Brennkammer mit Zweistufenverbrennung

Abstract

 Eine Brennkammer mit zweistufiger Verbrennung weist Primärbrenner (110) der Vormischbauart auf, bei denen innerhalb eines Vormischraumes (130) der über Düsen (117) eingespritzte Brennstoff vorgängig der Zündung mit der Brennluft intensiv vermischt wird. Die Primärbrenner sind flammenstabilisierend ausgebildet, d.h. ohne mechanischen Flammenhalter. Sie sind mit tangentialer Einströmung der Brennluft in den Vormischraum (130) versehen. Stromabwärts einer Vorbrennkammer (61) sind Sekundärbrenner (150) angeordnet, die als nicht selbstgängige Vormischbrenner ausgebildet sind.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkammer mit zweistufiger Verbrennung, mit mindestens einem Primärbrenner der Vormischbauart, bei dem innerhalb eines Vormischraumes der über Düsen eingespritzte Brennstoff vorgängig der Zündung mit der Brennluft intensiv vermischt wird, und mit mindestens einem Sekundärbrenner, der stromabwärts einer Vorbrennkammer angeordnet ist.

Stand der Technik

[0002] Die Verbrennung mit der grösstmöglichen Luftüberschusszahl, - einmal dadurch gegeben, dass die Flamme überhaupt noch brennt und im weiteren dadurch, dass nicht zuviel CO entsteht - vermindert nicht nur die Schadstoffmenge an NO_x, sondern bewirkt darüberhinaus auch die Tiefhaltung anderer Schadstoffe, nämlich von CO und von unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Dies erlaubt die Wahl einer grösseren Luftüberschusszahl, wobei dann zwar zunächst grössere Mengen CO entstehen, diese aber zu CO₂ weiter reagieren können, so dass schliesslich die CO-Emissionen gering bleiben. Andererseits aber bildet sich wegen des grossen Luftüberschusses nur wenig zusätzliches NO. Da in einer Brennkammer für beispielsweise Gasturbinen in der Regel eine grössere Anzahl Brenner angeordnet sind, werden bei der Lastregelung jeweils nur soviele Elemente mit Brennstoff betrieben, dass sich für die jeweiliege Betriebsphase (Start, Teillast, Vollast) die optimale Luftüberschusszahl ergibt.

[0003] Um eine verlässliche Zündung des Gemischs in der nachgeschalteten Brennkammer und einen genügenden Ausbrand zu erzielen, ist eine innige Mischung des Brennstoffs mit der Luft erforderlich. Eine gute Durchmischung trägt auch dazu bei, sogenannte "hot spots" in der Brennkammer zu vermeiden, die unter anderem zur Bildung des unerwünschten NO_X führen. Aus diesem Grund werden zunehmend zweistufige Brennkammern mit Vormischbrennern der eingangs genannten Art in der Primärstufe eingesetzt.

[0004] Die einstufigen Brennkammern mit Vormischbrennern weisen nämlich die Unzulänglichkeit auf, dass zumindest in den Betriebszuständen, in denen nur ein Teil der Brenner mit Brennstoff betrieben wird, oder bei denen die einzelnen Brenner mit einer verringerten Brennstoffmenge beaufschlagt werden, nahe an die Grenze der Flammenstabilität gestossen wird. In der Tat wird die Löschgrenze aufgrund des sehr mageren Gemisches und der sich daraus ergebenden niedrigen Flammentemperatur bei typischen Gasturbinenbedingungen schon bei einer Luftüberschusszahl von etwa 2,0 erreicht.

[0005] Diese Tatsache führt zu einer relativ komplizierten Fahrweise der Brennkammer mit entsprechend aufwendiger Regelung. Eine andere Möglichkeit, den Betriebsbereich von Vormischbrennern zu erweitern, wird in der Stützung des Brenners mittels einer kleinen Diffusionsflamme gesehen. Diese Pi-lot-flamme erhält ihren Brennstoff rein, oder zumindest schlecht vorgemischt, was einerseits zwar zu einer stabilen Flamme führt, andererseits jedoch die für Diffusionsverbrennung typischen hohen NO_x-Emissionen zur Folge hat.

Darstellung der Erfindung

[0006] Die Erfindung versucht all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine emissionsarme Sekundärverbrennung zu schaffen.

