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Brenner für Gasturbinen
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Die Erfindung betrifft einen Brenner für Gasturbinen mit einer ein
Innenrohr aufweisenden Brennkammer, mit einer Einrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff
in die Brennkammer und mit einer Einrichtung zur Einführung von Luft in die Brennkammer
und gleichzeitiger Verwirbelung der Luft. Die Erfindung betrifft insbesondere einen
Brenner für Gasturbinen, durch den Stickoxide verringert werden können.
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Bisher wurde die Verbrennungsleistung von Brennern bewertet durch
den Brennerwirkungsgrad, die Rauchkonzentration und einen Betrag an Staub und unverbrannten
Substanzen,wie Kohlenmonoxiden und Kohlenwasserstoffen. Probleme bezüglich des Brennerwirkungsgrads
und der unverbrannten Substanzen werden durch eine verhältnismäßig früh entwickelte
Verbrennungstechnik gelöst. Bezüglich der Rauchkonzentration wurde kürzlich gefunden,
daß sie durch Luftmangel in einem Hochtemperaturbereich eines Kopfabschnitts eines
Brenners in der Nähe
seiner inspritzdüse verursacht wird und daß
sie durch Einführung von Luft in den Kopfabschnitt merklich verbessert wird.
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Andererseits wurde in jüngster Zeit der Konzentration von Stickoxiden
als Problem der Umweltverschmutzung Aufmerksamkeit geschenkt. Daher wurden zahlreiche
Maßnahmen zur Verringerung der Konzentration an Stickoxiden vorgeschlagen und durchgeführt.
Eine hiervon besteht in einem Dampfeinspritzsystem für Gasturbinenbrenner und ist
in der US-PS 3 747 336 angegeben. Während hierdurch die Produktion an Stickoxiden
herabgesetzt wird, wird der Wärmeverbrauch erhöht.
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Es gibt eine weitere Maßnahme zur Verringerung der Produktion an Stickoxiden,
die die Zeit, in der das Verbrennungsgas einer hohen Temperatur ausgesetzt ist,
dadurch kurz macht, daß die Flamme kurz gemacht wird, wobei die Verbrennung nur
in einem Hauptverbrennungsbereich ausgeführt wird, der in axialer Richtung eines
Brenners begrenzt ist, und daß die Verbrennung durch Zufuhr von überschüssiger Luft
in die Brennkammer verdünnt wird. Dies ist in der japanischen offengelegten Patentanmeldung
0-127010 (1975) Brenner für Gasturbinen" angegeben. Dort ist in Fig. 4 angegeben,
daß die Verbrennung bei einem Verbrennungsdruck von weniger als 3,5 kg/cm2 ausgeführt
wird. Im allgemeinen erfolgt die Verbrennung in einem trommelartigen Urenner für
Gasturbinen in einer Atmosphäre von etwa 7,0 bis 10 kg/cm2, weshalb es zweifelhaft
ist, ob eine solche hochdruckatmosphäre von Nutzen ist oder nicht.
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Ferner erweitert sich das in der japanischen Patentanmeldung angegebene
Verbrennungsrohr in Richtung stromab stufenweise, wobei der gestufte Abschnitt einer
hohen Temperatur ausgesetzt ist. Daher konzentrieren sich die durch die Wärmedehnung,
die Druckdifferenz zwischen der Außen- und Innenseite des Verbrennungsrohrs und
durch das Gewicht des Brenners selbst bedingten Spannungen auf die plötzlich veränderten
Teile seiner Querschnitts
fläche, so daß die Festigkeit des Brenners
insbesondere in einer solchen llochdruckatmosphäre vermindert ist.
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Die Erfindung ist auf Verbesserunqen im Hinblick auf die oben genannten
Nachteile gerichtet.
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Ein weiterer in Betracht zu ziehender Stand der Technik ist die japanische
offengelegte Patentanmeldung 50-94311 (1975) "Brennkammer für eine Gasturbine".
