|
(11) | EP 0 108 361 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
|
|
| (54) |
Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner Premixing burner with integrated diffusion burner Brûleur de prémélange avec brûleur à diffusion intégré |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner für Gasturbinenbrennkammern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Bei der Verbrennung gasförmiger oder flüssiger Brennstoffe in Gasturbinenbrennkammern entstehen als Schadstoffe im Abgas u. a. die Stickstoffoxide NO und NOz, die zusammengefasst als NOX bezeichnet werden. Der NOx-Gehalt im Abgas ist möglichst gering zu halten, wobei beispielsweise in den USA aufgrund von Umweltschutzvorschriften ein Grenzwert von 75 ppm bei 15 Vol.-% 02 nicht überschritten werden darf. Die Einhaltung dieser Vorschriften bereitet insbesondere dann grosse Schwierigkeiten, wenn in den Gasturbinenbrennkammern konventionelle Diffusionsbrenner eingesetzt werden. Bei derartigen Diffusionsbrennern wird der Brennstoff über eine Brennstoffdüse direkt in die Verbrennungszone eingebracht und dort mit der Verbrennungsluft vermischt, wobei die Verbrennung durch turbulente Diffusionsvorgänge zwischen dem Brennstoff, der Verbrennungsluft und den Abgasprodukten gesteuert wird. Da durch örtlich unterschiedliche Mischungsverhältnisse von Brennstoff und Verbrennungsluft bei der Verbrennung starke Temperaturunterschiede mit hohen Temperaturspitzen entstehen, ergibt sich ein relativ hoher NOX-Gehalt im Abgas.
[0003] Aus der DE-OS Nr. 2950535 ist es auch bekannt, für Gasturbinenbrennkammern sogenannte Vormischbrenner einzusetzen, in deren Vormischkammern das Vormischen und Vorverdampfen des durch Brennstoffdüsen zugeführten flüssigen Brennstoffes und/oder das Vormischen des durch Brennstoffdüsen zugeführten gasförmigen Brennstoffes mit der Verbrennungsluft bei grosser Luftüberschusszahl abläuft. Durch das Vormischen werden bei der Verbrennung also örtlich unterschiedliche Mischungsverhältnisse von Brennstoff und Verbrennungsluft vermieden. Andererseits besitzen derartige Vormischbrenner einen wesentlich geringeren Arbeitsbereich als die konventionellen Diffusionsbrenner, d. h. die Mischungsverhältnisse von Brennstoff und Verbrennungsluft müssen in relativ engen Grenzen gehalten werden. Ist der Brennstoffanteil zu hoch, so wird zu viel NOX gebildet, und ist zu wenig Brennstoff vorhanden, so erlischt die Verbrennung. Die Brennstoffleitungen der einzelnen Vormischbrenner werden daher mit ventilen ausgerüstet, so dass in Abhängigkeit von der Last der Gasturbine jeweils nur so viele Vormischbrenner mit Brennstoff versorgt werden, für deren Betrieb die engen Grenzen der Mischungsverhältnisse eingehalten werden können. Ausserdem sind zusätzlich noch einige konventionelle Diffusionsbrenner vorgesehen, die nur zum Anfahren der Gasturbine dienen und danach wieder abgeschaltet werden.
[0004] Aus der DE-OS Nr. 2613589 sind auch bereits Hybridbrennerfür Gasturbinenbrennkammern bekannt, welche aus Vormischbrennern mit integrierten Diffusionsbrennern bestehen. Der Vormischbrenner besitzt eine am stromabwärtigen Ende durch einen Flammenhalter begrenzte Vormischkammer, in welche eine Haupt-Brennstoffdüse und eine Zufuhreinrichtung für Verbrennungsluft einmünden. Der Diffusionsbrenner besitzt eine im zentralen Bereich des Flammenhalters angeordnete Pilot-Brennstoffdüse, wobei die Verbrennungsluft für den Betrieb des Diffusionsbrenners zum Teil durch die Vormischkammer des Vormischbrenners und zum Teil durch im Flammrohr der Gasturbinenbrennkammer angeordnete Löcher zugeführtwird. Zusätzlich ist eine Brennstoffregelreinrichtung vorgesehen, welche die Gesamtmenge und die Teilmengen des der Haupt-Brennstoffdüse und der Pilot-Brennstoffdüse zugeführten Brennstoffes in Abhängigkeit von der Last der Gasturbine derart regelt, dass bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl oder einer geringen Teillast ausschliesslich der Diffusionsbrenner betreibbar ist und danach der Diffusionsbrenner und der Vormischbrenner gemeinsam betreibbar sind. Derartige Hybridbrenner haben also den Vorteil, dass bei raumsparender kompakter Bauweise als Diffusionsbrenner ausgebildete separate Anfahrbrenner entfallen können. Ausserdem stützt die Flamme des Diffusionsbrenners die Verbrennung des in der Vormischkammer erzeugten Gemisches aus Brennstoff und Verbrennungsluft, d. h. die Flamme des Vormischbrenners kann auch noch bei im Hinblick auf eine geringe NOX-Bildung extrem mageren Mischungsverhältnissen sicher zur Entzündung gebracht werden. Der Hybridbrenner kann also über einen weiten Lastbereich mit einem geringen NOx-Gehalt im Abgas betrieben werden, wobei jedoch im oberen Lastbereich und insbesondere bei Grenzlast ein unerwünschter Anstieg der NOx-Bildung zu verzeichnen ist.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner für Gasturbinenbrennkammern zu schaffen, welcher über den gesamten Lastbereich einen Betrieb mit geringer NOx-Bildung ermöglicht.
