Gasturbinenbrennkammer

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenvormischbrennkammer gemäss Oberbegriff des Patentanspruches.

Stand der Technik

[0002] Es ist bekannt, dass in Brennkammern auf Grund der Energiezufuhr und der damit in Strömungsrichtung ansteigenden Temperatur eine Beschleunigung des Heissgases auftritt. Daraus resultiert auch reibungsfrei ein Totaldruckverlust, dessen Höhe vom Verhältnis der Aus- zur Eintrittstemperatur abhängig ist. Dieser prozesswirksame Totaldruckverlust schlägt sich in einer Reduzierung von Wirkungsgrad und Leistung der Anlage nieder.

[0003] In einer Brennkammer sind gasdynamisch verschiedene Arten der Wärmezufuhr (Verbrennung) möglich. Praktische Bedeutung hat dabei hauptsächlich der Sonderfall der Verbrennung bei konstantem Querschnitt.

[0004] Wird die Verbrennung bei konstantem Querschnitt realisiert, so ist der Totaldruckverlust relativ gross. Demzufolge sind der Wirkungsgrad und die Leistung der Brennkammer gering und die zusätzliche Beschleunigung des Heissgases führt bei gegebener Zeitkonstante für die chemische Umsetzung zu einer relativ langen Brennkammer.

[0005] Aus US-A-2 565 308 ist eine Brennkammer bekannt, bei der zur Bildung eines mittels Zündeinrichtungen zündbaren Brennstoff/Luft-Gemisches stromaufwärts der Zündeinrichtungen ein Diffusor angeordnet ist. Dieser Diffusor weist einen Öffnungswinkel von 30° auf, der mit der damit verbundenen starken Verzögerung der Strömung zu einer Strömungsablösung führt. Die Strömungsablösung wird benutzt, um eine turbulente Vermischung von Luft und Brennstoff herbeizuführen und die Flammenstabilisierung zu gewährleisten.

Darstellung der Erfindung

[0006] Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenvormischbrennkammer zu schaffen, bei der gleichzeitig Totaldruckverlust und Brennkammerlänge gering sind.

[0007] Erfindungsgemäss wird dies bei einer Gasturbinenvormischbrennkammer, welche aus Zuströmungszone für Verbrennungsluft mit Eindüsung von Brennstoff, Zündverzugszone zur Mischung des Brennstoff und der Verbrennungsluft, Reaktionszone zur Zündung und Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches, Ausbrandzone zur vollständigen Verbrennung und zum Herausbringen von Kohlenmonoxid und aus Übergangszone zur Turbine besteht, dadurch erreicht, dass die Reaktionszone einen sich derart erweiternden Querschnitt aufweist, dass die Verbrennung gasdynamisch bei konstantem Druck oder bei konstanter Mach-Zahl durchführbar ist.

[0008] Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass infolge der Verbrennung bei konstanter Mach-Zahl oder bei konstantem Druck nur ein geringer Totaldruckverlust verursacht wird und die Brennkammerlänge reduziert wird. Dadurch sind der Wirkungsgrad und die Leistung der Brennkammer im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich besser.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0009] In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Gasturbinenvormischbrennkammer dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1

einen Längsschnitt der Brennkammer für p=const;

Fig. 2

einen Längsschnitt der Brennkammer für Ma=const.

[0010] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist beispielsweise der Brenner. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0011] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

[0012] In Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemässe Brennkammer dargestellt. Das Verhältnis von Brennkammerhöhe am Beginn der Reaktionszone 3 zur Länge der Reaktionszone 3 beträgt ungefähr Eins.

[0013] Damit ergeben sich folgende, in der Tabelle dargestellte Werte für verschiedene Fälle, wobei p_o der Totaldruck ist. Die Querschnittsfläche ist mit A bezeichnet, die Strömungsgeschwindigkeit mit u und der halbe Kanalöffnungswinkel mit Θ. Der Index 1 bezieht sich jeweils auf die Werte am Eintritt in die Reaktionszone 3, während der Index 2 sich jeweils auf die Werte am Austritt aus der Reaktionszone 3 bezieht.

[0014] Der halbe Kanalöffnungswinkel Θ kann bei diesem Beispiel problemlos in der Brennkammerkonstruktion berücksichtigt werden.