Diese Anmeldung betrifft eine zweistufige Kraftstoffeinspritzung zur Verringerung
der Stickoxide, während die Kohlenmonoxide und unverbrannten Substanzen innerhalb
zulässiger Werte gehalten werden.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Brenners für Gasturbinen,
der die Produktion von Stickoxiden (NOx) verringern kann und eine hervorragende
ijaltbarkeit aufweist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brennkammer
für Gasturbinen, die haltbar ist, einen geringen Druckabfall aufweist und die Produktion
des NOx verringern kann.
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Dies wird bei einem Brenner der angegebenen Art erfindungsgemäß erreicht
durch ein vorderes Innenrohr, das koaxial im Innenrohr angeordnet ist und die Brennkanmer
in Verbindung mit dem Innenrohr begrenzt, wobei das vordere Innenrohr zwischen seinen
beiden Enden mehrere Luftlöcher und eine Querschnittsfläche aufweist, die stromauf
des zugeführten Kraftstoffs und Luftstroms klein und stromab hiervon groß ist, wobei
der stromab gelegene Endabschnitt des vorderen Innenrohrs das Innenrohr verschiebbar
berührt.
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Kurz gefaßt besteht ein Merkmal der Erfindung darin, daß eine Brennkammer
ein Innenrohr und ein vorderes Innenrohr aufweist,
das im Innenrohr
angeordnet ist und dessen eines Ende in verschiebbarer Berührung mit dem Innenrohr
steht, so daß es gegenüber dem Innenrohr axial verschiebbar ist. Das vordere Innenrohr
enthält einen Vergasungsbereich und wenigstens einen Teil eines Verbrennungsreaktionsbereichs,
während die Querschnittsfläche des vorderen Innenrohrs im Vergasungsbereich klein
und im Verbrennungsreaktionsbereich größer ist.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Stellen in einer Brennkammer
und einer entsprechend jeder Stelle zuzuführenden Luftmenge; Fig. 2 einen Längsschnitt
einer Ausführungsform eines Brenners für Gasturbinen nach der Erfindung; Fig. 3
einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Brenners für Gasturbinen
nach der Erfindung.
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Die Stickoxidproduktion steht im Zusammenhang mit einer Luftmenge
in einem Vergasungsbereich X und kann durch Einführen einer größeren Luftmenge in
diesen Bereich X verringert werden.
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Im Bereich X ist jedoch die Luftmenge im Hinblick auf die Stabilität
der Verbrennung begrenzt, weshalb die Verringerung der Stickoxide (NOx) durch Einführen
einer größeren Luftmenge in einen Verbrennungsbereich Y erfolgt. Durch Verlängern
des Verbrennungsbereichs kann überschüssige Luft in die Verbrennung entsprechend
dem Fortschreiten der Verbrennung eingeführt werden, d.h. es kann eine richtige
Verteilung von Luft im Verbrennungsbereich erfolgen, so daß die Produktion von N0x
und Rauch verringert werden kann, wobei unverbrannte Substanzen nicht abgegeben
werden können. Der längere Verbrennungsbereich wird dadurch erzielt, daß die Querschnittsfläche
der Brennkammer
kleiner und die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit
des Kraftstoff-Luftgemischs größer gemacht wird. Ein sich durch die kleinere Querschnittsfläche
der Brennkammer ergebender Vorteil besteht darin, daß Kraftstoff und Luft sehr gut
gemischt werden können, so daß ein nur geringer Hochtemperaturbereich der Flamme
vorhanden ist, der durch die Ungleichmäßigkeit von miteinander gemischtem Brennstoff
und Luft verursacht wird.
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Die Produktion des NOx wird daher verringert. Das gleichmäßige Kraftstoff-Luftgemisch
und die richtige Verteilung von Luft ergibt eine Verringerung des NOx aufgrund der
verminderten Aussetzungszeit des Gemischs gegenüber der hohen Temperatur.
