Brennkammer für Gasturbine

Abstract

 Im Brennraum einer mit Flüssigbrennstoff betriebenen Brenn­kammer einer Gasturbine wird in Kombination mit einem oder mehreren Primärbrennern (2, 2a) jeweils mindestens ein Nach­brenner (4) eingesetzt. Der Nachbrenner (4) und mindestens dessen Brennstoffsprühkegel (15), der direkt in die Zentral­brennkammer (6) wirkt, werden durch einen unverdrallten umman­telnden Luftstrom (14) vor den Heissgasen (13) aus der Verbren­nung in den Primärbrennern (2, 2a) abgeschirmt. Der Nachbrenner (4) selbst ist nicht selbstgängig, d.h. die Zündung seines Gemisches (14/15) findet weiter stromabwärts statt, vorzugs­weise am Anfang der Mischkammer (7), wodurch für die Beauf­schlagung der Turbine (9) eine wirbelfreie Strömung mit gleich­mässigem Druck und Temperaturprofil bereitgestellt wird.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer von Gastur­binen für den Betrieb mit Flüssigbrennstoffen. Sie betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkammer.

STAND DER TECHNIK

[0002] Bei der vorliegenden Erfindung geht es um eine technische Neuerung bei Brennkammern von Gasturbinen, bei welchen eine trockene, NO_X-arme Verbrennung von Flüssigbrennstoffen in Gasturbinenbrennkammern angestrebt wird. Zur Erzielung einer primärseitigen Reduktion der NO_X-Emissionswerte beim Betrieb von Gasturbinenbrennkammern mit gasförmigen Brennstoffen sind grundsätzlich vier Prinzipien bekannt:

a) die Vormischverbrennung;

b) die Zweistufenverbrennung, bei welcher in einer ersten Stufe eine unterstöchiometrische Verbrennung eingeleitet wird, worauf in einer zweiten Stufe eine rasche Zumischung von Luft und eine überstöchiometrischen Nachverbrennung folgt;

c) die flächenartige Verbrennung, bei welcher das Ziel verfolgt wird, eine möglichst kurze Verweilzeit der Gase in der Reaktionszone zu erreichen;

d) das Eindüsen von Wasser oder Dampf in die Reaktionszonen zur Absackung der Reaktionstemperaturen.

[0003] Die niedrigen vom Gesetzgeber noch tolerierten NO_X-Emissions­werte können im Fall einer flächenartigen Verbrennung höchstens dann eingehalten werden, wenn die Aufenthaltszeit der Gasteil­chen in heissen sauerstoffreichen Zonen möglichst kurz ist, nämlich nicht mehr als einige Millisekunden. Andererseits, damit niedrige CO-Emissionswerte erreicht werden können, darf im Reaktionsbereich eine gewisse Grenztemperatur nicht unter­schritten werden.

[0004] Ausserdem ist es bekannt, dass die Vermeidung von NO_X mit Brennkammerkonzepten mit gestufter Verbrennung erzielbar ist. Diese Stufung kann bedeuten, entweder eine unterstöchiometri­sche Primärverbrennungszone mit anschliessender Nachverbrennung bei tiefen Temperaturen oder die stufenweise Zuschaltung über­stöchiometrischer betriebener Brennerelemente. In jedem Fall erfordert die Stufung auch einen kraftvollen Mischmechanismus.

[0005] Das Prinzip der Vormischverbrennung hat sich für die Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen als technisch beste Massnahme zur NO_X-Reduktion erwiesen.

