DE69506142T2 - Verbesserte Verbrennungsanlage mit niedriger Schadstoffemission für Gasturbinen - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein neues Verbrennungssystem für Gasturbinentriebwerke, das durch Verwendung zusätzlicher Brenner, die die Menge von zusätzlichem, zur Stabilisierung der Flamme erforderlichem Brennstoff verringern und ermöglichen, daß die exakte Menge an Luft und Brennstoff, die von den Brennern selbst verbraucht werden, bekannt ist, nicht nur eine exzellente und sichere Zündung der Flamme in der Brennkammer, d. h. eine augenblickliche Zündung und deshalb ohne Druckwellen, sondern vor allem eine drastische Minimierung von verschmutzenden Emissionen von Stickoxid bei allen Belastungswerten der Turbine gestattet.
• Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein perfektes Verbrennungssystem mit geringen Verschmutzungsemissionen für Gasturbinen, wie es in der Italienischen Patentanmeldung MI92 A 002189, eingereicht am 24. September 1992 durch die gleiche Anmelderin, entsprechend EP-A-0589 520, beschrieben ist.
• Die obige Patentanmeldung bezieht sich auf ein Verbrennungssystem für eine Gasturbine des Vormischtyps, d. h. bei dem vor der Brennkammer und getrennt davon durch eine Drosselstelle eine Vormischkammer verwendet wird, die zusammen mit der Brennkammer von einem Luftraum unter zirkulierendem Druck im Gegenstrom zur Strömung der die Brennkammer verlassenden Verbrennungsprodukte umgeben ist, wobei diese Luft als Verbrennungsluft, die mit dem Brennstoff in der Vormischkammer zu mischen ist, und als Kühlluft sowohl für die Brennkammer als auch die Verbrennungsprodukte verwendet wird. Anschließend wird, um geringe Verschmutzungsemissionen von Stickoxid bei allen Belastungswerten der Turbine zu haben, in dem obigen bekannten Verbrennungssystem der Durchtritt von Verbrennungsluft aus dem Luftraum zu der Vormischkammer durch Fenster, die in ihrer Außenfläche vor handen sind, geteilt in Relation zu der Menge an verwendetem Brennstoff, um das Verbrennungsluft/Brennstoff- Verhältnis auf dem optimalen Wert zu halten; zusätzlich wird die Kühlluft von dem abgeschrägten Kopf und einem Teil der Brennkammer, der sich unmittelbar hinter der Drosselstelle befindet, stromabwärts in eine Kühlkammer geschickt, die mit der Brennkammer durch Sammellöcher in Verbindung steht, die in der Wand von der Brennkammer selbst, weit entfernt von der Drosselstelle, angeordnet sind. Um andererseits eine Löschung oder Instabilität der Flamme zu vermeiden, ist eine Ringreihe von kleinen Löchern in der Oberfläche der Drosselstelle für eine zusätzliche Injektion von Brennstoff angeordnet, der für eine Anreicherung des Verbrennungsbereiches unmittelbar hinter bzw. stromabwärts von der Drosselstelle mit Brennstoff notwendig ist.
• Es ist nun experimentell beobachtet worden, daß dieses bekannte Verbrennungssystem, selbst wenn es in der Lage ist, die Verschmutzungsemissionen von Stickoxid in bezug auf die traditionellen Systeme beträchtlich zu verringern, tatsächlich weiterhin Verschmutzungsemissionen erzeugt, von denen der größte Teil im Grunde der konzentrierten Injektion von zusätzlichem Brennstoff in den Verbrennungsbereich unmittelbar hinter bzw. stromabwärts von der Drosselstelle durch die Ringreihe von kleinen Löchern hindurch zugeordnet werden kann, die in der Oberfläche der Drosselstelle selbst angeordnet sind; in der Tat gibt es durch Verringerung der in diesen Bereich injizierten Brennstoffmenge eine wesentliche Verringerung an Stickoxid.
• Da die oben beschriebene Verringerung jedoch offensichtlich nicht über eine gewisse Grenze hinaus ausgedehnt werden kann, ohne die Stabilität der Flamme zu gefährden, wird deutlich, daß ein Verbrennungssystem, wie das beschriebene, absolut unfähig ist, die Verschmutzungsemissionen von Stickoxid bis zum Extrem zu minimieren.
• Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu überwinden und infolgedessen ein Verbrennungssystem des Vormischtyps für eine Gasturbine zu schaffen, das durch drastisches Verringern des erforderlichen zusätzlichen Brennstoffes tatsächlich die Verschmutzungsemissionen minimiert und die Stabilität der Flamme beibehält.
• Gemäß der Erfindung wird ein Verbrennungssystem mit geringen Verschmutzungsemissionen für Gasturbinen geschaffen, enthaltend eine Brennkammer mit einem abgeschrägten Kopf, der mit kleinen Deflektoröffnungen für die Kühlluft versehen ist, die auf der Fläche der Kammer verteilt sind, außer in dem Bereich des abgeschrägten Kopfes und einem Verbrennungs- oder Hauptflammbereich der Brennkammer, wobei die Brennkammer von einem Luftraum mit einer zirkulierenden Luftströmung entgegengesetzt zur Strömung der Verbrennungsprodukte umgeben ist, wobei dieser Raum auch eine Vormischkammer umgibt, die, vor der Brennkammer und von dieser durch eine Drosselstelle getrennt, den Brennstoff mit Verbrennungsluft mischt, die aus dem Luftraum durch variable Öffnungen entnommen wird, deren Öffnungsfläche in Relation zu der verwendeten Brennstoffmenge verändert werden kann, wobei die Kühlluft für den abgeschrägten Kopf durch eine Außenwand geliefert wird, die mit der Wand des abgeschrägten Kopfes eine kleine Kammer bildet und zahlreiche kleine Löcher darin aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von parallelen Brennern, die zum Hervorrufen einer entsprechenden kreisförmigen Reihe von zusätzlichen Flammen konzentrisch zu der Hauptflamme geeignet sind, in Umfangsrichtung außenseitig von der Drosselstelle angeordnet sind, die die Vormischkammer mit der Brennkammer verbindet, wobei die Brenner autonom mit zusätzlichem Brennstoff und auch mit Verbrennungsluft gespeist sind, die von der Kühlluft des abgeschrägten Kopfes der Brennkammer kommt, die zu den Brennern durch verdrehte Schaufeln geschickt wird, um der Luft eine im wesentlichen schraubenförmige Bewegung zu geben.
• Somit werden die Vorteile im wesentlichen durch die Tatsache erzielt, daß anstelle der Ringreihe von kleinen Löchern, die in der Oberfläche der Drosselstelle angeordnet und mit zusätzlichem Brennstoff gespeist sind, eine Reihe von parallelen Brennern verwendet wird, die in Umfangsrichtung um die Drosselstelle herum angeordnet sind, um eine entsprechende Reihe von zusätzlichen Flammen in dem Bereich unmittelbar hinter bzw. stromabwärts von dieser Drosselstelle hervorzurufen, wobei diese Brenner autonom mit zusätzlichem Brennstoff und auch mit der Verbrennungsluft gespeist sind, die von der Kühlluft des abgeschrägten Kopfes der Brennkammer abgeleitet ist, wobei diese Luft durch verwirbelte Schaufeln zu den Brennern geschickt wird, um der Luft eine im wesentlichen schraubenförmige Bewegung zu geben.
• Auf diese Weise wird in der Tat mit den zusätzlichen Flammen der Brenner, die im Grunde Pilot- bzw. Steuerflammen sind, nicht nur die zentrale Hauptflamme des Verbrennungssystem stabilisiert, wodurch jede Löschung verhindert wird, sondern durch Kenntnis der exakten Menge an Brennstoff und Luft, die autonom durch die Brenner verbraucht werden, ist es auch möglich, alles zu regeln, um eine exzellente, gesteuerte Zündung, d. h. eine sichere, wiederholbare und vor allem augenblickliche Zündung, zu erhalten, die infolgedessen ohne Druckwellen ist.
• Auf der anderen Seite wird die erforderliche Menge an zusätzlichem Brennstoff für die Flamme der Brenner nun extrem verringert und er wird auch vollständig verbrannt unter exzellenten Bedingungen, und deshalb werden die Verschmutzungsemissionen von Stickoxid drastisch gesenkt.