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Gemäß Fig. 1 wird eine Beziehung zwischen den Stellen in der Brennkammer
und einer an jeder Stelle erforderlichen Luftmenge im folgenden im einzelnen erläutert.
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Die Stabilität der Verbrennung wird durch eine Luftmenge in der Mitte
des Vergasungsbereichs X bestimmt. Die Luftmenge beträgt das 0,8 bis 1,2-fache der
theoretischen Luftmenge Ao. Ist die Luftmenge unterhalb 0,8 Ao, so wird Rauch erzeugt,
und ist die Luftmenge über 1,2 A , so wird die Verbrennung instabil. Die Produktion
von NOx wird in hohem Maß beeinflußt durch die Luftmenge zwischen der Mitte des
Vergasungsbereichs X und der Mitte des Verbrennungsbereichs Y, wobei die in der
Mitte des Verbrennungsbereichs Y benötigte Luftmenge 1,7 bis 2,5 Ao beträgt.
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Ist die Luftmenge kleiner als 1,7 Ao, so wird die Produktion an NOx
erhöht und wird auch Rauch erzeugt. Ist die Luftmenge über 2,5 Ao, so wird die Verbrennung
instabil. Eine am Ende des Verbrennungsbereichs benötigte Luftmenge beträgt 2,0
bis 2,7 Ao. Ist die Luftmenge unter 2,0 Ao, so wird die Produktion an NOx erhöht.
Ist die Luftmenge über 2,7 Ao, so werden die unverbrannten Substanzen plötzlich
abgekühlt, so daß feste Kohlenstoffe erzeugt werden können und den Rauch anreichern.
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Der oben genannte Ausdruck Verbrennungsbereich Y bedeutet nicht daß
die Verbrennung vollständig erfolgt. In einem sich anschliessenden
Bereich
erfolgt die Verbrennung in nur sehr geringem Ausmaß. Die Produktion an N0x, die
Verbrennungsstabilität, die Rauchfarbe usw. werden jedoch durch die Verbrennung
im sich anschließenden Bereich kaum beeinflußt. Es ist daher nicht erforderlicii,
eine spezielle Luftmenge bezüglich der Stellen im sich anschließenden Bereich vorzuschlagen.
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Die geeignete Beziehung für die Verbrennung bei einer Verringerung
des NOx -Gehalts befindet sich im schraffierten Bereich von Fig. 1.
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Wenn die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit zu hoch ist, erhöht
sich der Druckabfall der Brennkammer. Bei Gasturbinen ergibt eine Erhöhung des Druckabfalls
für den Brenner eine Verminderung der Gasturbinenleistung. Zur Verhinderung einer
Zunahme des Druckabfalls im Brenner im sich anschließenden Abschnitt des Verbrennungsbereichs,
in dem nur wenig NOx erzeugt wird und die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit
plötzlich erhöht wird, wird die Querschnittsfläche der Brennkammer stufenweise oder
allmählich erhöht.
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Ge;näß Fig. 2 wird im folgenden eine Ausführungsform der Erfindung
im einzelnen beschrieben.
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Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt eines Brenners 1 für Gasturbinen,
wobei ein zylindrisches Außengehäuse 3 luftdicht an einer äußeren Endplatte 5 befestigt
ist. Die äußere Endplatte 5 weist in der Mitte ein Loch auf. Eine Düse 7 ist luftdicht
an der äußeren Endplatte 5 befestigt, so daß ein Ende der Düse 7 in das zylindrische
Außengehäuse 3 ragt. Im zylindrischen Außengehäuse 3 ist eine innere Endplatte 9
im Abstand von der äußeren Endplatte 5 fest eingesetzt. Die innere Endplatte 9 weist
Öffnungen 11 für einen Luftdurchtritt am Außenumfang und ein Loch 13 an ihrer Mitte
auf. Im Loch 13 ist eine erste Wirbeleinrichtung 15 vorgesehen zum Einführen von
Druckluft unter gleichzeitiger
Verwirbelung. Ein Ende 17 der Düse
7 ist unbeweglich in ein Loch an der Mitte der ersten Verwirbelungseinrichtung 15
eingesetzt. Ein zylindrisches Innenrohr 19 ist koaxial zum Außengehäuse 3 angeordnet,
so daß durch das Außengehäuse 3 und das Innenrohr 19 ein Luftkanal 21 begrenzt wird.