[0006] Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemässen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
[0007] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem im oberen Lastbereich alleinigen Betrieb des Vormischbrenners die NOx-Bildung wesentlich verringert werden kann und dass der alleinige Betrieb des Vormischbrenners im oberen Lastbereich aber nur dann möglich ist, wenn die gesamte zur Verfügung stehende Verbrennungsluft ausschliesslich über die Vormischkammer zugeführt wird.
[0008] Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffregeleinrichtung ab Erreichen der Leerlaufdrehzahl oder einer geringen Teillast die Teilmenge des der Pilot-Brennstoffdüse zugeführten Brennstoffes mit zunehmender Last verringert. Die durch den Betrieb des Diffusionsbrenners verursachte NOX-Bildung wird dann stärker verringert, als die durch den Betrieb des Vormischbrenners mit entsprechend vergrösserter Brennstoffmenge zusätzlich verursachte NOX-Bildung, wobei die Stützung der Flamme des Vormischbrenners durch die Flamme des Diffusionsbrenners jedoch voll gewährleistet ist.
[0009] Die Brennstoffregeleinrichtung kann auch weiteren Vormischbrennern mit integrierten Diffusionsbrennern zugeordnet sein, wodurch insbesondere der insgesamt für eine Gasturbinenbrennkammer an Ventilen erforderliche Aufwand wesentlich verringert werden kann.
[0010] Ein alternativer Betrieb mit gasförmigem und/ oder flüssigem Brennstoff wird dadurch ermöglicht, dass der Vormischbrenner eine erste Haupt-Brennstoffdüse für gasförmigen Brennstoff und eine zweite Haupt-Brennstoffdüse für flüssigen Brennstoff besitzt. In entsprechender Weise kann dann auch der Diffusionsbrenner eine erste Pilot-Brennstoffdüse für gasförmigen Brennstoff und eine zweite Pilot-Brennstoffdüse für flüssigen Brennstoff besitzen.
[0011] Die Integration des Diffusionsbrenners in den Vormischbrenner kann mit besonders geringem Aufwand dadurch gewerkstelligt werden, dass die Brennstoffzuleitung zu der Pilot-Brennstoffdüse die Vormischkammer zentral und in axialer Richtung durchsetzt. Ist der Diffusionsbrenner mit gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff betreibbar, so ist in entsprechender Weise vorgesehen, dass die Brennstoffzuleitungen zu der ersten Pilot-Brennstoffdüse und der zweiten Pilot-Brennstoffdüse die Vormischkammer als konzentrische Rohre zentral und in axialer Richtung durchsetzen.
[0012] Ist auch der Vormischbrenner mit gasförmigem und/oderflüssigem Brennstoff betreibbar, so kann eine besonders kompakte Bauweise dadurch erzielt werden, dass die Brennstoffzuleitungen zu den beiden Haupt-Brennstoffdüsen und den beiden Pilot-Brennstoffdüsen als konzentrische Rohre ausgebildet sind.
[0013] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die in die Vormischkammer einmündende Zufuhreinrichtung für Verbrennungsluft als Dralleinrichtung ausgebildet. Hierdurch wird die intensive Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff in der Vormischkammer weiter begünstigt. Die Dralleinrichtung kann dann auch gleichzeitig als Haupt-Brennstoffdüse ausgebildet sein, wobei in als Hohlschaufeln ausgebildete Flügel jeweils mehrere Brennstoff-Injektionsbohrungen eingebracht sind.
[0014] Eine besonders intensive Zerstäubung und Vorverdampfung von flüssigem Brennstoff in der Verbrennungsluft kann auch dadurch erreicht werden, dass die Vormischkammer eine venturiähnliche Kontur mit einem am stromaufwärtigen Ende konvergierenden Abschnitt und einem am stromabwärtigen Ende divergierenden Abschnitt besitzt.
[0015] Sind sowohl der Vormischbrenner als auch der Diffusionsbrenner mit gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff betreibbar, so können die Brennstoffzuleitungen, die Haupt-Brennstoffdüsen und die beiden Pilot-Brennstoffdüsen zu einem in axialer Richtung aus der Vormischkammer ausziehbaren Bauteil zusammengefasst sein. Hierdurch werden insbesondere die Montage, die Wartung und die Inspektion wesentlich vereinfacht.
[0016] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
[0017] Es zeigen:
Fig. 1 einen Hybridbrenner, welcher aus einem Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner besteht,
Fig. 2 eine Gasturbinenbrennkammer mit mehreren Hybridbrennern,
Fig. 3 ein Diagramm, in welchem die Gesamtmenge und die Teilmengen des der Haupt-Brennstoffdüse und der Pilot-Brennstoffdüse zugeführten Brennstoffes in Abhängigkeit von der Last der Gasturbine dargestellt sind,
Fig. 4 ein Diagramm, in welchem der NOX-Gehalt im Abgas über dem Äquivalenzverhältnis aufgetragen ist,
Fig. 5 einen Hybridbrenner, bei welchem sowohl der Vormischbrenner als auch der Diffusionsbrenner mit gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff betreibbar sind, und
Fig. 6 einen Schnitt gemäss der Linie VI-VI der Fig. 5.
