DE2613589A1

DE2613589A1 - Verbrennungseinrichtung fuer eine gasturbine

Info

Publication number: DE2613589A1
Application number: DE19762613589
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Sakaki
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-04-19
Filing date: 1976-03-30
Publication date: 1976-10-28
Also published as: JPS51123413A; GB1521195A

Description

Dr.D.Thomsen PATE NTANWALTS BÜRO

& Telefon (089)530211

W. We ΙΠ ka Uf f Telegramm-Adresse ) 2613589

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PATENTANWÄLTE München: Frankfurt/M.:

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(Fuchshohl 71)

Dresdner Bank AQ. München, Konto 5574237

8000 München 2

Kaiser-Ludwig-Platz 6 3o. März 1976

Nissan Motor Company, Limited Yokohama City, Japan

Verbrennungseinrichtung für eine Gasturbine

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Verbrennungseinrichtungen für Gasturbinen und im besonderen eine verbesserte Verbrennungseinrichtung, welche ganz besonders für eine mit einem Wärmetauscher ausgerüstete Gasturbine oder für eine mit einem hohen Druckverhältnis arbeitende Gasturbine geeignet ist (wobei letztere so ausgelegt ist, daß sie genügend erhitzte Luft in die Einlaßöffnung einer Verbrennungseinrichtung ohne Verwendung eines Wärmetauschers einspeist), durch welche die Luftverunreinigung in einem beachtlichen Grade ausgeschlossen v/ird.

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ORIGINAL INSPECTED

In der Verfarennungseinrichtung einer konventionellen Gasturbine ist es allgemein üblich, den flüssigen Brennstoff in feinzerstäubter Form durch eine Einspritzdüse in die Brennkammer einzuspritzen, welcher Brennstoff mit in einem Kompressor verdichteter und in einem Wärmeaustauscher erhitzter Luft vermischt wird, um ein Brennstoff/Luft-Gemisch zu erzeugen, das dann mithilfe eines Flammenhalters oder Verbrennungsstabilisators (flame preserver) kontinuierlich verbrannt wird. Dieser einfache Vorgang des Einspritzens von Brennstoff in die Brennkammer garantiert jedoch nicht einen hinreichenden Grad der Brennstoffvergasung,, so daß auch nicht eine homogene Vermischung des Brennstoffs mit der Luft erreicht werden kann, was zur Folge hat, daß der Brennstoff in Form von kleinen Flüssigkeitströpfchen verbrennt. Demzufolge sind in den Auspuffgasen giftige Verbindungen, wie z.B. Stickstoffoxyde oder unverbrannte Bestandteile, in großer Menge enthalten, wodurch insbesondere in Stadtgebieten mit einer hohen Verkehrsdichte das Problem einer erheblichen Luftverunreinigung auftritt.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich nun mit der Schaffung einer verbesserten Verbrennungseinrichtung, die aus einer Hauptbrennkammer und einer Zusatz- oder Vorkammer besteht, wobei letztere hinsichtlich ihrer Konstruktion der Hauptbrennkammer ähnlich ausgebildet ist. Die Zusatz- oder Vorkammer ist koaxial und stromaufwärts zur Hauptbrennkammer angeordnet und mit dieser Hauptbrennkammer verbunden. Die Zusatzkammer wird mit komprimierter heißer Luft beliefert, die durch einen Wärmetauscher hindurchstreicht, um einen

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ausreichenden Grad an Brennstoffvergasung und ein homogenes Gemisch des vergasten Brennstoffs mit Luft darin zu erreichen, wodurch die vorstehend genannten, dem Stand der Technik
anhaftenden Nachteile überwunden werden sollen.

Nach der vorliegenden Erfindung ist eine zusammengesetzte Einrichtung für eine Gasturbine vorgesehen, die besteht aus einem äußeren Gehäuse, das mit heißer komprimierter Luft aus einem Kompressor beschickt werden kann; einer in diesem äußeren Gehäuse angeordneten Hauptbrennkammer, die eine Brennstoffeinspritzdüse und einen am stromaufwärts gelegenen Ende der Hauptbrennkammer vorgesehenen Drallerzeuger aufweist; sowie einer Zusatz- oder Vorkammer, die an dem stromaufwärts gelegenen Ende der Hauptbrennkammer und koaxial zu dieser angeordnet
ist und deren Gehäuse eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, wobei an dem stromaufwärts gelegenen Ende dieser Zusatz- oder Vorkammer eine Brennstoffeinspritzdüse sowie ein Drallerzeuger vorgesehen sind, und welche Zusatz- oder Vorkammer als Vorvermischungskammer für die Bereitstellung eines in die Hauptbrennkammer einzuführenden Brennstoff/Luft-Gemisches dient.