[0007] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Primärbrenner ein flammenstabilisierender Vormischbrenner ohne mechanischen Flammenhalter ist, mit zumindest annähernd tangentialer Einströmung der Brennluft in den Vormischraum, und dass der Sekundärbrenner ein nicht selbstgängiger Vormischbrenner ist.

[0008] Solche flammenhaltende Vormischbrenner können beispielsweise die Brenner der sogenannten Doppelkegelbauart sein, wie sie aus der EP-B1-0 321 809 bekannt sind und später zu Fig. 1 bis 3B beschrieben werden. Der Brennstoff, dort Gas, wird in den tangential verlaufenden Eintrittsspalten in die vom Verdichter heranströmende Verbrennungsluft über eine Reihe von Injektordüsen eingespritzt. Diese sind in der Regel über die ganzen Spalte gleichmässig verteilt.

[0009] Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere in einer NO_X-neutralen Sekundärverbrennung zu sehen.

[0010] Dadurch, dass die Brenner bei sehr magerem Gemisch betriebsfähig bleiben, kann auch die Regelung insofern vereinfacht werden, als beim Belasten und Entlasten der Brennkammer Luftzahlbereiche durchquert werden können, die mit der bisherigen Vormischverbrennung in der Regel nicht durchfahren werden konnten, ohne dass mit separaten Mitteln ein Löschen der Flamme vermieden werden muss.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0011] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Ringbrennkammer für eine Gasturbine schematisch dargestellt.

[0012] Es zeigen:

Fig. 1

einen Teillängsschnitt einer Brennkammer;

Fig. 2

einen Teilquerschnitt durch die Brennkammer;

Fig. 3A

einen Querschnitt durch einen Vormischbrenner der Doppelkegel-Bauart im Bereich seines Austritts;

Fig. 3B

einen Querschnitt durch denselben Vormischbrenner im Bereich der Kegelspitze;

Fig. 4

einen Teillängsschnitt einer Brennkammervariante.

Fig. 5

ein Schaubild Temperatur längs der Brennkammer-Erstreckung;

[0013] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die vollständige Brennkammer und deren Zuordnung zu einer Anlage, die Brennstoffbereitstellung, die Regeleinrichtungen und dergleichen, Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0014] In Fig. 1 ist mit 50 ein ummanteltes Plenum bezeichnet, welches in der Regel die von einem nicht dargestellten Verdichter geförderte Verbrennungsluft aufnimmt und einer ringförmigen Brennkammer 60 zuführt. Diese Brennkammer ist zweistufig augebildet und besteht im wesentlichen aus einer Vorbrennkammer 61 und einer stromabwärts gelegenen Hauptbrennkammer 62, welche beide mit einer Brennkammerwand 63 ummantelt sind.

[0015] Auf die Vorbrennkammer 62, die sich am Kopfende der Brennkammer 60 befindet und deren Brennraum durch eine Frontplatte 54 begrenzt ist, ist ein ringförmiger Dom 55 aufgesetzt. In diesem Dom ist ein Brenner 110 so angeordnet, dass der Brenneraustritt zumindest annähernd bündig ist mit der Frontplatte 54. Die Längsachse 51 des Primärbrenners 110 verläuft koaxial zur Längsachse 52 der Brennkammer 60. Über den Umfang verteilt ist eine Mehrzahl von solchen Brennern 110 nebeneinander auf der kreisringförmigen Frontplatte 52 angeordnet (Fig.2). Über die an ihrem äusseren Ende gelochte Domwandung strömt die Verbrennungsluft aus dem Plenum 50 in das Dominnere und beaufschlagt die Brenner. Der Brennstoff wird dem Brenner über eine Brennstofflanze 120 zugeführt, welche die Dom- und die Plenumwand durchdringt.

[0016] In der Ebene, in welcher die Vorbrennkammer 61 in die Hauptbrennkammer 62 übergeht, ist eine Anzahl von Sekundärbrennern 150 angeordnet. Hierbei handelt es sich ebenfalls um Vormischbrenner. Deren Längsachse 53 verläuft senkrecht zur Längsachse des Primärbrenners 110.