[0006] Eine Vormischverbrennung kann beispielsweise darin bestehen, dass innerhalb einer Anzahl rohrförmiger Elemente zwischen dem Brennstoff und der Verdichterluft ein Vormischprozess bei grosser Luftzahl abläuft, bevor der eigentliche Verbren­nungsprozess stromabwärts eines Flammenhalters stattfindet. Hierdurch können die Emissionswerte an Schadstoffen aus der Verbrennung erheblich reduziert werden. Die Verbrennung mit der grösstmöglichen Luftzahl - einmal dadurch gegeben, dass die Flamme überhaupt noch brennt und im weiteren dadurch, dass nicht zuviel CO entsteht - vermindert indessen nicht nur die Schadstoffmenge von NO_X, sondern bewirkt darüber hinaus auch eine konsistente Herabsetzung anderer Schadstoffe, nämlich wie bereits erwähnt von CO und von unverbrannten Kohlenwasser­stoffen. Dieser Optimierungsprozess kann bei der bekannten Brennkammer, hinsichtlich tieferer NO_X-Emissionswerte, dahin­gehend getrieben werden, dass der Raum für Verbrennung und Nachreaktion viel länger gehalten wird als es für die eigent­liche Verbrennung notwendig wäre. Dies erlaubt die Wahl einer grossen Luftzahl, wobei dann zwar zunächst grössere Mengen an CO entstehen, diese aber zu CO₂ weiter reagieren können, so dass schliesslich die CO-Emissionen doch klein bleiben. Auf der anderen Seite bilden sich aber wegen der grossen Luft­zahl eben tiefere NO_X-Emissionswerte. Bei derartiger Vormisch­verbrennungstechnik muss lediglich sichergestellt werden, dass die Flammstabilität, insbesondere bei Teillast, nicht an die Löschgrenze aufgrund des sehr mageren Gemisches und der sich daraus ergebenden niedrigen Flammentemperatur stösst. Eine solche Vorkehrung ist beispielsweise anhand einer Brenn­stoffregulierung sowie der stufenweise in Betrieb genommenen Vormischelemente in Abhängigkeit zur Maschinendrehzahl zu bewerkstelligen.

[0007] Aufgrund der kurzen Zündverzugszeiten bis zur Selbstzündung von flüssigen Brennstoffen, beispielsweise Diesel, kommt eine Vormischverbrennung von Flüssigbrennstoffen immer weniger in Frage, denn die Entwicklung im modernen Gasturbinenbau strebt eine weitere Erhöhung des an sich schon heute bereits sehr hoch gewählten Brennkammerdruckes an. Hier will die Erfin­dung Abhilfe schaffen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0008] Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art vergleichbare niedrige NO_X-Emissionswerte wie bei mit gasförmigen Brennstoffen betriebenen Brennkammern zu erreichen, ohne das Risiko einer Selbstzündung der Flüssig­brennstoffe ausserhalb des Brennraumes einzugehen.

[0009] Der Vorteil der Erfindung ist im wesentlichen darin zu sehen, dass auf einfache Weise ein System bereitgestellt wird, das niedrige NO_X-Emissionen erzeugt, wobei dieses System ohne die an sich recht aufwendige Technik und Infrastruktur zur Erzielung der Vormischung auskommt.

[0010] Die Idee besteht grundsätzlich darin, ein Primärbrenner- und Nachbrennersystem vorzusehen. Der flüssige Brennstoff wird direkt in den Brennraum eingespritzt. Beim Nachbrenner wird der eingespritzte Brennstoff mit einem Luftmantel abgeschirmt, wobei es sich hier um einen nicht selbstgängigen Brenner han­delt. Der Nachbrenner, der in einer Zentralkammer am Ende der Primärbrennerkammer plaziert ist, wird jeweils in Kombi­nation mit einem oder mehreren Primärbrennern eingesetzt. Die von den Primärbrennern erzeugten Heissgase sollen das vom Nachbrenner erzeugte Gemisch nicht in unmittelbarer Nähe der Brennstoffdüse des Nachbrenners zünden können, um eine Verbrennung bei nahstöchiometrischen Bedingungen zu vermeiden. Dafür sorgt der abschirmende Luftmantel, der unverdrallt ist und der den von der Nachbrennerdüse ausgehenden Brennstoffnebel zunächst wirksam gegen die äusseren Heissgase abschirmt. Eine Zündung des Nachbrennergemisches soll erst dann möglich werden, wenn sich der von der Nachbrennerdüse eingebrachte Flüssig­brennstoff ausreichend stark mit der abschirmenden Mantelluft und mit dem lufthaltigen Heissgas vermischt hat, so dass die Verbrennung im mageren Gemisch bei tiefen Temperaturen statt­findet.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungs­gemässen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

[0011] Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine kreisringzylindrische Brennkammer mit Primär­und Nachbrennern;

Fig. 2 die Umgebung eines Nachbrenners und

Fig. 3 eine weitere Umgebung eines Nachbrenners.