[0018] Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen insgesamt mit 1 bezeichneten Hybridbrenner, welcher als Vormischbrenner und/oder Diffusionsbrenner betreibbar ist. Der Hybridbrenner 1 besitzt ein Brennergehäuse 10, welches an seinem einen stirnseitigen Ende einen Flammenhalter 11 und an seinem anderen stirnseitigen Ende eine Dralleinrichtung 12 trägt. Im zentralen Bereich der Dralleinrichtung 12 ist eine Haupt-Brennstoffdüse 13 angeordnet, während die Brennstoffzuleitung mit 14 bezeichnet ist. Im zentralen Bereich des Flammenhalters 11 ist eine Pilot-Brennstoffdüse 15 angeordnet, deren Brennstoffzuleitung 16 die Haupt-Brennstoffdüse 13 und das Brennergehäuse 10 zentral und in axialer Richtung durchsetzt.
[0019] Wird der Hybridbrenner 1 als Vormischbrenner betrieben, so gelangt der durch einen Pfeil H B angedeutete flüssige Haupt-Brennstoff aus einem Brennstofftank BT über eine Haupt-Brennstoffpumpe HBP und ein Haupt-Brennstoffregelventil HBRV in die Brennstoffzuleitung 14 der Haupt-Brennstoffdüse 13. Aus der Haupt-Brennstoffdüse 13 wird der Haupt-Brennstoff H B dann in fein verteilter Form in eine Vormischkammer 100 eingespritzt, welche durch das Brennergehäuse 10, den Flammenhalter 11 und die Dralleinrichtung 12 begrenzt ist. In dieser Vormischkammer 100 wird der Haupt-Brennstoff HB verdampft und mit der über die Dralleinrichtung 12 zugeführten Verbrennungsluft VL vermischt, wobei diese Vermischung und die Vorverdampfung durch die venturiähnliche Kontur des Brennergehäuses 10 begünstigt wird. Die Verbrennung des in der Vormischkammer 100 gebildeten homogenen Gemisches aus Haupt-Brennstoff HB und Verbrennungsluft VL erfolgt dann erst in dem Flammrohr F einer sonst nicht näher dargestellten Gasturbinenbrennkammer, wobei der Flammenhalter 11 zur Stabilisierung der Flamme dient, aber trotzdem ein Rückschlagen der Flamme in die Vormischkammer 100 verhindert.
[0020] Wird der Hybridbrenner 1 als Diffusionsbrenner betrieben, so gelangt der durch einen Pfeil PB angedeutete Pilot-Brennstoff aus dem Brennstofftank BT über eine Pilot-Brennstoffpumpe PBP und ein Pilot-Brennstoffregelventil PBRV in die Brennstoffzuleitung 16 der Pilot-Brennstoffdüse 15. Aus der Pilot-Brennstoffdüse 15 wird der Pilot-Brennstoff PB dann in fein verteilter Form unmittelbar in die Verbrennungszone des Flammrohres F eingespritzt und dort mit der ausschliesslich über die Dralleinrichtung 12, die Vormischkammer 100 und den Flammenhalter 11 zugeführte Verbrennungsluft VL vermischt, wobei die Verbrennung durch turbulente Diffusionsvorgänge zwischen dem Pilot-Brennstoff PB, der Verbrennungsluft VL und den Abgasprodukten gesteuert wird.
[0021] Beim Betrieb des Hybridbrenners 1 werden die Gesamtmenge des zugeführten Brennstoffes und die als Pilot-Brennstoff PB bzw. als Haupt-Brennstoff HB zugeführten Teilmengen über eine Brennstoffregeleinrichtung BRE in Abhängigkeit von der Last der Gasturbine geregelt. Die Brennstoffregeleinrichtung BRE, welche mit einem entsprechenden Lastsignal LS beaufschlagt wird, regelt dabei den Durchfluss durch das Pilot-Brennstoffregelventil PRBV und das Haupt-Brennstoffregelventil HBRV über entsprechende Ansteuerleitungen AL1 und AL2 derart, dass bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl oder einer geringen Teillast ausschliesslich der Diffusionsbrenner betreibbar ist, dass danach der Diffusionsbrenner und der Vormischbrenner gemeinsam betreibbar sind und dass im oberen Lastbereich ausschliesslich der Vormischbrenner betreibbar ist.
[0022] Bei dem in Fig. 1 dargestellten Flammrohr F kann es sich beispielsweise um das Flammrohr einer Primärbrennkammer handeln, wobei die Gasturbinenbrennkammer eine Vielzahl derartiger in eine gemeinsame Mischkammer einmündender Primärbrennkammern besitzt. Die Brennstoffregeleinrichtung BRE, das Pilot-Brennstoffregelventil PRBV und das Haupt-Brennstoffregelventil HBRV können dann für sämtliche Hybridbrenner 1 der Gasturbinenbrennkammer zusammenge: fasst werden, da durch den grossen Arbeitsbereich der Hybridbrenner 1 eine separate Regelung und ein lastabhängiges Zu- und Abschalten einzelner Primärbrennkammern entfallen kann. Eine derartige gemeinsame Brennstoffregeleinrichtung ist aber auch dann möglich, wenn eine Vielzahl von Hybridbrennern in das Flammrohr einer Gasturbinenbrennkammer einmünden. Dieser Fall ist in Fig. 2 dargestellt, wobei aber zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung lediglich drei Hybridbrenner 1 gezeigt sind.