[0017] Auch diese Sekundärbrenner sitzen auf einer Frontplatte 74 und sind von einem ringförmigen Dom 75 umgeben. In diesem Dom ist der Brenner 150 so angeordnet, dass der Brenneraustritt 158 zumindest annähernd bündig ist mit der Frontplatte 74. Über den Umfang verteilt ist eine Mehrzahl von solchen Brennern 150 nebeneinander auf der ringförmigen Frontplatte 74 angeordnet (Fig. 2). Über die an ihrem äusseren Ende gelochte Domwandung strömt die Verbrennungsluft aus dem Plenum 50 in das Dominnere und beaufschlagt die Brenner. Der Brennstoff wird dem Brenner über eine Brennstofflanze 121 zugeführt, welche die Dom- und die Plenumwand durchdringt.

[0018] Der Abstand der Sekundärbrenner zur Austrittsebene 118 der Primärbrenner beträgt etwa einen Brennerdurchmesser. Die Austrittsebene 158 des Sekundärbrenners ist gegenüber der Brennkammerwand 64 zurückversetzt.

[0019] Im in Fig.2 gezeigten Fall ist jeweils eine gleiche Anzahl, hier 30 Stück, von Primärbrennern 110 und Sekundärbrennern 150 über dem Umfang angeordnet, wobei deren Achsen um eine halbe Teilung in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind. Diese Anzahl und Anordnung ist jedoch nicht zwingend.

[0020] Bei den in Fig. 1, 2, 3A und 3B schematisch dargestellten Vormischbrennern 110 und 150 handelt es sich jeweils um einen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er weiter oben bereits erwähnt wurde und beispielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Im wesentlichen besteht er aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern 111, 112, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen 113, 114 der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper bilden in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze 119 für die Verbrennungsluft, die auf diese Weise in das Brennerinnere gelangt. Dort ist eine erste Brennstoffdüse 116 für flüssigen Brennstoff angeordnet. Der Brennstoff wird in einem spitzen Winkel in die Hohlkegel eingedüst. Das entstehende kegelige Brennstoffprofil wird von der tangential einströmenden Verbrennungsluft umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes fortlaufend infolge der Vermischung mit der Verbrennungsluft abgebaut. Im Beispielsfall wird der Brenner ebenfalls mit gasförmigem Brennstoff betrieben. Hierzu sind im Bereich der tangentialen Schlitze 119 in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen 117 vorgesehen. Im Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft somit bereits in der Zone der Eintrittsschlitze 119. Es versteht sich, dass auf diese Weise auch ein Mischbetrieb mit beiden Brennstoffarten möglich ist.

[0021] Am Brenneraustritt 118 des Brennes 110 stellt sich eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlagten kreisringförmigen Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rezirkulationszone 121, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkulationszone vor dem Brenner stabilisiert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu benötigen.

[0022] Gemäss der Erfindung soll nunmehr der Sekundärbrenner 150 ein nicht selbstgängiger Vormischbrenner sein. Hierunter wird verstanden, dass für die Gemischverbrennung des Sekundärbrenners eine permanente Zündung vorhanden sein muss. Diese permanente Zündung geschieht im vorliegenden Fall über die Flamme am Austritt der Vorbrennkammer.

[0023] Um die Flammenstabilisierungszone beim verwendeten Doppelkegelbrenner 150 zu meiden, werden dessen tangentiale Spalte 159 gegenüber der Spaltweite bei den Primärbrennern 110 verbreitert. Durch diese spezielle Form des Brenners 150 bildet sich in dessen Vormischraum ein Brennstoff-Luft-Gemisch mit einer Umfangsgeschwindigkeit, die nicht ausreicht, um am Brenneraustritt die oben erwähnte Rezirkulationszone zu bilden. Das Gemisch verlässt den Konus wirbelbehaftet und tritt in die Flamme aus der Vorbrennkammer ein. Dabei ensteht durch die Kollision der beiden Wirbelströmungen eine innige Durchmischung auf kürzester Wegstrecke.

[0024] Die tangentialen Spalte 119, 159 in den Brennern sind so bemessen, dass die Primärbrenner beispielsweise mit ca. 25% und die Sekundärbrenner mit ca. 75% des gesamten, aus Verbrennungsluft und Brennstoff bestehenden Volumenstroms beaufschlagt werden.

