DE4408136A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kraftstoff-Aufbereitung für eine Gasturbinen-Brennkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraftstoff-Auf­ bereitung für eine Gasturbinen-Brennkammer, wobei konti­ nuierlich flüssiger Kraftstoff sowie ein Luftstrom in eine insbesondere rohrförmige Kammer eingeleitet werden, in der der Kraftstoff zumindest teilweise verdampft und anschließend unverbrannt mit dem Luftstrom zur Brennkam­ mer hin abgeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Kraftstoff-Aufbereitung gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, mit einem an oder stromauf der Kammer-Eintrittsöffnung vorgesehenen, vom Luftstrom um­ spülten Zerstäuber für den Kraftstoff.

Es ist bekannt, daß Gasturbinen mit niedrigen Stickoxid- Emissionen betrieben werden können, wenn mit Magerver­ brennung und Kraftstoff-Vorverdampfung gearbeitet wird. Dabei ist zwischen einer Kraftstoffdüse und der Brennkam­ mer eine zumeist rohrförmige Verdampferstrecke vorgese­ hen, in der der größte Massenanteil des eingespritzten Kraftstoffes verdampfen, jedoch nicht brennen soll. Da jedoch die Verbrennung in der Brennkammer mager und homo­ gen stattfinden soll, wird auch die Vorverdampferstrecke bereits mit der mageren Stöchiometrie der Brennkammer- Primärzone betrieben. Dabei wird die benötigte Ver­ dampfungsenthalpie beim bekannten Stand der Technik di­ rekt oder indirekt der in der Brennkammer brennenden Flamme entnommen.

So ist beispielsweise in der DE-OS 29 01 099 ein Ver­ dampferrohr gezeigt, das anstelle eines Druck- oder Luft­ zerstäubers am Brennkammerkopf befestigt ist und dabei zumindest teilweise in die Flamme hineinragt. Auf die in­ nere Oberfläche dieses Verdampferrohres wird Kraftstoff aufgebracht, der dort teilweise verdampft. Die zur Ver­ dampfung benötigte Wärme wird somit der Flamme entzogen. Eine ähnliche Ausführungsform mit mehreren Verdampferroh­ ren zeigt die EP 0 526 152 A1.

Eine weitere Ausführungsform zur Verdampfung von flüssi­ gem Kraftstoff ist in der DE 28 21 160 C2 beschrieben. Hier wird die Verdampfungsenthalpie aus von der Brennkam­ mer rezirkurlierenden Heißgasen gewonnen, wobei bereits über dem Kraftstoffilm im Verdampferrohr eine geringfü­ gige Verbrennung auftritt. Noch eine weitere Ausführungs­ form ist in der DE 30 43 698 beschrieben. Hier wird der flüssige Brennstoff in zwei Ströme aufgeteilt, wobei der kleinere Brennstoffstrom verbrannt wird und somit die Verdampfungsenthalpie zum Verdampfen des größeren Brenn­ stoffstromes liefert, der dann gasförmig in der Trieb­ werks-Brennkammer verbrannt wird.

Die bekannten Verfahren zur Überführung flüssigen Kraft­ stoffes in die gasförmige Phase vor dem Einsetzen der Verbrennung sind somit dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsenthalpie durch Strahlung oder Wärmeleitung an den sich als Film auf einer Oberfläche befindenden Kraftstoff herangeführt wird. Dabei wird der Wärmestrom einer brennenden Flamme entnommen. Durchführbar ist die­ ses Verfahren aufgrund der Gefahr der Selbstzündung je­ doch nur für extrem magere Kraftstoff-Luft-Gemische.

