der im allgemeinen radial ange-.ordnete, der durchströmenden Luft bei ihrem Eintritt in den Brennraum eine Wirbelbewegung vermittelnde Ueitschaufeln (26) untergebracht sind,

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6. Brenner nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (26) und die ersten , innen liegenden öffnungen (42) zur Achse des Brennraumes (12) unter einem Winkel von 30 bis 35° angeordnet sind.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Zerstäub .aigsmlttel Drucfctfu/t die

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