Brennkammereinrichtung mit einer Vorbrennkammer für unterstöchiometrische Verbrennung

Abstract

 Die Vorbrennkammer (1), in der flüssiger Brennstoff unter­stöchiometrisch verbrannt wird, ist einer Nachbrennkammer (16) vorgeschaltet, in der überstöchiometrisch die voll­ständige Verbrennung erfolgt. Die unterstöchiometrische Verbrennungsluftmenge (11) für die Vorbrennkammer (2) wird wandnah vom Austrittskanal (3) aus nach oben in das Gehäuse (2) eingeblasen, dessen Axialschnitt herz­förmig ist. Die Einspritzdüsen (7) für den Brennstoff sind so angeordnet, dass die Brennstoffstrahlen (8) die wandnahe Verbrennungsluftschicht gegen das durch den Austrittskanal (3) in die Nachbrennkammer (16) überströ­mende, teilverbrannte Brenngemisch abschirmen. Am Ende des Austrittskanals (3) wird dem teilverbrannten Brenn­Gemisch die für eine vollständige Verbrennung in der Nachbrennkammer (16) erforderliche Zusatzluftmenge zu­gemischt.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammerein­richtung mit einer Vorbrennkammer für unterstöchiometri­sche Verbrennung, wobei das in einem Gehäuse der Vor­brennkammer unvollständig verbrannte Brenngemisch in einer Nachbrennkammer mit grossem Luftüberschuss voll­ständig verbrannt wird.

Stand der Technik

[0002] Bei hohen Temperaturen ablaufende Verbrennungsvorgänge verursachen unzulässig hohe NO_x-Emissionen, deren Ver­meidung bzw. Verringerung heutzutage aus Gründen des Umweltschutzes in gewissen Ländern behördlicherseits vorgeschrieben wird. Davon betroffen sind hauptsächlich industrielle Feuerungsanlagen und insbesondere auch Gas­turbinen. Für letztere sind bei Gasfeuerungen daher Vor­mischbrenner entwickelt worden. Diese Technik der Vor­mischverbrennung ist die aussichtsreichste Methode für eine namhafte Verringerung der NO_x-Bildung bei gasförmi­gen Brennstoffen.

[0003] Für flüssige Brennstoffe ist diese Technik wegen der kurzen Zündverzugszeiten - bei hohem Druck tritt eine Dieselzündung auf - praktisch nicht anwendbar. Für eine schadstoffarme Verbrennung flüssiger Brennstoffe mussten daher andere Möglichkeiten gefunden werden. Ein aussichts­reiches Verfahren scheint darin zu bestehen, dass man die Verbrennung in zwei Phasen ablaufen lässt. Bei dieser sogenannten Zweistufenverbrennung wird der Brennstoff in einer Vorbrennkammer bei unterstöchiometrischen Ge­mischbedingungen vorverbrannt, z.B. bei einer Luftzahl λ= 0,7. Bei einer solchen, stark unterstöchiometrischen Verbrennung entsteht nur sehr wenig NO_x, wogegen bei einem annähernd stöchiometrischen Gemisch, d.h., mit λ in der Nähe von 1, sehr viel NO_x gebildet wird. Bei Ver­brennungsvorgängen mit λ > > 1, also mit grossem Luftüber­schuss und entsprechend kühler Flamme, entsteht ebenfalls nur wenig NO_x.

[0004] Die bei der Bildung von NO_x beteiligten Reaktionen laufen relativ langsam ab, so dass eine hohe Produktionsrate von NO_x, die bei λ = 1 auftritt, durch sehr rasche Zu­mischung von Luft in das am Ende der Vorbrennkammer aus­strömende Gemisch aus Verbrennungsgasen und noch unver­branntem Brennstoff vermieden werden kann. Das dadurch gebildete überstöchiometrische Brennstoff/Luft-Gemisch mit λ > > 1 wird dann in einer zweiten Brennkammer nach­verbrannt. Die damit angestrebte Reduktion der NO_x-Bil­dung durch eine solche zweistufige Verbrennung hat sich experimentell bestätigt, siehe hiezu den Aufsatz von R.E.Johns "Gasturbine Engines Emissions-Problems, Progress and Future" in der Zeitschrift "Progr. Energy Combust. Sci.", Vol. IV, 1978, pp. 73-113. Bei der praktischen Anwendung dieser Idee tritt jedoch die Schwierigkeit auf, dass die Vorverbrennung extrem hohe Temperaturen mit entsprechend sehr hoher Erhitzung der Vorbrennkammer­wände erzeugt. Die bei normalen Brennkammern üblichen Kühlmethoden, wie Filmkühlung und Konvektionskühlung, sind für solche Vorbrennkammern ungeeignet, weil die dabei in das Brenngemisch gelangende Kühlluft die Luft­zahl in den nahestöchiometrischen Bereich bringt, was wiederum zu stärkerer NO_x-Bildung führt, die ja aber durch die unvollständige Vorverbrennung verringert wer­den soll.