Es hat sich gezeigt, daß insbesondere bei hohen Druckver­ hältnissen, wie sie bei höheren Gasturbinen-Lastpunkten auftreten, die Verdampfung zum Erreichen geringer Stick­ oxid-Emissionen jedoch zu langsam abläuft. Ein im Hin­ blick hierauf verbessertes Kraftstoff-Aufbereitungsver­ fahren für eine Gasturbinen-Brennkammer aufzuzeigen, ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß zumindest in höheren Lastpunkten in der Kammer, in der der Kraft­ stoff zumindest teilweise verdampft, ein fettes Kraft­ stoff-Luft-Gemisch eingestellt wird, und daß diesem Ge­ misch vor Eintritt in die Brennkammer ein Zusatzluftstrom beigemengt wird. Eine vorteilhafte Vorrichtung zur erfin­ dungsgemäßen Kraftstoff-Aufbereitung ist in unterschied­ lichen Ausbildungen ebenso wie eine Weiterbildung des er­ findungsgemäßen Verfahrens in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Erfindungsgemäß wird das Verdampferrohr bzw. die Vor­ dampferstrecke mit fettem Gemisch betrieben, so daß wegen der größeren Menge von rasch verdampfendem, leicht flüch­ tigen Kraftstoff-Bestandteilen eine Temperaturabsenkung des kontinuierlich zugeführten Luftstromes rascher er­ folgt, so daß dieses Prinzip der Magerverbrennung mit Kraftstoff-Vorverdampfung auch für höhere Druckverhält­ nisse anwendbar ist. Dabei kann durch das Auftreten sehr fetter Stöchiometrien vorteilhafterweise die Gefahr eines Flammenrückschlages in die Kammer, in der die Verdampfung stattfindet, vermindert werden. Die Wand der insbesondere rohrförmigen Kammer bzw. des Verdampferrohres kann mit einem dünnen Kraftstoffilm, der teilweise ebenfalls an der Oberfläche der Wand verdampft, benetzt sein und stellt somit auch keine Zündquelle mehr dar. Im Falle eines Pumpens des vorgeschalteten Verdichters oder im Falle einer anderweitigen kurzfristigen Drosselung der Luftzufuhr zur Vorverdampferstrecke wird dabei das ohne­ hin fette Gemisch noch fetter, so daß auch derartige un­ erwünschte instationäre Betriebszustände kein Sicher­ heitsrisiko darstellen. Um jedoch in der Primärzone der Brennkammer die gewünschte magere Stöchiometrie zu erhal­ ten, ist zwischen der geschilderten, fetten Vorver­ dampferstrecke bzw. Verdampferkammer/Verdampferrohr sowie dem Brennkammereintritt ein Zusatzluftstrom beizumengen. Vorzusehen ist somit ein geeignetes Luftzumischelement bzw. eine Mischvorrichtung, die von einem herangeführten Zusatzluftstrom beaufschlagt wird.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Kraftstoff-Aufbereitung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besitzt somit eine düsenartige Kammer-Austrittsöffnung, die zur Mischvor­ richtung, die vom herangeführten Zusatzluftstrom beauf­ schlagt wird, hin ausgerichtet ist. Wie üblich ist dabei an oder stromauf der Eintrittsöffnung der Verdampfer-Kam­ mer ein Zerstäuber für den Kraftstoff vorgesehen, der von dem die Verdampfungsenthalpie liefernden Luftstrom um­ spült ist.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand der in Fig. 1 gezeigten Prinzipdarstellung, während Fig. 2 eine Weiter­ bildung zeigt.

Mit der Bezugsziffer 1 ist eine Brennkammer einer Gastur­ bine bezeichnet, in die über einen Brennkammer-Eintritt 2 ein Luft-Kraftstoff-Gemisch eintreten kann. Dieses Luft- Kraftstoff-Gemisch wird zuvor aufbereitet, d. h. der zunächst flüssige Kraftstoff wird verdampft und mit einem Luftstrom vermengt.