[0015] Wie der Tabelle zu entnehmen ist, ist die Gleichdruckverbrennung, bei der auch die Strömungsgeschwindigkeit u konstant ist, am günstigsten. Die Gleichdruckverbrennung hat den Vorteil, dass bei ihr der Totaldruckverlust, die Brennkammerlänge und der Differenzdruck über die Brennkammerwand auf ein Minimum reduziert werden. Sollte z. B. aus geometrischen Gründen (Kanalöffnungswinkel in der Reaktionszone 3 ist relativ gross) konstruktiv keine Gleichdruckverbrennung realisiert werden können, so kann zur Optimierung der Brennkammer die Verbrennung bei konstanter Mach-Zahl zu Grunde gelegt werden, da diese im Vergleich zum Stand der Technik (A=const) den Totaldruckverlust und die Beschleunigung des Heissgases durch die Energiezufuhr ebenfalls noch erheblich reduziert.

[0016] Eine in diesem Sinne optimierte Brennkammer zeigt Fig. 1. Nach der Zuströmung der Verbrennungsluft mit Eindüsung des brennstoffes (Zuströmungszone 1) ist die Zündverzugszone 2 als üblicher Diffusor gestaltet. In der Zone 2 werden der Brennstoff und die Verbrennungsluft vor der Verbrennung vorgemischt. Stromab dieser Zone 2 befindet sich die Reaktionszone 3, in der die Zündung und hauptsächliche Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches erfolgt. In der Reaktionszone 3 ist die erfindungsgemässe Querschnittserweiterung auf solche Masse erfolgt, dass die Verbrennung bei konstantem Druck erfolgt. Danach schliesst sich die Ausbrandzone 4 an, die einen konstanten (grössten) Querschnitt aufweist und vorwiegend dem Herausbringen von Kohlenmonoxid dient. Die Übergangszone 5 zur Turbine ist mit einer üblichen Düsengeometrie gestaltet.

[0017] In Fig. 2 ist schematisch am Längsschnitt einer Brennkammer ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Brennkammer ist so ausgelegt, dass in der Reaktionszone 3 eine konstante Mach-Zahl gewährleistet wird, indem bei diesem Verbrennungsprozess der Wärmezufuhr durch die chemische Reaktion eine geeignete Querschnittserweiterung überlagert wird. Der halbe Kanalöffnungswinkel Θ ist hier kleiner als im ersten Ausführungsbeispiel. Die Zuströmungszone 1, die Zündverzugszone 2 und die Ausbrandzone 4 können selbstverständlich kon-struktiv ähnlich gestaltet sein wie im Ausführungsbeispiel 1 oder auch andere geometrische Formen aufweisen, wie in einer Variante in Fig. 2 dargestellt ist.

Bezugszeichenliste

[0018] 

1

Zuströmungszone

2

Zündverzugszone

3

Reaktionszone

4

Ausbrandzone

5

Übergangszone

p

Druck

A

Querschnitt

u

Strömungsgeschwindigkeit

Θ

halber Kanalöffnungswinkel

Ma

Mach-Zahl

Ansprüche

1. Gasturbinenvormischbrennkammer, bestehend aus Zuströmungszone (1) für Verbrennungsluft mit Eindüsung von Brennstoff, Zündverzugszone (2) zur Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft, Reaktionszone (3) zur Zündung und Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches, Ausbrandzone (4) zur vollständigen Verbrennung und zum Herausbringen von Kohlenmonoxid und aus Übergangszone (5) zur Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone (3) einen sich in Strömungsrichtung derart erweiternden Querschnitt aufweist, dass die Verbrennung gasdynamisch bei konstantem Druck oder bei konstanter Mach-Zahl durchführbar ist.

Claims

1. Gas turbine premixing combustion chamber consisting of an inlet zone (1) for combustion air with injection of fuel, an ignition delay zone (2) for mixing the fuel and the combustion air, a reaction zone (3) for igniting and burning the fuel/air mixture, a burn-out zone (4) for the complete combustion and for the removal of carbon monoxide and a transition zone (5) to the turbine, characterized in that the reaction zone (3) has a cross-section which increases in the flow direction in such a way that the gas dynamics of the combustion process can take place at constant pressure or at constant Mach number.

Revendications

1. Chambre de combustion à prémélange pour turbine à gaz, se composant d'une zone d'entrée (1) pour l'air de combustion avec injection de combustible, d'une zone de retard d'allumage (2) pour le mélange du combustible et de l'air de combustion, d'une zone de réaction (3) pour l'allumage et la combustion du mélange combustible/air, d'une zone de fin de combustion (4) pour achever la combustion et pour faire sortir le monoxyde de carbone et d'une zone de transfert (5) vers la turbine, caractérisée en ce que la zone de réaction (3) présente une section transversale s'évasant de façon telle que la combustion puisse, en termes de dynamique des gaz, se dérouler avec une pression constante ou avec un nombre de Mach constant.

Zeichnung