• Zusammenfassend ist das Verbrennungssystem mit geringen Verschmutzungsemissionen für Gasturbinen, enthaltend eine Brennkammer, die mit kleinen Deflektoröffnungen für die Kühlluft versehen ist, die auf der Fläche der Kammer verteilt sind, außer in Entsprechung mit dem abgeschrägten Kopf und dem Verbrennungsbereich oder der Hauptflamme, wobei die Brennkammer von einem Luftraum unter zirkulierendem Druck entgegengesetzt zur Strömung der Verbrennungsprodukte umgeben ist, wobei dieser Raum auch eine Vormischkammer umgibt, die, vor der Brennkammer und von dieser durch eine Drosselstelle getrennt, den Brennstoff mit Verbrennungsluft mischt, die aus dem Luftraum durch Öffnungen entnommen wird, die in Relation zu der Menge des verbrauchten Brennstoffes angeordnet sind, gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von parallelen Brennern, die zum Hervorrufen einer entsprechenden kreisförmigen Reihe von zusätzlichen Flammen konzentrisch zu der Hauptflamme geeignet sind, in Umfangsrichtung außenseitig von der Drosselstelle angeordnet sind, die die Vormischkammer mit der Brennkammer verbindet, wobei die Brenner autonom mit zusätzlichem Brennstoff und auch mit Verbrennungsluft gespeist sind, die von der Kühlluft des abgeschrägten Kopfes der Brennkammer kommt, die, enthalten in einer kleinen Kammer, die von der Wand des Kopfes und durch eine mit zahlreichen kleinen Löchern versehenen Außenwand umrandet ist, zu den Brennern durch verdrehte Schaufeln geschickt wird, um der Luft eine im wesentlichen schraubenartige Bewegung zu geben.
• Die Erfindung wird nun deutlicher erläutert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ein bevorzugtes praktisches Ausführungsbeispiel darstellen, das nur dr Darstellung dient und nicht einschränkend zu verstehen ist, da technische oder konstruktive Abänderungen immer angewendet werden können, aber trotzdem innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung bleiben.
• In diesen Zeichnungen:
• Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt von einem Verbrennungssystem mit geringen Verschmutzungsemissionen für Gasturbinen gemäß der Erfindung;
• Fig. 2 zeigt einen wesentlich vergrößerten Längsschnitt von einem Detail des Systems gemäß Fig. 1.
• In den Figuren bezeichnet 1 die Brennkammer von dem Verbrennungssystem für Gasturbinen, deren abgeschrägter Kopf 1' mit einer Brennkammer 2 durch eine Drossel- bzw. Engstelle 3 verbunden ist, unmittelbar stromabwärts von der sich der reale Verbrennungsbereich 4 oder die Hauptflamme der Kammer 1 befindet. All dies ist von einem Luftraum 5 umgeben, der durch einen in der Figur nicht gezeigten Axialverdichter unter Druck gesetzt wird und in Richtung des Pfeiles 6 zirkuliert, d. h. im Gegenstrom zu der Strömung 7 der Verbrennungsprodukte, die die Brennkammer verlassen. Die Außenfläche 8 der Brennkammer 1 ist mit kleinen Ablenk- bzw. Deflektoröffnungen 9 für die Kühlluft 10 der Kammer selbst versehen, wogegen der Teil 8' der Oberfläche 8, der dem Verbrennungsbereich 4 entspricht, und auch der Kopf 11 keine Öffnungen haben, und ihre Kühlung wird direkt durch die Luft 10 für den Teil 8' und durch eine Ringkammer 11 ausgeführt, die von der Wand des Kopfes 11 und von einer Außenwand 12 umgeben ist, die mit zahlreichen kleinen Einlaßöffnungen 13 für die Luft 10 für den abgeschrägten Kopf 11 versehen ist.