Ein Ende 23 des Innenrohrs 19 ist an der inneren Endplatte 9 befestigt, während
das andere Ende 25 von einem Obergangsstück 27 axial verschiebbar gehalten wird.
Im Innenrohr 19 ist koaxial eine zylindrische zweite Verwirbelungseinrichtung 29
angeordnet. Die zweite Verwirbelungseinrichtung 29 weist in ihrer zylindrischen
Wand mehrere Löcher auf und ist an ihrem einen Ende an der inneren Endplatte 9 befestigt.
Ferner ist im Innenrohr 19 ein vorderes Innenrohr 33 koaxial zum Innenrohr 19 angeordnet.
Das vordere Innenrohr 33 weist einen Abschnitt 35 mit kleiner Querschnittsfläche,
einen Abschnitt 37 mit mittlerer Querschnittsfläche und einen großen Abschnitt 39
mit großer Querschnittsfläche auf. Das Ende des Abschnitts 35 mit kleiner Querschnittsfläche
ist an der zweiten Verwirbelungseinrichtung 29 befestigt, während das Ende des Abschnitts
39 mit großer Querschnittsfläche verschiebbar durch das Innenrohr 19 gehalten wird.
Durch das vordere Innenrohr 33 und das Innenrohr 19 wird eine Brennkammer 40 begrenzt,
wobei im vorderen Innenrohr 33 ein Vergasungsbereich und ein Verbrennungsbereich
oder wenigstens ein Teil eines Verbrennungsbereichs enthalten sind. Das vordere
Innenrohr 33 weist mehrere Luftlöcher 41, 43, 45, 47 auf zur Lieferung einer Uberschußluftmenge
und enthält an der zylindrischen Wand mehrere nicht gezeigte Schlitze auf. Die Anzahl
und die Größe der Löcher 41, 43, 45, 47 werden so festgelegt, daß die Luftüberschußmenge
gemäß dem Fortschreiten der Verbrennungsreaktion wie in Fig. 1 gezeigt geliefert
wird. Das Innenrohr 19 weist mehrere Löcher 49 auf für eine Uberschußluftmenge in
einem das vordere Innenrohr 33 umgebenden Abschnitt, und weist Luftlöcher 51 auf
zum Verdünnen und Kühlen des Verbrennungsgases. Der Gesamtquerschnitt der Luftlöcher
49 des Innenrohrs 19 ist doppelt so groß oder größer als die Gesamtfläche der
Luftlöcher
41 bis 47 im vorderen Innenrohr 33 und der Luftlöcher 31 der zweiten Verwirbelungseinrichtung
29.
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Durch eine derartige Festlegung der Gesamtfläche der Luftlöcher 49
wird die Höhe des Druckabfalls im Brenner 1, der eines der Elemente zur Bewertung
der Brennerleistung ist, auf einen Wert unter 258 abgesenkt. Wenn jedoch beide Gesamtflächen
gleich groß gemacht werden, beträgt die öhe des Druckabfalls 1009.
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Im Betrieb des Brenners wird durch die Düse 7 Kraftstoff in die Brennkammer
40 eingespritzt. Gleichzeitig wird im Luftkanal 21, 11, 10 strömende Druckluft von
der ersten Verwirbelungseinrichtung 15 aus in die Brennkammer 40 eingeführt und
verwirbelt und wird Druckluft aus den Luftlöchern 49 durch die Löcher 31 der zweiten
Verwirbelungseinrichtung 29 und durch die Löcher 41, 43, 45, 47 in die Brennkammer
40 eingeführt.