Darstellung der Erfindung

[0005] Mit der vorliegenden Erfindung soll dieser Nachteil ver­mieden werden, indem durch eine spezielle Gestaltung der Vorbrennkammer durch eine Luft- und Brennstoffschicht eine Abschirmung ihrer Wandung gegenüber dem entzündeten Brenngemisch erreicht und dadurch die Temperatur in Wand­nähe auf Werte reduziert wird, die für den Werkstoff der Brennkammerwände zulässig sind.

[0006] Die erfindungsgemässe Vorbrennkammer für unterstöchio­metrische Verbrennung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse der Vorbrennkammer im wesentlichen ein Rota­tionskörper ist, der durch Drehung einer herzförmigen Erzeugenden mit abgeschnittener Spitze um ihre Symmetrie­achse oder um eine zu dieser Symmetrieachse parallele und ausserhalb der Erzeugenden liegende Drehachse ge­bildet wird, wobei sich durch das Abschneiden der Herz­spitze bei der Drehung der Erzeugenden ein kreiszylindri­scher oder kreisringzylindrischer Austrittskanal ergibt, dass ein sich über die Berandung dieses Austritts­kanals erstreckender Verbrennungsluftkanal vorhanden ist, dessen Austrittsöffnungen längs der genannten Be­randung des Austrittskanals so angeordnet sind, dass die Verbrennungsluft im Randbereich des Austrittskanals tangential zur inneren Begrenzung des Gehäuses in dieses einströmen kann, dass Einspritzdüsen für einen flüssigen Brennstoff vorhanden sind, wobei die Achsen der Düsen derart orientiert sind, dass die Brennstoffstrahlen die in das Gehäuse einströmende Verbrennungsluft gegenüber dem entzündeten Brenngemisch abschirmt, und dass Mittel zur Zufuhr von Zusatzluft in das vorverbrannte Brenn­gemisch nach dessen Austritt aus dem Austrittskanal vor­handen sind.

[0007] Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer solchen Brenn­kammereinrichtung sind die Einspritzdüsen am Ende von Einspritzleitungen angeordnet, welche von einer den Aus­trittskanal umgebenden Brennstoffringleitung abzweigen und unmittelbar radial einwärts der Austrittsöffnung des Verbrennungsluftkanals in das Gehäuse einmünden, wobei die Achsen der Einspritzdüsen im wesentlichen pa­rallel zur Tangente an den jeweils benachbarten Wandteil des Gehäuses gerichtet sind, und wobei für die Zufuhr von Zusatzluft ein am Ende des Austrittskanals angeord­neter, ringförmiger Zusatzluftkanal vorhanden ist.

[0008] Bei einer baulich einfacheren Ausführung sind die Ein­spritzdüsen am Ende einer Brennstoffleitung angeordnet, die koaxial zur Symmetrieachse des Gehäuses in dieses einmündet, wobei die Achsen der Einspritzdüsen so ge­richtet sind, dass die Brennstoffstrahlen die in das Gehäuse eingeblasene Verbrennungsluft gegenüber dem ent­zündeten Brenngemisch abschirmen, und wobei die Zusatz­luft der für die Nachbrennkammer bestimmten Verbrennungs­luft entnommen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0009] Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeich­nungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Vorbrennkammer mit einer am Austrittskanal angeordneten Ringleitung für die Brennstoffzuführung, und die

Fig. 2 ebenfalls schematisch eine erfindungsgemässe Brennkammereinrichtung mit einer Vorbrennkammer mit zentraler Brennstoffeinspritzung und einer für Gasbetrieb eingerichteten Nachbrennkammer.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0010] Das Gehäuse 2 der in Fig. 1 schematisch dargestellten Vorbrennkammer 1 zeigt in einem durch die Drehachse des Rotationskörpers gelegten Axialschnitt die Form eines Herzens mit abgeschnittener Spitze. An deren Stelle endet das Gehäuse in einem Austrittskanal 3 für das im Gehäuse 2 erzeugte, unvollständig verbrannte Brenngemisch.