Im einzelnen wird hierzu aus einer Zufuhrleitung 3 der flüssige Kraftstoff auf einen Zerstäuber 4 aufgebracht, der diesen Kraftstoff zu einem feinen Tropfenspray zer­ stäubt und gleichmäßig über den Querschnitt des den Zer­ stäuber 4 umgebenden Rohres 5 verteilt. Zusätzlich ge­ langt in dieses Rohr 5 ein Luftstrom 6, der den Zerstäu­ ber 4 umspült und der sich somit stromab des Zerstäubers 4 mit dem zerstäubten Kraftstoff vermischt. Dieser Mi­ schungsprozeß findet statt in einer Kammer 7, die teil­ weise durch den Innenraum des Rohres 5, insbesondere aber durch den Innenraum des sich an das Rohr 5 anschließenden Rohres, dessen Wand mit der Bezugsziffer 8 bezeichnet ist, gebildet wird. Diese Wand 8 begrenzt somit die Kam­ mer 7, in der sich wie geschildert ein Kraftstoff-Luft- Gemisch bildet.

Der Luftstrom 6 wird dabei derart dimensioniert, daß sich in der Kammer 7 ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch ein­ stellt. Beim Durchströmen der Kammer 7 verdampft der Kraftstoff dieses Gemisches zum größten Teil, wobei die hierfür erforderliche Verdampfungsenthalpie im wesentli­ chen dem Luftstrom 6 entnommen wird. Die Verdampfung geht dabei aufgrund der fetten Gemischzusammensetzung relativ rasch vor sich, so daß ideale Voraussetzungen für eine spätere Magerverbrennung mit Kraftstoffvorverdampfung ge­ geben sind.

Um zu verhindern, daß sich unverbrannte Anteile des Kraftstoffes an der Innenseite der Wand 8 anlagern, kann die Wand 8 dieser Kammer 7 derart ausgebildet sein, daß ein Luftübertritt gemäß Pfeilrichtung 9 in die Kammer 7 ermöglicht wird. Hierzu kann die Wand 8 aus einem porösen Werkstoff bestehen und/oder Luftdurchtrittsöffnungen auf­ weisen. Stets tritt durch die Poren bzw. durch die Luft­ durchtrittsöffnungen ein Luftstrom gemäß Pfeilrichtung 9 aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse in die Kammer 7 ein und vermischt sich dabei mit den an der Innenseite der Wand 8 anliegenden Kraftstofftropfen.

Während wie erläutert in der Kammer 7 ein fettes Kraft­ stoff-Luft-Gemisch vorliegt, soll in der Brennkammer 1 ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt werden. Da­ her muß dem aus der Kammer 7 über eine Kammer-Austritts­ öffnung 7b austretenden Gemisch noch ein Zusatzluftstrom 10 beigemengt werden. Dieser Zusatzluftstrom 10 vermengt sich mit dem aus der Kammer 7 austretenden Gemisch in einer sog. Mischkammer 11, in der eine Mischvorrichtung 12 vorgesehen ist. Um eine optimale Vermischung des über Luftschlitze 13 in die Mischkammer 11 eintretenden Zu­ satzluftstromes 10 mit dem aus der Kammer 7 austretenden Gemisch-Strom zu erzielen, ist die Kammer-Austrittsöff­ nung 7b düsenartig ausgebildet und auf die Mischvorrich­ tung 12 hin ausgerichtet.

Die Mischvorrichtung 12 ist so gestaltet, daß sich der Zusatzluftstrom 10 mit dem aus der Kammer 7 austretenden Gemischstrom homogen vermischt. Gleichzeitig wirkt diese Mischvorrichtung 12, stromab derer sich die Brennkammer 1 befindet, als Flammhalter, d. h. die Mischvorrichtung 12 erzeugt ein zur Flammhaltung geeignetes Strömungsfeld. Hierzu ist die Mischvorrichtung 12 wie ersichtlich am Brennkammer-Eintritt 2 angeordnet/befestigt.

Zusätzlich kann vorgesehen sein, über die Mischvorrich­ tung 12 zusätzlichen Kraftstoff zuzuführen. Hierzu kann eine zusätzliche Kraftstoffleitung 14 vorgesehen sein, die an der in dieser Betriebsart als Luftzerstäuber wir­ kenden Mischvorrichtung 12 mündet.