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Die Luft aus der zweiten Verwirbelungseinrichtung 29 wird in derselben
Richtung verwirbelt wie die Luft aus der ersten Verwirbelungseinrichtung 15. Eingespritzter
Kraftstoff und Luft werden gemischt und vergast, während sie herumwirbeln und teilweise
im Vergasungsbereich verbrennen und stromab oder zum Verbrennungsbereich hin strömen.
Im Verbrennungsbereich wird der vergaste Kraftstoff mit aus den Löchern 41, 43,
45, 47 gelieferter tJberschußluft verbrannt und strömt weiter stromabwärts. Das
Verbrennungsgas wird durch das Ubergangsstück 27 zu einer Gasturbine geliefert,
wobei die Luft zur Verdünnung aus den Löchern 51 geliefert wird.
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Das vordere Innenrohr 33 ist verformt, da es im Hochtemperaturgas
angeordnet ist und sein Eigengewicht trägt. Jedoch wird eine im vorderen Innenrohr
33 erzeugte Spannungskonzentration verhindert und wird die Steifheit oder Dauerhaftigkeit
des Innenrohrs 19 und des vorderen Innenrohrs 33 im Vergleich mit einem herkömmlichen
Innenrohr erhöht, da das Ende 39 des vorderen Innenrohrs 33 auf dem inneren Innenrohr
verschoben werden kann.
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Ferner ist die im vorderen Innenrohr 33 bewirkte Wärmespannung dadurch
herabgesetzt, daß sich das vordere Innenrohr 33 axial ausdehnen kann.
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Weiterhin wird die aus den Löchern 49 des Innenrohrs 19 zum vorderen
Innenrohr 33 strömende Luft durch die Löcher 49 so eingeschnürt, daß die Strömungsgeschwindigkeit
der Luft größer wird. Daher wird das vordere Innenrohr 33 unter harten Temperaturbedingungen
durch die Luft abgekühlt, so daß die Produktion an NOx hierdurch ebenfalls verringert
wird.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird im Hinblick auf Fig.
3 beschrieben. Fig. 3 weicht von Fig. 2 lediglich durch das vordere Innenrohr 61
ab. Es wird daher nur das vordere Innenrohr 61 beschrieben.
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Der Querschnitt des vorderen Innenrohrs 61 wird ausgehend von seinem
einen an der zweiten Verwirbelungseinrichtung 29 befestigten Ende 62 zum anderen
Ende 64 hin allmählich größer, das durch das Innenrohr 19 verschiebbar gehalten
wird. Mehrere Luftlöcher 63, 65, 67, 69 sind zwischen beiden Enden 62 und 64 ausgebildet
zur Lieferung von überschußluft in die Brennkammer 70. Ein Vergasungsbereich und
ein Verbrennungsbereich oder wenigstens ein Teil eines Verbrennungsbereichs sind
in einem durch das vordere Innenrohr 61 begrenzten Bereich enthalten.
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Der Betrieb dieses Brenners 2 erfolgt in der Weise, daß der von der
Düse 7 eingespritzte Kraftstoff und die durch die ersten und zweiten Verwirbelungseinrichtungen
15, 29 während des Verwirbelns gemischt werden. Gemischter Kraftstoff und Luft strömen
stromabwärts während sie vergast und teilweise verbrannt werden.
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Der vergaste Brennstoff wird mit einer Uberschußluftmenge verbrannt,
die aus den Löchern 63, 65, 67, 69 des vorderen Innenrohrs 61 geliefert werden,
und strömt stromabwärts. Das verbrannte Gas wird durch das Ubergangsstück 27 zusammen
mit aus dem Loch 51 des Innenrohrs 19 gelieferten Luft zum Verdünnen
und
Kühlen zu einer Gasturbine geliefert.
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Das Ende 64 des vorderen Innenrohrs 61 kann auf dem Innenrohr 19 gleiten,
so daß im vorderen Innenrohr 61 erzeugte Wärmespannungen auf ein Minimum gebracht
werden, wobei eine hohe Haltbarkeit eingehalten werden kann.