[0011] Im unteren Teil des Gehäuses 2 ist mit einem Abstand zu demselben eine Brennstoffringleitung 4 für den flüssi­gen Brennstoff vorgesehen. Dieser gelangt aus einem nicht dargestellten Brennstofftank über eine Zuführleitung 5 in die Ringleitung 4. Von dieser Ringleitung zweigt eine Anzahl gleichmässig über den Umfang verteilter, haken­förmig gekrümmter Einspritzleitungen 6 ab, die innerhalb des Austrittskanals 3 in Einspritzdüsen 7 enden, aus denen Brennstoffstrahlen 8 annähernd parallel zur Innen­fläche des Gehäuses 2 austreten. Radial einwärts der Einspritzleitungen 6 befindet sich ein als Rotations­ körper ausgebildetes Leitblech 9, das zusammen mit der Aussenfläche des Gehäuses 2 in dessen unterem Teil einen ringförmigen Verbrennungsluftkanal 10 begrenzt. Die Strö­mungspfeile 11 versinnbildlichen die Verbrennungsluft, die im Kanal 10 vorgewärmt wird und nach einer Umlenkung am unteren Ende des Gehäuses 2 innerhalb desselben etwa parallel zur Gehäusewand nach oben strömt und sich mit dem Brennstoffstrahl 8 vermischt.

[0012] Ein weiteres rotationssymmetrisches Leitblech 12, das die Einspritzleitungen 6 umschliesst, begrenzt mit dem erstgenannten Leitblech 9 einen ringförmigen Zusatzluft­kanal 13, durch den dem vorverbrannten Brenngemisch im Bereich des Austrittskanals 3 Luft, dargestellt durch die Strömungspfeile 14, in überstöchiometrischem Verhält­nis zugemischt wird. Dieses Gemisch gelangt dann in einer Nachbrennkammer 16, von der ein Teil des Gehäuses dar­gestellt ist, zur vollständigen Verbrennung.

[0013] Der Mechanismus der Abschirmung der Wand des Gehäuses 2 gegen die hohen Verbrennungstemperaturen, die bei der unterstöchiometrischen Vorverbrennung auftreten, beruht auf der über den ganzen inneren Umfang des Gehäuses 2 stattfindenden, tangentialen Einblasung der Verbrennungs­luft, die einen Wirbelring erzeugt mit einem torusför­migen Wirbelkern 15, dessen Querschnitt in Fig. 1 durch die beiden Kreise mit strichlierter Doppelschraffur sym­bolisiert wird. Dieser Wirbelkern enthält bei gezündetem Brennstoff sehr heisse Gase, wobei die Zentrifugalwir­kung eine Schichtung der Verbrennungsgase von unterschied­licher Temperatur bzw. Dichte verursacht, die sich nur sehr langsam von innen nach aussen ausgleichen können. Ein solcher Ausgleich der Temperatur bzw. Dichte von innen nach aussen wird jedoch im stationären Betrieb durch das ständig nachgelieferte Brennstoff/Luft-Gemisch unterdrückt. Es findet also eine stationäre Selbstab­schirmung statt, die den Gehäusewerkstoff vor unzulässi­ger Ueberhitzung schützt. Der Wirbelkern 15 wirkt im stationären Betrieb auch als Zündquelle, durch die das unterstöchiometrische Brennstoff/Luft-Gemisch entflammt wird. Durch Brennstoffeinspritzung radial einwärts der wandnahen Verbrennungsluftschicht wird diese etwa bis zur unteren Hälfte des Gehäuses 2 vom Kern des unvoll­ständig verbrannten Brenngemisches isoliert, so dass letzteres nicht mit Luft aus der wandnahen Schicht weiter­brennen kann und erst nach Zumischung von Zusatzluft aus dem Zusatzluftkanal 13 wieder zündfähig wird, wo­durch es in der Nachbrennkammer 16 vollständig verbrannt werden kann.

[0014] Die Geschwindigkeit der Lufteinblasung in die Vorbrenn­kammer 1 soll wesentlich höher sein als die Flammenaus­breitungsgeschwindigkeit, was eine spiralförmige Flammen­front erzeugt, die im Idealfall nicht auf die Innenfläche des Gehäuses 2 trifft. Zum Zeitpunkt der Zündung ist der Mischvorgang bereits so weit fortgeschritten, dass keine mageren Gemischzonen mehr auftreten.

[0015] Wie bereits oben erwähnt, wird dem nur teilweise ver­brannten Brenngemisch im Bereich des Austrittskanals 3 aus dem Zusatzluftkanal 13 soviel Luft zugemischt, dass die vollständige Verbrennung in einer Nachbrennkammer stark überstöchiometrisch mit λ > > 1 stattfinden kann. In den so verdünnten Abgasen ist dadurch eine NO_x-Bil­dung weitgehend unterdrückt.