[0012] Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet. In den verschiedenen Figuren sind jeweils gleiche Elemente mit den gleichen Bezugs­zeichen versehen.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0013] Fig. 1 zeigt eine Brennkammer für Gasturbinen, die im GT-Ring­gehäuse 1 untergebracht ist. Ist die ganze Brennkammer in ein GT-Ringgehäuse 1 eingebettet, so ist sie mit der verdichte­ten Luft 11 aus dem Verdichter 10 kammerartig verbunden. Die Gasturbinen-Ringgehäusewand ist so ausgelegt, dass sie dem Verdichterenddruck standhält. Die geometrische Form des Brenn­raumes ist, wie der axiale Schnitt 12 versinnbildlichen will, kreisringzylindrisch und besteht aus zwei endseitig angeordneten Primärbrennkammern 5, 5a, die gegenüber der Zentralbrennkammer 6 symmetrisch und V-förmig angeordnet sind. Selbstverständlich können die Primärbrennkammern 5, 5a gegenüber der Zentralachse der Zentralbrennkammer 6 in einer waagrechten Ebene liegen. Die Primärbrennkammern 5, 5a selbst sind an ihren stirnseitigen Enden in Umfangsrichtung mit einer von der Leistung der Brenn­kammer abhängigen Anzahl axialparallel angeordneter Primär­brenner 2, 2a bestückt. Diese bestehen im wesentlichen aus einer Brennstoffleitung 3, 3a und aus einem Drallkörper 8, 8a. Statt einer durchgehenden kreisringzylindrischen Primärbrenn­kammer 5, 5a können auf den Umfang verteilt, mehrere in sich abgeschlossene Brennkammereinheiten vorgesehen werden, die jeweils aus einem Paar Zwillingsbrennern mit vorzugsweise drehsinnentgegengesetzt orientierten Drallkörpern bestehen. Dies bewirkt, dass in den einzelnen Brennkammereinheiten ein wirkungsvoller Mischvorgang erzeugt werden kann, wobei ein kreisringzylindrischer Austrittskanal die aus den einzelnen Brennkammereinheiten austretenden Heissgase sammelt, um sie dann zur Zentralbrennkammer 6 zu führen. Wird die hier darge­stellte durchgehende kreisringzylindrische Primärbrennkammer 5 und 5a vorgesehen, so können die dort nebeneinander axial­parallel angeordneten Primärbrenner 2 oder 2a wechselweise auch mit drehsinnentgegengesetzt orientierten Drallkörpern 8, 8a bestückt werden. In Kombination mit vorzugsweise zwei gegenüberliegenden Primärbrennern 2, 2a ist jeweils ein Nach brenner 4 vorgesehen. Vom Nachbrenner 4 aus wird flüssiger Brennstoff 15 direkt in den Brennraum eingegeben und mit einem Luftmantel 14 abgeschirmt. Der Nachbrenner 4 ist so konzi­piert, dass er nicht selbstgängig ist, d.h. zu dessen Gemisch­verbrennurg braucht es eine permanente Zündung. Die von den Primärbrernern 2, 2a erzeugten Heissgase 13 sollen das vom Nachbrenner 4 erzeugte Gemisch 14/15 nicht in unmittelbarer Nähe der Brennstoffdüse des Nachbrenners 4 zünden könnnen. Dafür sorgt der abschirmende Luftmantel 14, der vorzugsweise unverdrallt sein soll und den von der Nachbrennerdüse ausge­henden Brennstoffnebel 15 zunächst wirksam gegen die dort ankommenden Heissgase 13 der Primärbrenner 2, 2a abschirmt. Eine Zündung des Nachbrennergemisches 14/15 soll erst dann möglich sein, wenn