• Die Vormischkammer 2 wird auch mit Brennstoff durch eine Rohrleitung 14 und eine radiale Reihe von mit Löchern versehenen Leitungen 15 versorgt, wogegen die Verbrennungsluft 10' (siehe Fig. 1) zu dem Luftraum 5 in der Vormischkammer 2 durch eine Reihe von Öffnungen 16 geschickt wird, die in der Außenfläche 17 der Kammer vorhanden sind. Diese Öffnungen 16 arbeiten dann mit entsprechenden Öffnungen 18 von einer rotierenden Trommel 19 auf der Außenfläche 17 zusammen, die durch das Ritzel 20 von einer Betätigungseinrichtung 21 gedreht wird, das mit einem massiven Sektorzahnrad 22 auf der Trommel 19 selbst kämmt, um die effektive Öffnungsfläche der Öffnungen 16 in Relation zu dem verbrauchten Brennstoff zu steuern. In der Vormischkammer 2 und nahe der Drosselstelle 3 sind Schaufeln 23 vorgesehen, die, angeordnet mit einer im voraus eingestellten, anzeigbaren Winkelstellung in bezug auf die Strömung des Luft/Brennstoff-Gemisches, dem Gemisch selbst eine mehr oder weniger erzwungene Drehbewegung geben, die die Stabilisierung der Hauptflamme fördert.
• Schließlich befindet sich außenseitig von der Drosselstelle 3 eine Umfangsreihe von parallelen Brennern 24, die geeignet sind, um in dem Verbrennungsbereich 4, unmittelbar hinter bzw. stromabwärts von der Drosselstelle 3, eine entsprechende Ringreihe von zusätzlichen Flammen hervorzurufen, die konzentrisch zu der zentralen Hauptflamme sind. Diese Brenner 24 sind mit zusätzlichem Brennstoff durch die Ringkammer 25 und die Leitung 26 und auch mit Verbrennungsluft gespeist, die von der Ringkammer 11 abgeleitet wird, von der sie zu den Brennern 24 durch einen Ringkanal 27 und verdrehte Schaufeln 28 geschickt wird, um der Luft 10 eine im wesentlichen schraubenförmige Bewegung zu geben.

Claims (1)

1. Verbrennungssystem mit geringen Verschmutzungsemissionen für Gasturbinen, enthaltend eine Brennkammer (1) mit einem abgeschrägten Kopf (1'), der mit kleinen Ablenköffnungen (9) für die Kühlluft (10) versehen ist, die auf der Fläche der Kammer (1) verteilt sind, außer in dem Bereich des abgeschrägten Kopfes (1') und einem Verbrennungs- oder Hauptflammbereich (4) der Brennkammer (1), wobei die Brennkammer (1) von einem Luftraum (5) mit einer zirkulierenden Luftströmung (10) entgegengesetzt zu der Strömung (7) der Verbrennungsprodukte umgeben ist, wobei dieser Raum (5) auch eine Vormischkammer (2) umgibt, die, vor der Brennkammer (4) und von dieser durch eine Drosselstelle (3) getrennt, den Brennstoff mit Verbrennungsluft (10) mischt, die aus dem Luftraum (5) durch variable Öffnungen (16, 18) entnommen wird, deren Öffnungsfläche in Relation zu der verwendeten Brennstoffmenge verändert werden kann, wobei die Kühlluft für den abgeschrägten Kopf (1') durch eine Außenwand (12) geliefert wird, die mit der Wand des abgeschrägten Kopfes (1') eine kleine Kammer (11) bildet und zahlreiche kleine Löcher (13) darin aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von parallelen Brennern (24), die zum Hervorrufen einer entsprechenden kreisförmigen Reihe von zusätzlichen Flammen konzentrisch zu der Hauptflamme geeignet sind, in Umfangsrichtung außenseitig von der Drosselstelle (3) angeordnet sind, die die Vormischkammer (2) mit der Brennkammer (1) verbindet, wobei die Brenner (24) autonom mit zusätzlichem Brennstoff und auch mit Verbrennungsluft gespeist sind, die von der Kühlluft (10) des abgeschrägten Kopfes (1 ') der Brennkammer (1) kommt, die zu den Brennern (24) durch verdrehte Schaufeln (28) geschickt wird, um der Luft eine im wesentlichen schraubenförmige Bewegung zu geben.