Andere Eigenheiten, Lösungsmerkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der anliegenden Zeichnungen erkennbar, in der eine einzige Figur eine bevorzugte Ausführungsform einer Verbrennungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung darstellt.

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In dieser einzigen Zeichnung ist im Querschnitt eine Verbrennungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Diese Verbrennungseinrichtung umfaßt im wesentlichen eine Hauptbrennkammer 1o, die in einem äußeren Gehäuse 12 befestigt ist, sowie eine Zusatz- oder Vorkammer 14, die in koaxialer Anordnung mit der Hauptbrennkammer 1o an deren stromaufwärts gelegenem Ende angesetzt ist. Die Hauptbrennkammer 1o kann jede herkömmliche Ausgestaltung aufweisen. Die Hauptbrennkammer und die Zusatz- oder Vorkammer 14 stehen miteinander in Verbindung, so daß das Luft/Brennstoff-Gemisch, das in der Zusatzkammer 14 gebildet wird, in die Hauptbrennkammer 1o eingespeist werden kann.

Am stromaufwärts gelegenen Ende einer zur Hauptbrennkammer 1o gehörenden eigentlichen Verbrennungskammer 2o ist eine zur Einspritzung eines flüssigen Brennstoffs aus einer Brennstoffleitung 18 bestimmte Einspritzdüse 16 sowie ein Flammenhalter oder Verbrennungsstabilisator 19 vorgesehen, wobei letzterer einen Drallerzeuger enthält, der eine gleichmäßige Verbrennung des Gemisches aus Brennstoffnebel und Luft bewerkstelligen soll.

Die eigentliche Verbrennungskammer 2o ist an ihren Wänden mit einer Vielzahl von Löchern 2oa_? 2ob und 2oc versehen, die durch einen Wärmetauscher {nicht dargestellt) erhitzte oder nur durch den Kompressionsvorgang erhitzte Luft in die Verbrennungskammer 2g einströmen lassen <, Zwischen der Einspritzdüse 16 und dem Flammenhalter IS Ist eine Kühlluftleitung 22 ange-

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ordnet, die eine Kühlung der den hohen Temperaturen ausgesetzten Teile sowie der Brennstoffleitung 18 bewirken soll.

Die Vorkammer 14 umfaßt ein Gehäuse oder einen Zylinder 24, das bzw. der an seiner Umfangswand eine Vielzahl von Löchern 24a und 24b aufweist. Dieses Gehäuse 24 ist vorzugsweise koaxial zur Verbrennungskammer 2o ausgerichtet. Das stromaufwärts gelegene Ende der Vor- oder Zusatzkammer 14 ist mit einer Brennstoffleitung 26 zur Einspeisung flüssigen Brennstoffs in verschiedenen Mengen in Abhängigkeit von der Belastung der Turbine, einer Einspritzdüse 28 zum Einspritzen des von der Brennstoffleitung 26 gelieferten Brennstoffs in feinverteilter Form und mit einem Drallerzeuger 3o zur Erreichung einer Vergasung und gleichmäßigen Verteilung des flüssigen Brennstoffs ausgestattet. .

Wie bereits vorstehend beschrieben, weist das Gehäuse der Vorkammer 14 mehrere Reihen mit Löchern 24a und 24b auf, durch welche komprimierte, erhitzte Luft in den Innenraum des Gehäuses 24 eingespeist wird.

Das Bezugszeichen 31 bezeichnet eine Trennwand, durch welche das äußere Gehäuse 12 in eine Lufteinlaßseite und eine Gasauslaßseite abgeteilt wird und welche zugleich als Halterung für die Verbrennungskammer 2o dient. Die Pfeile a, b und c zeigen die Strömungsrichtung der komprimierten Luft, des zerstäubten Brennstoffs bzw. der verbrannten Gase an.

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Ein Brennstofftank 32, der Kerosin oder irgendeine andere Art eines Flüssigbrennstoffs enthält, ist mit einer Pumpe 34 verbunden, die ihrerseits an ein Überströmventil 36 angeschlossen ist. Dieses Überströmventil 36 ist an seinem Auslaßende mit der Brennstoffleitung 18 über ein Durchflußsteuerungsventil 38 und ein Absperrventil 4o, wobei letzteres mit einem Anlasserschalter 42 in Verbindung steht, verbunden. Das Überströmventil 36 ist mit seinem Auslaßende ebenfalls mit der Brennstoffleitung 26 über ein Durchflußsteuerungsventil 44, das über ein Beschleunigungs- bzw. Gaspedal 46 betätigt werden kann, verbunden.