sich der von der Brennerdüse eingebrachte Flüssigbrennstoff 15 ausreichend stark mit dem abschirmenden Luftmantel 14 vermischt hat. Die auf die Brennstoffzufuhr des Nachbrenners 4 und den Luftmantel 14 bezogene Luftzahl ist nach den gleichen Kriterien wie für einen Vormischbrenner festgelegt. Bei diesem Nachbrennerprinzip spielt die rasche Einmischung der Heissgase 13, nachdem diese die erste Fremd­ zündung des Nachbrennergemisches 14/15 eingeleitet haben, eine wichtige Rolle für die Stabilität der Verbrennung, weshalb zu achten ist, dass das Impulsdichtenverhältnis zwischen Primär­brennergasen 13 und Nachbrennergemisch 14/15 sehr hoch - weit über 1 - gewählt wird. Dabei ist erhärtet, dass ein optimal ausgelegter Nachbrenner 4 kaum mehr NO_X als ein Vormischbrenner produziert, während die Primärbrenner 2, 2a, die selbstver­ständlich selbstgängig sein müssen, beispielsweise als Diffu­sionsbrenner ausgelegt, wesentlich höhere NO_X-Emissionen ver­ursachen. Aus diesem Grund ist in einer Gasturbinenbrennkammer vorzukehren, einen möglichst hohen Anteil des flüssigen Brenn­stoffes über die Nachbrenner 4 zuzuführen. Die Primärbrenner 2, 2a sind daher möglichst klein zu planen und sie sollen mit hohen Luftzahlen betrieben werden: Beide Massnahmn er­möglichen, die NO_X-Emissionen aus dem Betrieb der Primärbrenner 2, 2a so niedrig als möglich zu halten. Folgerichtig ergibt dies für den Betrieb einer Gasturbinenbrennkammer, dass die Primärbrenner 2, 2a und die Nachbrenner 4 gestuft betrieben werden. Vorzugsweise bei einem Lastpunkt in der Nähe von Nullast der Gasturbinen werden die Nachbrenner 4 zugeschaltet. Zwischen dem Zuschaltpunkt und maximaler Last wird die Last nur über die Brennstoffzufuhr zu den Nachbrennern 4 geregelt, wobei dann mit zunehmender Nachbrennerlast eine schrittweise Reduktion der Brennstoffzufuhr zu den Primärbrennern 2, 2a eingeleitet werden kann. Die untere Grenze für die Reduktion der Brennstoff­zufuhr zu den Primärbrennern 2, 2a ist gegeben einerseits durch die Löschgrenze der Primärbrenner und andererseits durch die Notwendigkeit, dass die Temperatur des Abgases der Primär­brenner genügend hoch sein muss, um den Ausbrand des Nach­brennerbrennstoffs einzuleiten. Der Luftmantel 14 schirmt den Nachbrenner 4 sowie dessen Flüssigbrennstoff-Sprühkegel 15 vor den heranströmenden Heissgasen 13 aus den Primärbrennern 2, 2a ab. Wie bereits erläutert, soll das vom Nachbrenner 4 erzeugte Gemisch 14/15 nicht in unmittelbarer Nähe der Brenn­stoffdüse 15 bei nahstöchiometrischen Bedingungen zur Zündung kommen. Eine Zündung des Nachbrennergemisches 14/15 soll erst dann möglich sein, wenn sich der von der Nachbrennerdüse einge­brachte Flüssigbrennstoff 15 ausreichend stark mit dem abschir­menden Luftmantel 14 vermischt hat, also stromabwärts der Zentralbrennkammer 6. Weiter stromabwärts befindet sich die Mischkammer 7, welche dafür sorgt, dass eine wirbelfreie Strö­mung mit gleichförmigem Gesamtdruck und Temperaturprofil ent­stehen kann, bevor die Turbine 9 beaufschlagt wird.