[0023] Dementsprechend sind in Fig. 2 drei Hybridbrenner 1 zu erkennen, die in das mit F' bezeichnete Flammrohr einer sonst nicht näher dargestellten Gasturbinenbrennkammer einmünden. Das Flammrohr F' besitzt im Bereich der Verbrennungszone keine Öffnungen für den Zutritt von Verbrennungsluft, da ja die gesamte zur Verfügung stehende Verbrennungsluft VL ausschliesslich den Mischkammern 100 der Hybridbrenner 1 zugeführt wird. Dies schliesst jedoch nicht aus, dass im Flammrohr F' stromabwärts der Verbrennungszone Öffnungen für den Zutritt von Mischluft vorhanden sein können.
[0024] Der Pilot-Brennstoff PB gelangt über eine gemeinsame Pilot-Brennstoffpumpe PBP', ein gemeinsames Pilot-Brennstoffregelventil PBRV und einen als Kreis dargestellten Verteiler V1 in die Brennstoffzuleitungen 16 zu den Pilot-Brennstoffdüsen 15 der einzelnen Hybridbrenner 1.
[0025] Der Haupt-Brennstoff H B gelangt über eine gemeinsame Haupt-Brennstoffpumpe HBP', ein gemeinsames Haupt-Brennstoffregelventil HBRV' und einen als Kreis dargestellten Verteiler V2 in die Brennstoffzuleitungen 14 zu den Haupt-Brennstoffdüsen 13 der einzelnen Hybridbrenner 1.
[0026] Beim Betrieb der Gasturbinenbrennkammer werden die Gesamtmenge des den Hybridbrennern 1 zugeführten Brennstoffes B und die insgesamt als Pilot-Brennstoff PB bzw. als Haupt-Brennstoff HB zugeführten Teilmengen über eine Brennstoffregeleinrichtung BRE' in Abhängigkeit von der Last der Gasturbine geregelt. Die Brennstoffregeleinrichtung B R E', welche mit einem entsprechenden Lastsignal LS beaufschlagt wird, regelt dabei den Durchfluss durch das gemeinsame Pilot-Brennstoffregelventil PBRV' und das gemeinsame Haupt-Brennstoffregelventil HBRV' über entsprechende Ansteuerleitungen AL1' und AL2' derart, dass bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl oder einer geringen Teillast ausschliesslich die Diffusionsbrenner betreibbar sind, dass danach die Diffusionsbrenner und die Vormischbrenner gemeinsam betreibbar sind und dass im oberen Lastbereich ausschliesslich die Vormischbrenner betreibbar sind.
[0027] Die vorstehend geschilderte Betriebsweise geht aus dem Diagramm der Fig. 3 noch detaillierter hervor. Hier sind auf dem rechten Zweig der Abszisse die Leistung N der Gasturbine bis zur Grenzlast in Prozent, auf dem linken Zweig der Abszisse die Drehzahlen n bis zur Leerlaufdrehzahl in U/min und auf der Ordinate die Brennstoffmengen m aufgetragen. Dabei zeigt die ausgezogene Kurve die Gesamtmenge mG des zugeführten Brennstoffes B (vgl. Fig. 2), die punktstrichlierte Kurve, die Menge mp des insgesamt zugeführten Pilot-Brennstoffes PB (vgl. Fig. 2) und die gestrichelte Kurve, die Menge mH des insgesamt zugeführten Haupt-Brennstoffes H B (vgl. Fig. 2). Es ist zu erkennen, dass beim Anfahren der Gasturbine ab einer geringen Drehzahl die Diffusionsbrenner eingeschaltet werden und bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl n = 3000 U/min ausschliesslich Pilot-Brennstoff PB (Fig. 2) zugeführtwird. Derausschliessliche Betrieb der Diffusionsbrenner wird nach Erreichen der Leerlaufdrehzahl noch kurz fortgesetzt, bis bei einer geringen Teillast die Vormischbrenner zugeschaltet werden und mit einer zunehmenden Menge mH an Haupt-Brennstoff H B (Fig. 2) versorgt werden. Nach dem Zuschalten der Vormischbrenner wird die Menge mp des den Diffusionsbrenner zugeführten Pilot-Brennstoffes PB (Fig. 2) zurückgenommen. Im oberen Lastbereich werden dann die Diffusionsbrenner ganz abgeschaltet und nur noch die Vormischbrenner betrieben, d. h. es wird nur noch Haupt-Brennstoff H B (vgl. Fig. 2) zugeführt.
[0028] Der obere Lastbereich, in welchem die Diffusionsbrenner abgeschaltet und nur noch die Vormischbrenner betrieben werden, liegt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen N = 80% und der Grenzlast mit N = 100%. Den oberen Lastbereich, in welchem die Diffusionsbrenner abgeschaltetwerden, könnte man auch als Bereich zwischen der Flammenstabilitätsgrenze der Vormischbrenner und der angestrebten NOX-Grenze bei Grenzlast definieren. Die Diffusionsbrenner werden nämlich erst dann abgeschaltet, wenn die Vormischbrenner ohne die Unterstützung durch die Flamme der Diffusionsbrenner alleine und ohne die Gefahr des Erlöschens brennen können.