[0025] Eine solche Brennkammer kann folgendermassen betrieben werden: Zum Anfahren werden nur die Primärbrenner 110 betrieben und während des ganzen Lastbereiches in Betrieb gehalten. Ab ca. 10% Last werden bis Vollast sukkessiv die Sekundärbrenner 150 brennstoffmässig beaufschlagt.

Zur Wirkungsweise:

[0026] Fig. 5 zeigt in einem selbsterklärenden Schaubild, wie sich die Temperaturen längs der Brennkammer-Erstreckung entwikkeln. Mit 64 ist darin die erste Turbinen-Leitschaufelreihe bezeichnet.

[0027] Folgende, oberhalb des Diagrammes aufgetragene und in Fig. 1 ebenfalls bezeichnete Zonen bedeuten:

PM

Vormischbereich im Primärbrenner 110

PC

Vorverbrennung

M

Mischzone

BO

Ausbrandzone in der Hauptbrennkammer 62

ZT

Übergangszone zum Turbineneintritt 173

[0028] Weiter bedeuten:

SMF

zweiter Vormischbereich und Brennstoffeindüsung im Sekundärbrenner 150

EI

Ort der Fremdzündung beim Primärbrenner

SI

Ort der Selbstzündung in der Mischzone M

[0029] Auf der Abzisse sind aufgetragen folgende Temperaturen:

T_F

Flammen-Temperatur

T_T

Turbineneintritts-Temperatur

T_SI

Selbstzünd-Temperatur

T_IN

Temperatur des Brennstoff/Luftgemisches

[0030] Weiter bedeuten:

δT_1c Temperaturerhöhung infolge Verbrennung

δT_1m Temperatursenkung infolge Vermischung

δT_2m Temperaturerhöhung infolge Vermischung

δT_2C Temperaturerhöhung infolge Verbrennung

[0031] Die Wirkung der neuen Massnahme ist folgende: Anlässlich der Vorverbrennung wird infolge der Aufteilung des gesamten Volumenstromes auf Primärbrenner und Sekundärbrenner nur bei einem Teil des Volumenstromes wegen der Temperaturerhöhung δT_1C Stickstoff produziert. Dieser Teilstrom weist bis zur Vermischung mit dem Gemisch aus den Sekundärbrennern nur eine kurze Verweilzeit in der Vorbrennkammer 61 auf, was sich günstig auf die NO_x-Produktion auswirkt.

[0032] Anlässlich der Vermischung der heissen Rauchgase aus der Vorbrennkammer 61 mit dem Brennstoff/Luft Gemisch aus den Sekundärbrennern darf die Mischtemperatur nicht unter die Selbstzünd-Temperatur T_SI absinken.

[0033] Nach der Selbstzündung ist die Temperaturerhöhung δT_2C des gesamten Volumenstromes zu gering, und die Periode bis zum vollständigen Ausbrand in der Zone BO zu kurz, um massgeblich NO_x zu produzieren.

[0034] Aus alldem ist erkennbar, dass bei diesem Mager/Mager-Konzept der gemittelte Volumenstrom nur während reduzierter Zeit der hohen Flammentemperatur ausgesetzt ist im Vergleich zu einer klassischen einstufigen Vormischverbrennung.

[0035] Grundsätzlich ist die Erfindung nicht beschränkt auf auf die Verwendung von Vormischbrennern der gezeigten Doppelkegel-bauart. Sie ist vielmehr anwendbar in allen Brennkammerzonen, in denen eine Flammenstabilisierung durch ein vorherrschendes Luftgeschwindigkeitsfeld erzeugt wird. Als weiteres Beispiel hierfür wird auf den in Fig. 4 gezeigten Brenner verwiesen. In dieser Fig. 4 sind alle funktionsgleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie beim Brenner gemäss Fig. 1-3B. Dies trotz unterschiedlicher Struktur, was insbesondere für die hier zylindrisch verlaufenden tangentialen Einströmspalte 119 gilt. Die Richtung Brenneraustritt zunehmende Fläche des durchströmten Vormischraumes 130 wird bei diesem Brenner durch einen zentral angeordneten Einsatz 131 in Form eines geraden Kreiskegels gebildet, wobei die Kegelspitze sich im Bereich der Frontplattenebene befindet. Es versteht sich, dass die Mantelfläche dieses Kegels auch gekrümmt sein kann. Dies gilt übrigends auch für den Verlauf der Teilfllächen 111, 112 bei den in Fig. 1-3B gezeigten Brennern.