[0014] Grundsätzlich ist die Länge der Mischkammer 7 stark von der Stärke des Mischvorganges abhängig: Beobachtungen haben ergeben, dass eine wirbelfreie Strömung mit gleichmässigem Druck nach einer Länge von etwa drei Durchmessern der entsprechenden Brennkammereinheit gut erreicht wird. Was die optimale Ausfüh­rung der Primärbrenner 2, 2a betrifft, so wird auf die Beschrei­bung gemäss EP-0 193 029, insbesondere unter Fig. 2, verwie­sen.

[0015] Die gemäss Fig. 2 ersichtliche Lösung will den Nachbrenner 4 weitergehend vor den heranströmenden Heissgasen 13 der Primär­brenner 2, 2a schützen. Zu diesem Zweck wird der Einlauf 16 der abschirmenden Luft 14 in die Brennkammer mindestens so verlängert, dass der Flüssigbrennstoff-Sprühkegel 15 mitabge­schirmt wird. Die Heissgase 13 strömen erst weiter stromabwärts zum Nachbrennergemisch 14/15 hinzu; dort ist die Vermischung des Flüssigbrennstoffes 15 mit der abschirmenden Mantelluft 14 soweit fortgeschritten, dass eine Zündung dieses Gemisches 14/15 vonstatten gehen kann.

[0016] Fig. 3 zeigt eine weitere Variante, wie der Nachbrenner 4 und dessen Flüssigbrennstoff-Sprühkegel 15 vor den heranströmen­den Heissgasen 13 im Bereich der Zentralbrennkammer 6 abgeschirmt werden können. Die abschirmende Luft 14 strömt einerseits entlang des Nachbrenners 4 und anderersets seitlich zwischen mehreren Lamellen 17 hindurch in die Zentralbrennkammer 6. Eine solche Vorkehrung bietet den Vorteil, dass damit die Vermischung zwischen Flüssigbrennstoff 15 und abschirmender Luft 14 vor der Mischkammer 7 optimiert wird. Bereits am Anfang der Mischkammer 7 findet dann die Zündung dieses Gemisches 14/15 durch die dort einmündenden Heissgase 13 statt. Damit verbleibt die ganze Länge der Mischkammer 7 zur Verfügung, um eine wirbelfreie Strömung mit gleichmässigem Druck und Temperaturprofil für die zu beaufschlagende Turbine bereit zu stellen.

Ansprüche

1. Brennkammer einer Gasturbine für den Betrieb mit Flüssig­brennstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennraum einer solchen Brennkammer in Kombination mit einem oder mehreren Primärbrennern (2, 2a) jeweils mindestens ein Nachbrenner (4) eingesetzt ist, wobei der Nachbrenner (4) und mindestens dessen Brennstoffsprühkegel (15) durch einen ummantelnden Luftstrom (14) vor den Heissgasen (13) der Primärbrenner (2, 2a) abgeschirmt sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum aus einer kreisringzylindrischen Zentralbrenn­kammer (6) und aus je seitlich davon spiegelbildlich ange­ordneten kreisringzylindrischen Primärbrennkammern (5, 5a) besteht, wobei die Zentralbrennkammer (6) mit Nach­brennern (4) und die Primärbrennkammern (5, 5a) endseitig in Umfangsrichtung mit axial angeordneten Primärbrennern (2, 2a) bestückt sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärbrennkammern (5, 5a) gegenüber der Zentralbrenn­kammer (6) V-förmig angelegt sind.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je seitlich in Umfangsrichtung der Zentralbrennkammer (6) in regelmässiger Verteilung Brennkammereinheiten angeordnet sind, die je mit zwei Primärbrennern (2, 2a) zu einer Zwil­lingsbrennkammer ausgestattet sind, wobei die Drallkörper (8, 8a) innerhalb einer Brennkammereinheit gegenrotierende Wirbel erzeugen.

5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbrenner (4) und dessen Brennstoffsprühkegel (15) vor den heranströmenden Heissgasen (13) zusätzlich durch mechanische Mittel (16, 17) geschützt sind.

6. Verfahren zum Betrieb der Brennkammer gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbrenner (4) den Flüssig­brennstoff (15) direkt in die Zentralbrennkammer (6) sprüht, wobei der Nachbrenner (4) nicht selbstgängig ist, und wobei der abschirmende Luftmantel (14) unverdrallt ist.

Zeichnung