[0029] Aus dem Diagramm der Fig. 4 geht die NOX-Emission beim Betrieb der in Fig. 2 dargestellten Gasturbinenbrennkammer hervor. Hier ist auf der Abszisse das Äquivalenzverhältnis ϕ = 1 /λ aufgetragen, wobei λ die Luftüberschusszahl ist. Auf der Ordinate ist der NOx-Gehalt im Abgas in ppm bei 15 Vol.-% O2 aufgetragen. Die paralle.l zur Abszisse verlaufende Gerade G gibt einen NOX-Grenzwert von 75 ppm bei 15 Vol.-% O2 an, der beim Betrieb der Gasturbinenbrennkammer nicht überschritten werden darf.
[0030] Werden die Hybridbrenner 1 der in Fig. 2 dargestellten Gasturbinenbrennkammer ausschliesslich als Diffusionsbrenner betrieben, so ergibt sich ein NOx-Gehalt im Abgas entsprechend der strichpunktierten Kurve D, während sich beim ausschliesslichen Betrieb eines Vormischbrenners ein NOx-Gehalt im Abgas entsprechend der gestrichelten Kurve V ergibt. Dabei sind mit SD und Sv die Flammenstabilitätsgrenzen bezeichnet, bei welchen ein Diffusionsbrenner bzw. ein Vormischbrenner gerade noch stabil brennt.
[0031] Es ist ferner zu erkennen, dass sich sowohl beim Betrieb als Diffusionsbrenner als auch beim Betrieb als Vormischbrenner ein Maximum des NOx-Gehaltes im Abgas bei einem Äquivalenzverhältnis von φ = 1 einstellt.
[0032] Beim Anfahren der in Fig. 2 dargestellten Gasturbinenbrennkammer werden die Hybridbrenner 1 bis zum Erreichen einer geringen Teillast ausschliesslich als Diffusionsbrenner betrieben, wobei der NOx-Gehalt im Abgas während dieser Betriebsphase durch den Punkt A auf der Kurve D angegeben ist. Danach werden die Hybridbrenner 1 als Diffusionsbrenner und zugleich als Vormischbrenner betrieben, wobei der NOx-Gehalt im Abgas während dieser Betriebsphase durch die dick ausgezogene Kurve AB angegeben ist. Das letzte vertikal verlaufende Teilstück der Kurve AB verdeutlicht dabei das Absinken des NOx-Gehaltes im Abgas nach dem vollständigen Abschalten der Diffusionsbrenner. Dementsprechend liegt der Punkt B oberhalb der Flammenstabilitätsgrenze Sv auf der Kurve V. Nach dem Abschalten der Diffusionsbrenner werden die Hybridbrenner 1 dann im oberen Lastbereich ausschliesslich als Vormischbrenner betrieben, wobei der NOX-Gehalt im Abgas während dieser Betriebsphase durch den dick ausgezogenen Teilbereich BC der Kurve V angegeben ist. Der Punkt C entspricht dabei dem bei Grenzlast erreichten Höchstwert des NOx-Gehaltes im Abgas, wobei dieser Höchstwert aber noch deutlich unterhalb der zulässigen NOX-Grenze liegt. Bei dem Punkt C handelt es sich somit auch um den Auslegepunkt der Gasturbinenbrennkammer, der für die insgesamt erforderliche Anzahl von Hybridbrennern 1 massgeblich ist.
[0033] Die Fig. 5 und 6 zeigen einen mit gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff betreibbaren Hybridbrenner im nur teilweise dargestellten Längsschnitt bzw. im Querschnitt. Der insgesamt mit 1' bezeichnete Hybridbrenner besitzt ein durch die gestrichtelte Linie 10' angedeutetes Brennergehäuse, welcher eine venturiähnliche Kontur aufweist. Die durch das Brennergehäuse 10' gebildete Vormischkammer 100' ist an ihrem stromabwärtigen Ende durch einen in der Zeichnung nur angedeuteten Flammenhalter 11' und an ihrem stromaufwärtigen Ende durch eine Dralleinrichtung 12' begrenzt. Die Dralleinrichtung 12' bildet dabei gleichzeitig eine erste Haupt-Brennstoffdüse für gasförmigen Brennstoff, wobei in die einzelnen als Hohlschaufeln ausgebildeten Flügel jeweils mehrere Brennstoff-Injektionsbohrungen 120' eingebracht sind. Die Zufuhr des durch einen Pfeil H B" angedeuteten gasförmigen Brennstoffes erfolgt über eine Brennstoffzuleitung 14", auf welche die als Hohlschaufeln ausgebildeten Flügel der Dralleinrichtung 12' aufgesetzt sind. In geringem Abstand stromabwärts der Dralleinrichtung 12' ist eine zweite Haupt-Brennstoffdüse 13' für flüssigen Brennstoff angeordnet, welche ebenfalls als Hohlschaufeln ausgebildete Flügel besitzt, in die jeweils mehrere Brennstoff-Injektionsbohrungen 130' eingebracht sind. Die Zufuhr des durch Pfeile HB' angedeuteten flüssigen Brennstoffes zu den Brennstoff-Injektionsbohrungen 130' erfolgt über eine Brennstoffzuleitung 14', welche konzentrisch innerhalb der Brennstoffzuleitung 14" angeordnet ist und auf welche die als Hohlschaufeln ausgebildeten Flügel der zweiten Haupt-Brennstoffdüse 13' aufgesetzt sind.