[0036] Selbstverständlich können in Abweichung zur gezeigten und beschriebenen 2-Stufenverbrennung auch mehr als 2 Stufen zur Anwendung gelangen. Die Anzahl Verbrennungsstufen und die Art der Brennstoff- und Luft-Aufteilung auf die mehreren Stufen ist letztlich abhängig von der gewünschten Leistungsfähigkeit der Brennkammer.

Bezugszeichenliste

[0037] 

50

Plenum

51

Längsachse des Primärbrenners

52

Längsachse der Brennkammer

53

Längsachse des Sekundärbrenners

54

Frontplatte der Vorbrennkammer

55

Dom

60

Brennkammer

61

Vorbrennkammer

62

Hauptbrennkammer

63

Brennkammerwand

64

Turbineneintritt

74

Frontplatte

75

Dom

110 150

Doppelkegelbrenner

111

Teilkörper

112

Teilkörper

113

Mittelachse

114

Mittelachse

116

Brennstoffdüse

117

Gaseinströmöffnung

118, 158

Brenneraustritt

119, 159

tangentialer Spalt

120, 121

Brennstofflanze

122

Rückstromkalotte

130

Vormischraum

131

kegelförmiger Einsatz (Fig.4)

PM

1. Vormischbereich und Brennstoffeindüsung

PC

Vorverbrennung

SMF

2. Vormischbereich und Brennstoffeindüsung

M

Mischzone

BO

Ausbrandzone

ZT

Übergangszone zum Turbineneintritt

EI

Ort der Fremdzündung

SI

Ort der Selbstzündung

T_F

Flammen-Temperatur

T_T

Turbineneintritts-Temperatur

T_SI

Selbstzünd-Temperatur

T_IN

Temperatur des Brennstoff/Luftgemisches

δT_1C

Temperaturerhöhung infolge Verbrennung

δT_1m

Temperatursenkung infolge Vermischung

δT_2m

Temperaturerhöhung infolge Vermischung

δT_2C

Temperaturerhöhung infolge Verbrennung

Ansprüche

1. Brennkammer mit zweistufiger Verbrennung, mit mindestens einem Primärbrenner (110) der Vormischbauart, bei dem innerhalb eines Vormischraumes (130) der über Düsen (117) eingespritzte Brennstoff vorgängig der Zündung mit der Brennluft intensiv vermischt wird, und mit mindestens einem Sekundärbrenner (150), der stromabwärts einer Vorbrennkammer (61) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Primärbrenner (110) ein flammenstabilisierender Vormischbrenner ohne mechanischen Flammenhalter ist, mit zumindest annähernd tangentialer Einströmung der Brennluft in den Vormischraum (130),

- und dass der Sekundärbrenner (150) ein nicht selbstgängiger Vormischbrenner ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Primärbrenner (110) als auch der Sekundärbrenner (150) nach dem Doppelkegelprinzip arbeitet mit im wesentlichen zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (111, 112), deren jeweilige Mittelachsen (113, 114) gegeneinander versetzt sind, wobei die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Spalte (119) für die Verbrennungsluft bilden, und wobei im Bereich der tangentialen Spalte in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen (117) vorgesehen sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die tangentialen Spalte (119, 159) in den Brennern so bemessen sind, dass der Primärbrenner mit ca. 25-50% und der Sekundärbrenner mit ca. 50-75% des gesamten aus Verbrennungsluft und Brennstoff bestehenden Volumenstroms beaufschlagt wird.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ringbrennkammer die Längsachse (51) des Primärbrenners (110) zumindest annähernd parallel zur Längsachse (52) der Brennkammer (60) verläuft und dass die Längsachse (53) des Sekundärbrenners (150) zumindest annähernd senkrecht zur Längsachse des Primärbrenners (110) verläuft.

5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des nach der Vorbrennkammer (61) in die Hauptbrennkammer (62) mündenden Sekundärbrenners zur Austrittsebene (118) des Primärbrenners etwa einen Brennerdurchmesser beträgt.

6. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austtrittsebene (158) des Sekundärbrenners gegenüber der Brennkammerwand (63) zurückversetzt ist.

Zeichnung