[0016] Die Fig. 2 zeigt eine Vorbrennkammer 17 vereinfachter Bauart, bei der der flüssige Brennstoff durch eine zur Symmetrieachse des Gehäuses 18 koaxiale Brennstofflei­tung 19 den am Ende derselben angeordneten Einspritz­düsen 20 zugeführt wird. Während die Luft für die Vor­verbrennung gleich wie bei der Ausführung nach Fig. 1 von unten her wandnah in das Gehäuse 18 eingeblasen wird, erfolgt die Brennstoffeinspritzung in umgekehrter Rich­tung von oben her mit grosser Geschwindigkeit. Die Düsen­achsen sind dabei so gerichtet, dass ebenfalls eine Ab­schirmung der wandnahen Luftstrahlen gegen das im Zentrum entflammte Brenngemisch stattfindet. Eine solche Vor­brennkammer 17 kann vorteilhaft mit über den Umfang gleich­mässig verteilt angeordneten Gasbrennern kombiniert wer­den, von denen in Fig. 2 zwei mit 21 bezeichnete darge­stellt sind. Das durch die Gasbrenner zuströmende Brenn­gas ist dabei durch die Pfeile 22, die Verbrennungsluft durch die Pfeile 23 angedeutet. Der Verbrennungsluft­strom ist so bemessen, dass er mindestens zur vollständi­gen Verbrennung des Gases und zur Nachverbrennung des aus der Vorbrennkammer ausströmenden, unvollständig ver­brannten Brenngemisches in der Nachbrennkammer 24 genügt.

Ansprüche

1. Brennkammereinrichtung mit einer Vorbrennkammer für unterstöchiometrische Verbrennung, wobei das in einem Gehäuse (2; 18) der Vorbrennkammer (1; 17) unvoll­ständig verbrannte Brenngemisch in einer Nachbrenn­kammer (16; 24) mit grossem Luftüberschuss vollständig verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2, 18) der Vorbrennkammer (1; 17) im wesentlichen ein Rotationskörper ist, der durch Drehung einer herz­förmigen Erzeugenden mit abgeschnittener Spitze um ihre Symmetrieachse oder um eine zu dieser Symmetrie­achse parallele und ausserhalb der Erzeugenden lie­gende Drehachse gebildet wird, wobei sich durch das Abschneiden der Herzspitze bei der Drehung der Erzeu­genden ein kreiszylindrischer oder kreisringzylindri­scher Austrittskanal (3) ergibt, dass ein sich über die Berandung dieses Austrittskanals (3) erstrecken­der Verbrennungsluftkanal (10) vorhanden ist, dessen Austrittsöffnungen längs der genannten Berandung des Austrittskanals (3) so angeordnet sind, dass die Ver­brennungsluft im Randbereich des Austrittskanals (3) tangential zur inneren Begrenzung des Gehäuses (2; 18) in dieses einströmen kann, dass Einspritzdüsen (7; 20) für einen flüssigen Brennstoff vorhanden sind, wobei die Achsen der Düsen derart orientiert sind, dass die Brennstoffstrahlen die in das Gehäuse (2; 18) einströmende Verbrennungsluft gegenüber dem ent­zündeten Brenngemisch abschirmt, und dass Mittel zur Zufuhr von Zusatzluft in das vorverbrannte Brennge­misch nach dessen Austritt aus dem Austrittskanal (3) vorhanden sind.

2. Brennkammereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, dass die Einspritzdüsen (7) am Ende von Einspritzleitungen (6) angeordnet sind, welche von einer den Austrittskanal (3) umgebenden Brenn­stoffringleitung (4) abzweigen und unmittelbar radial einwärts der Austrittsöffnung des Verbrennungsluft­kanals (10) in das Gehäuse (2) einmünden, dass die Achsen der Einspritzdüsen (7) im wesentlichen parallel zur Tangente an den jeweils benachbarten Wandteil des Gehäuses (2) gerichtet sind, und dass für die Zufuhr von Zusatzluft ein am Ende des Austrittskanals (3) angeordneter, ringförmiger Zusatzluftkanal (13) vorhanden ist.

3. Brennkammereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, dass die Einspritzdüsen (20) am Ende einer Brennstoffleitung (19) angeordnet sind, die koaxial zur Symmetrieachse des Gehäuses (18) in dieses einmündet, dass die Achsen der Einspritzdüsen (20) so gerichtet sind, dass die Brennstoffstrahlen die in das Gehäuse (18) eingeblasene Verbrennungsluft gegenüber dem entzündeten Brenngemisch abschirmen, und dass die Zusatzluft der für die Nachbrennkammer (24) bestimmten Verbrennungsluft (23) entnommen wird.

Zeichnung