Wenn während des Betriebs der Anlasserschalter 42 geschlossen ist, ist das Absperrventil 4o geöffnet, so daß der mithilfe der Pumpe 34 angesaugte flüssige Brennstoff durch das Überströmventil 36 und das Durchflußsteuerungsventil 38 in die Brennstoffleitung 18 eintritt, von welcher aus der flüssige Brennstoff mithilfe der Einspritzdüse 16 in feinverteilter Form in die Verbrennungskammer 2o eingespritzt wird.

Dieser eingespritzte Brennstoff wird mit der in die Hauptbrennkammer 1o durch die Löcher 2oa und den Flammenhalter 19 eingebrachten Luft vermischt und mithilfe der Zündkerze G entflammt. Während des Anfahrens der Gasturbine ist es nicht notwendig, das Gaspedal 46 zu bedienen, so daß das Durchflußsteuerungsventil 44 in geschlossenem Zustand gehalten wird und kein Brennstoff in die Zusatz- oder Vorkammer 14 eingespeist wird. Unter diesen Bedingungen arbeitet die Verbrennungseinrichtung

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in einer Weise ähnlich der einer konventionellen Verbrennungseinrichtung während des Startens oder des Leerlaufs.

Nachdem die Verbrennungseinrichtung angefahren worden ist, wird ein Leerlaufbetrieb beibehalten, bis ein Wärmetauscher (nicht dargestellt) mithilfe der verbrannten Gase, welche durch den Pfeil c angedeutet sind, den Wärraeaustauschvorgang durchzuführen beginnt. Wenn die Temperatur in dem Wärmetauscher während dieses Leerlaufs einengenügend hohen Wert erreicht hat, wird mit der Brennstoffzufuhr über die Brennstoffleitung 26 in einer Weise begonnen,,wie im folgenden näher beschrieben werden wird, während die Brennstoffzufuhr über die Brennstoffleitung 18 in die Verbrennungskammer 2o weiterhin fortgesetzt wird. Da die Gesamtmenge des über die Brennstoffleitungen 18 und 26 eingeführten Brennstoffs in Abhängigkeit von der Belastung der Turbine verändert wird, sei hier vermerkt, daß der durch die Brennstoffleitung 26 eingeführte Brennstoff in Abhängigkeit von dem durch die Brennstoffleitung 18 eingeführten Brennstoff über verschiedene Mengenbereiche variieren kann, wobei der über dit ^eitung 18 eingeführte Brennstoff in einer zur Aufrechterhaltung einer Flamme in der Verbrennungskammer 2o ausreichenden Menge konstant gehalten wird.

Wenn während einer Betriebsbelastung das Gaspedal 46 durchgedrückt wird, wird das Durchflußsteuerungsventil 44 in einem dem Grad der Durchdrückung des Gaspedals 46 entsprechenden Maß geöffnet, so daß Brennstoff der Brennstoffleitung 26 zugeführt und mithilfe der Einspritzdüse 28 in die Zusatz- oder

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Vorkammer 14 eingespritzt wird. Dieser eingespritzte Brennstoff wird zuerst mit komprimierter erhitzter Luft vermischt, welche in diese Vorkammer 14 mithilfe des Drallerzeugers 3o zwecks Bildung eines angereicherten Luft/Brennstoff-Gemisches (dessen Luft/Brennstoff-Verhältnis zwischen ungefähr 5 : 1 bis 1o : 1 variiert) eingeführt wird. Dieses Luft/Brennstoff-Gemisch wird dann mit zusätzlicher Luft, die durch die Löcher 24a und 24b zutritt, vermischt, um ein mageres Luft/Brennstoff-Gemisch (dessen Luft/Brennstoff-Verhältnis zwischen ungefähr 2o : 1 bis 3o : 1 variiert) zu bilden. Dieses nunmehr einer erhitzten Luft von 6oo bis 65o°C ausgesetzte magere Luft/Brennstoff-Gemisch wird in die· Verbrennungskammer 2o mit einer Geschwindigkeit eingeführt, welche unterhalb eines vorbestimmten Wertes (von z.B. 3o bis 4o m/sec.) liegt, so daß das Gemisch in der Vorkammer 14 nicht verbrannt wird. Das nun in die Hauptbrennkammer 1o eingeführte magere Luft/Brennstoff-Gemisch wird durch die Flammen in der Hauptbrennkammer 1o verbrannt.

Es ist auch möglich, das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf irgendeine andere Art und Weise zu steuern, wie dies nachfolgend dargestellt wird.