[0034] Im zentralen Bereich des Flammenhalters 11' sind eine erste Pilot- Brennstoffdüse 15" für gasförmigen Brennstoff und eine zweite Pilot-Brennstoffdüse 15' für flüssigen Brennstoff angeordnet. Die Zufuhr des durch einen Pfeil PB" angedeuteten gasförmigen Brennstoffes zu der ersten Pilot-Brennstoffdüse 15" erfolgt über eine Brennstoffzuleitung 16", welche zunächst konzentrisch innerhalb der Brennstoffzuleitung 14' verläuft und dann die Vormischkammer 100' zentral und in axialer Richtung durchsetzt. Die Zufuhr des durch einen Pfeil PB'angedeuteten flüssigen Brennstoffes zu der zweiten Pilot-Brennstoffdüse 15' erfolgt über eine Brennstoffzuleitung 16', welche konzentrisch innerhalb der Brennstoffzuleitung 16" angeordnet ist.
[0035] Die vier Brennstoffzuleitungen 14", 14', 16", 16', die gleichzeitig als erste Haupt-Brennstoffdüse ausgebildete Dralleinrichtung 12', die zweite Haupt-Brennstoffdüse 13', die erste Pilot-Brennstoffdüse 15" und die zweite Pilot-Brennstoffdüse 15' sind zu einem Bauteil vereinigt, welches zur Erleichterung der Wartung und Inspektion in axialer Richtung aus dem Brennergehäuse 10' und dem Flammenhalter 11' ausgezogen werden kann.
[0036] In den Querschnitt der Fig. 6 ist die konzentrische Anordnung der einzelnen Brennstoffzuleitungen 14", 14', 16" und 16' deutlich zu erkennen. Ausserdem ist zu erkennen, dass die sternförmig ausgerichteten Flügel der Dralleinrichtung 12' und die sternförmig ausgerichteten Flügel der zweiten Haupt-Brennstoffdüse 13' in Umfangsrichtung gesehen versetzt zueinander angeordnet sind. Da die zweite Haupt-Brennstoffdüse 13' zusätzlich noch im Bereich des engsten Querschnittes der venturiähnlichen Kontur des Brennergehäuses 10' angeordnet ist, ergibt sich eine besonders intensive Zerstäubung und Vorverdampfung des aus den Brennstoff-Injektionsbohrungen 130' austretenden flüssigen Brennstoffes HB' in der über die Dralleinrichtung 12' zugeführten Verbrennungsluft.
[0037] Die Betriebsweise des in den Fig. 5 und 6 dargestellten Hybridbrenners 1' entspricht der Betriebsweise des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Hybridbrenners 1, wobei jedoch für die flüssigen Brennstoffe PB' und H B' und für die gasförmigen Brennstoffe PB" und H B" jeweils eine Brennstoffregeleinrichtung vorgesehen ist. Soll der Hybridbrenner 1' gleichzeitig mit flüssigem und gasförmigem Brennstoff betrieben werden, so sind diese beiden Brennstoffregeleinrichtungen entsprechend der in Fig. 3 dargestellten Betriebsweise miteinander zu verknüpfen.
1. Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner für Gasturbinenbrennkammern,
wobei
- der Vormischbrenner eine am stromabwärtigen Ende durch einen Flammenhalter begrenzte Vormischkammer besitzt, in welche eine Haupt-Brennstoffdüse und eine Zufuhreinrichtung für Verbrennungsluft einmünden,
- der Diffusionsbrenner eine im zentralen Bereich des Flammenhalters angeordnete Pilot-Brennstoffdüse besitzt und wobei
- eine Brennstoffregeleinrichtung die Gesamtmenge und die Teilmengen des der Haupt-Brennstoffdüse und der Pilot-Brennstoffdüse zugeführten Brennstoffes in Abhängigkeit von der Last der Gasturbine derart regelt, dass bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl oder einer geringen Teillast ausschliesslich der Diffusionsbrenner betreibbar ist und danach der Diffusionsbrenner und der Vormischbrenner gemeinsam betreibbar sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) die gesamte für den Betrieb des Diffusionsbrenners erforderliche Verbrennungsluft (VL) ist ausschliesslich über die Vormischkammer (100; 100') zuführbar,
b) die Brennstoffregeleinrichtung (BRE; BRE') regelt die Gesamtmenge (MG) und die Teilmengen (mp, mH) des zugeführten Brennstoffes (B) derart, dass im oberen Lastbereich ausschliesslich der Vormischbrenner betreibbar ist.
2. Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennstoffregeleinrichtung (BRE; BRE') ab Erreichen der Leerlaufdrehzahl
oder einer geringen Teillast die Teilmenge (mp) des der Pilot-Brennstoffdüse (15;
15', 15") zugeführten Brennstoffes (PB; PB', PB") mit zunehmender Last verringert.
3. Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennstoffregeleinrichtung (BRE') weiteren Vormischbrennern mit integrierten
Diffusionsbrennern zugeordnet ist.
4. Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner eine erste Haupt-Brennstoffdüse
für gasförmigen Brennstoff (HB") und eine zweite Haupt-Brennstoffdüse (13') für flüssigen
Brennstoff (HB') besitzt.
5. Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusionsbrenner eine erste Pilot-Brennstoffdüse
(15") für gasförmigen Brennstoff (PB") und eine zweite Pilot-Brennstoffdüse (15')
für flüssigen Brennstoff (PB') besitzt.
6. Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuleitung (16) zu der Pilot-Brennstoffdüse
(15) die Vormischkammer (100) zentral und in axialer Richtung durchsetzt.
7. Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennstoffzuleitungen (16", 16') zu der ersten Pilot- Brennstoffdüse (15")
und der zweiten Pilot-Brennstoffdüse (15') die Vormischkammer (100') als konzentrische
Rohre zentral und in axialer Richtung durchsetzen.
8. Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner nach den Ansprüchen 4 und 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuleitungen (14", 14', 16", 16') zu den
beiden Haupt-Brennstoffdüsen (13') und den beiden Pilot-Brennstoffdüsen (15", 15')
als konzentrische Rohre ausgebildet sind.
9. Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Vormischkammer (100') einmündendeZufuhreinrichtung
für Verbrennungsluft als Dralleinrichtung (12') ausgebildet ist.
10. Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die Dralleinrichtung (12') gleichzeitig als Haupt-Brennstoffdüse ausgebildet
ist, wobei in als Hohlschaufel ausgebildete Flügel jeweils mehrere Brennstoff-Injektionsbohrungen
(120') eingebracht sind.
11. Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischkammer (100; 100') eine venturiähnliche
Kontur mit einem am stromaufwärtigen Ende konvergierenden Abschnitt und einen am stromabwärtigen
divergierenden Abschnitt besitzt.
12. Vormischbrenner mit integriertem Diffusionsbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennstoffzuleitungen (14", 14', 16", 16'), die beiden Haupt-Brennstoffdüsen
(13') und die beiden Pilot-Brennstoffdüsen (15",15') zu einem in axialer Richtung
aus der Vormischkammer (100') ausziehbaren Teil zusammengefasst sind.
1. A premixing burner having an integrated diffusion burner for gas turbine combustion
chambers, in which:
- at the downstream end, the premixing burner has a premixing chamber which is bounded by a flame arrester and into which open a main fuel nozzle and a supply arrangement for the combustion air;
- the diffusion burner has a pilot fuel nozzle which is arranged in the central region of the flame arrester, and
- a fuel regulating device controls the total amount and the partial amount of the fuel, which are supplied to the main fuel nozzle and the pilot fuel nozzle respectively, in dependence on the load of the gas turbine, in such a way that, until the idling speed or a small partial load has been reached, the diffusion burner exclusively is operable, and that thereafter the diffusion burner and the premixing burner are commonly operable; characterised by the following features:
(a) the total combustion air (VL) required for the operation of the diffusion burner can be exclusively supplied by way of the premixing chamber (100; 100'); and
(b) the fuel regulating device (BRE; BRE') controls the total amount (MG) and the partial amounts (mp, mH) of the fuel supplied (B) in such a way that only the premixing burner is operable in the higher load region.
2. A premixing burner having an integrated diffusion burner as claimed in Claim 1,
characterised in that, on reaching the idling speed or a small partial load, the fuel
regulating device (BRE; BRE'), with increasing load, reduces the partial amount (mp)
of the fuel (PB; PB', PB") supplied to the pilot fuel nozzle (15; 15', 15").
3. A premixing burner having an integrated diffusion burner as claimed in Claim 1
or Claim 2, characterised in that the fuel regulating device (BRE') is assigned to
further premixing burners having integrated diffusion burners.
4. A premixing burner having an integrated diffusion burner as claimed in one of the
preceding Claims, characterised in that the premixing burner has a first main fuel
nozzle for gaseous fuel (HB") and a second main fuel nozzle (13') for liquid fuel
(HB').
5. A premixing burner having an integrated diffusion burner as claimed in one of the
preceding Claims, characterised in that the diffusion burner has a first pilot fuel
nozzle (15") for gaseous fuel (PB") and a second pilot fuel nozzle (15') for liquid
fuel (PB').
6. A premixing burner having an integrated diffusion burner as claimed in one of Claims
1 to 4, characterised in that the fuel supply line (16) to the pilot fuel nozzle (15)
passes centrally and in the axial direction through the mixing chamber (100).
7. A premixing burner having an integrated diffusion burner as claimed in Claim 5,
characterised in that the fuel supply lines (16", 16') to the first pilot fuel nozzle
(15") and the second pilot fuel nozzle (15') pass centrally and in the axial direction
through the premixing chamber (100') as concentric pipes.
8. A premixing burner having an integrated diffusion burner as claimed in Claims 4
and 6, characterised in that the fuel supply lines (14", 14', 16", 16') to the two
main fuel nozzles (13') and to the two pilotfuel nozzles (15", 15') are formed as
concentric pipes.
9. A premixing burner having an integrated diffusion burner as claimed in one of the
preceding Claims, characterised in that the supply arrangement for the combustion
air which opens into the premixing chamber (100') is in the form of a swirling device
(12').
10. A premixing burner having an integrated diffusion burner as claimed in Claim 9,
characterised in that the swirling device (12') is simultaneously constructed as a
main fuel nozzle, a plurality of fuel injection bores (120') being provided in vanes
which are in the form of hollow blades.
11. A premixing burner having an integrated diffusion burner as claimed in one of
the preceding Claims, characterised in that the premixing chamber (100; 100') has
a venturi-like outline with a convergent section at the upstream end and a divergent
section at the downstream end.