Der über die Einspritzdüse 28 eingebrachte zerstäubte Brennstoff wird mit der durch die Öffnungen 24a und 24b eingeführten Luft vermischt, um ein angereichertes Luft/Brennstoff-Gemisch zu bilden (dessen Luft/Brennstoff-Verhältnis zwischen ca. 5 : 1 bis 1o : 1 reicht). Dieses angereicherte Luft/Brennstoff-Gemisch wird in diesem so angereicherten Zustand

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in die Hauptbrennkammer 1o eingeführt, wo dieses Gemisch dann mit der durch die Öffnungen 2o a einströmenden Luft verdünnt wird, um ein Gemisch mit einem Luft/Brennstoff-Verhältnis zwischen 2o : bis 3o : 1 zu bilden, und anschließend verbrannt wird. Die so entstandenen verbrannten Gase bzw. Auspuffgase werden mit der durch die öffnungen 2ob und 2oc einströmenden Luft verdünnt und dadurch abgekühlt. Die abgekühlten Auspuffgase werden dann in einer Richtung, die in der Figur mit dem Pfeil c angegeben ist, ausgestoßen, um die Turbine in Rotation zu versetzen.

Da die Einspritzdüse 16 und der Flammenhalter 19 während dieses Verbrennungsprozesses auf eine außerordentlich hohe Temperatur erhitzt werden, werden sie mittels der durch die Kühlluftleitung 22 eingeführte Luft gekühlt.

Es wird nunmehr aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, daß die Vorkammer 14 dazu ausersehen ist, nur als Luftkammer während des Startens zu dienen und eine Vergasung und homogene Vermischung des Brennstoffs während der anderen Betriebsbedingungen zu bewirken, wobei während der normalen Betriebsbedingungen das Vorvermischen des vergasten Brennstoffs mit Luft in homogener Weise erfolgt. Deshalb ist es möglich, eine Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemisches in dessen mageren Bereich in einer stabilen Weise zu erzielen, in welchem Bereich das Luft/Brennstoff-Verhältnis größer ist als das stöchiometrische Verhältnis (von 15 : 1), wodurch die giftigen Verbindungen,wie z.B. Stickstoffoxyde, Kohlenstoffmonoxyde und Kohlenwasserstoffe, auf ein beträchtlich niedrigeres Niveau reduziert sind. 609844/0313

Claims

- 1ο Patentansprüche

1 .J Verbrennungseinrichtung für eine Gasturbine, gekennzeichnet durch ein äußeres Gehäuse (12), welches mit erhitzter komprimierter Luft aus einem Kompressor beschickbar ist; eine in diesem äußeren Gehäuse (12) angeordnete Hauptbrennkammer (1o), die eine Brennstoffeinspritzdüse (16) und einen am stromaufwärts gelegenen Ende der Hauptbrennkammer (1o) vorgesehenen Drallerzeuger aufweist; sowie eine Zusatz- oder Vorkammer (14) , die an dem stromaufwärts gelegenen Ende der Hauptbrennkammer (1o) und koaxial zu dieser angeordnet ist und deren Gehäuse (24) eine Vielzahl von Öffnungen (24a, 24b) aufweist, wobei an dem stromaufwärts gelegenen Ende dieser Zusatz- oder Vorkammer (14) eine Brennstoffeinspritzdüse (28) sowie ein Drallerzeuger (3o) vorgesehen sind,und welche Zusatz- oder Vorkammer (14) als Vorvermischungskammer für die Bereitstellung eines in die Hauptbrennkammer (1o) einzuführenden Brennstoff/Luft-Gemisches dient.
2. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese außerdem einen Flüssigbrennstoff-Tank (32); ein erstes_T zwischen diesem Flüssigbrennstoff-Tank (32) und der Brennstoffeinspritzdüse (16) der Hauptbrennkammer (1o) angeordnetes Ventilelement (38);und ein zweites, zwischen diesem Flüssigbrennstoff-Tank (32) und der Brennstoff-Einspritzdüse (28) der Vorkammer (14) angeordnetes Ventilelement (44) enthält.
3. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch

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gekennzeichnet, daß das erste Ventilelement (38) ein Absperrventil (4o) enthält, das durch einen Anlasserschalter (42) betätigbar ist.
4. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ventilelement (44) ein Durchflußsteuerungsventil enthält, das mit einem Beschleunigungssteuerungselement (46) der Gasturbine verbunden ist und über das die Menge des in die Brennstoffeinspritzdüse (28) der Vorkammern (14) einzuspritzenden Flüssigbrennstoffs in Abhängigkeit von der Belastung der Gasturbine steuerbar ist.

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