12. A premixing burner having an integrated diffusion burner as claimed in Claim 8,
characterised in that the fuel supply lines (14",14', 16", 16'), the two main fuel
nozzles (13') and the two pilot fuel nozzles (15", 15') are combined to form a component
which can be removed from the premixing chamber (100') in the axial direction.
1. Brûleur à prémélange avec brûleur à flamme de diffusion intégré pour des chambres
de combustion de turbine à gaz, dans lequel:
- le brûleur à prémélange possède une chambre de prémélange délimitée par un accrocheur de flamme à l'extrémité en aval, dans laquelle débouchent une buse pour le combustible principal et un dispositif d'amenée pour de l'air de combustion,
- le brûleur à flamme de diffusion possède une buse pour le combustible pilote disposée dans la région centrale de l'accrocheur de flamme et dans lequel:
- un dispositif de réglage de combustible règle la quantité totale et les quantités
partielles du combustible envoyé à la buse pour le combustible principal et à la buse
pour le combustible pilote en fonction de la charge de la turbine, de manière que,
jusqu'à ce que le nombre de tours en marche à vide ou sous une faible charge partielle
soit atteint, seul le brûleur à flamme de diffusion puisse fonctionner et qu'ensuite
le brûleur à flamme de diffusion et le brûleur à prémélange puissent fonctionner ensemble,
remarquable par les caractéristiques suivantes:
a) tout l'air de combustion (VL) nécessaire au fonctionnement du brûleur à flamme de diffusion peut être amené exclusivement par la chambre de prémélange (100; 100'),
b) le dispositif de réglage du combustible (BRE; BRE') règle la quantité totale (mG) et les quantités partielles (mp, mH) du combustible amené (B), de manière que seul le brûleur prémélange puisse fonctionner dans la plage supérieure des charges.
2. Brûleur à prémélange avec brûleur à flamme de diffusion intégré suivant la revendication
1, caractérisé en ce que le dispositif de réglage du combustible (BRE; BRE') réduit,
pour des charges croissantes, la quantité partielle (mp) du combustible (PB; PB',
PB") envoyée à la buse pour du combustible pilote (15; 15', 15"), dès que l'on atteint
le nombre de tours en marche à vide ou sous une faible charge partielle.
3. Brûleur à prémélange avec brûleur à flamme de diffusion intégré suivant la revendication
1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de réglage du combustible (BRE') est associé
à d'autres brûleurs à prémélange avec brûleurs à flamme de diffusion intrégrés.
4. Brûleur à prémélange avec brûleur à flamme de diffusion intégré suivant l'une des
revendications précédentes, caractérisé en ce que le brûleur à prémélange possède
une première buse pour du combustible principal destinée à du combustible gazeux (HB")
et une seconde buse pour du combustible principal (13') destinée à du combustible
liquide (HB').
5. Brûleur à prémélange avec brûleur à flamme de diffusion intégré suivant l'une des
revendications précédentes, caractérisé en ce que le brûleur à flamme de diffusion
possède une première buse pour du combustible pilote (15') destinée à du combustible
gazeux (PB") et une seconde buse pour du combustible pilote (15') destinée à du combustible
liquide (PB').
6. Brûleur à prémélange avec brûleur à flamme de diffusion intégré suivant l'une des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le conduit d'amenée du combustible (16)
allant à la buse pour du combustible pilote (15) passe, au centre et suivant la direction
axiale, dans la chambre de prémélange (100).
7. Brûleur à prémélange avec brûleur à flamme de diffusion intégré suivant la revendication
5, caractérisé en ce que les conduits d'amenée du combustible (16", 16') à la première
buse pour du combustible pilote (15") et à la seconde buse pour du combustible pilote
(15') passent, au centre et suivant la direction axiale, dans la chambre de prémélange
(100') sous forme de tubes concentriques.
8. Brûleur à prémélange avec brûleur à flamme de diffusion intégré suivant les revendications
4 et 6, caractérisé en ce que les conduits d'amenée du combustible (14", 14', 16",
16') menant aux deux buses pour le combustible principal (13') et aux deux buses pour
le combustible pilote (15", 15') sont agencés en tubes concentriques.
9. Brûleur à prémélange avec brûleur à flamme de diffusion intégré suivant l'une des
revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'amenée de l'air
de combustion qui débouche dans la chambre de prémélange (100') est agencé en dispositif
à tourbillonnement (12').
10. Brûleur à prémélange avec brûleur à flamme de diffusion intégré suivant la revendication
9, caractérisé en ce que le dispositif à tourbillonnement (12') constitue en même
temps une buse pour le combustible principal, plusieurs perçages d'injection du combustible
(120') étant percés dans des ailes agencées en pales creuses.
11. Brûleur à prémélange avec brûleur à flamme de diffusion intégré suivant l'une
des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre de prémélange (100;
100') possède un contour semblable à un venturi, avec une section convergente à l'extrémité
en amont, et une section divergente à l'extrémité en aval.
12. Brûleur à prémélange avec brûleur à flamme de diffusion intégré suivant la revendication
8, caractérisé en ce que les conduits d'amenée du combustible (14", 14', 16", 16'),
les deux buses pour le combustible principal (13') et les deux buses pour le combustible
pilote (15", 15') sont rassemblés en une pièce qui peut être extraite de la chambre
de prémélange (100') suivant la direction axiale.