Wird die Gasturbine in der unteren Teillast betrieben, so ist die Temperatur des in die Kammer 7 eintretenden Luft­ stromes 6 nur geringfügig höher als die Verdampfungstem­ peratur der letzten Kraftstofffraktion. Hiermit ergäbe sich somit ein zu geringer Verdampfungsgrad, da die Ver­ dampfungsenthalpie des Luftstromes 6 nicht ausreichen würde, um den gesamten Kraftstoff in der Kammer 7 zu ver­ dampfen. Um diesem Problem abzuhelfen, kann bzw. können - wie Fig. 2 zeigt - neben der Kammer 7 eine oder mehrere weitere Kammern 17 vorgesehen sein, deren Kammer-Aus­ trittsöffnungen 17b ebenso wie die Kammer-Austrittsöff­ nung 7b auf die (gemeinsame) Mischvorrichtung 11 hin aus­ gerichtet sind. Während dann bei höheren Lastpunkten der Gasturbine und somit ausreichender Verdampfungsenthalpie des Luftstromes 6 im wesentlichen nur die Kammer 7 wie oben geschildert mit fettem Gemisch betrieben wird und die weiteren Kammern 17 nur für die Zuführung des Zusatz­ luftstromes 10 vorgesehen sind, können bei niedrigen Luftdrücken und Temperaturen und somit lediglich geringer Luftstrom-Verdampfungsenthalpie alle Kammern 7, 17 mit magerem Gemisch betrieben werden. Daher weisen auch diese zusätzlichen Kammern 17 eintrittsseitig jeweils einen Zerstäuber 4 sowie eine nicht gezeigte Kraftstoff-Zufuhr­ leitung auf.

Bevorzugt wird bei der Ausführungsform nach Fig. 2 somit im unteren Teillastgebiet der Gasturbine in allen Kammern 7, 17 ein im wesentlichen gleiches, mageres Kraftstoff- Luft-Gemisch eingestellt, während bei Vorhandensein einer ausreichenden Verdampfungsenthalpie, d. h. in höheren Lastpunkten, im wesentlichen nur in der zentralen Kammer 7 ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch eingestellt wird. In diesen höheren Lastpunkten dienen wie bereits erwähnt die weiteren Kammern 17 dazu, den Zusatzluftstrom 10 dem aus der Kammer 7 austretenden Gemisch-Strom mit im wesentli­ chen verdampften Kraftstoff beizumengen, wobei die Funk­ tion der in Fig. 1 gezeigten Kraftstoffleitung 14 von den nicht gezeigten Kraftstoff-Zufuhrleitungen sowie den Zerstäubern 4 in den Kammern 17 übernommen werden kann.

Dabei findet selbstverständlich auch in den niedrigeren Lastpunkten, in den in sämtlichen Kammern 7, 17 ein ma­ geres Gemisch eingestellt wird, in all diesen Kammern 7, 17 eine im wesentlichen vollständige Verdampfung des Kraftstoffes statt, da mit diesen geringeren Luftdurch­ sätzen auch keine solch rasche Verdampfung stattfinden muß. Ebenso wie in mittleren und oberen Lastpunkten, in denen in der Kammer 7 erfindungsgemäß ein fettes Gemisch eingestellt wird, stammt dabei jedoch die Verdampfungs­ enthalpie vollständig aus dem die Kammer durchströmenden Luftstrom 6. Stets ist somit eine optimale Magerverbren­ nung in der Brennkammer 1 mit Kraftstoffvorverdampfung in einer Verdampferstrecke bzw. der Kammer 7 (17) gewährlei­ stet.

Claims (7)

1. Verfahren zur Kraftstoff-Aufbereitung für eine Gasturbinen-Brennkammer, wobei kontinuierlich flüs­ siger Kraftstoff sowie ein Luftstrom (6) in eine insbesondere rohrförmige Kammer (7) eingeleitet wer­ den, in der der Kraftstoff zumindest teilweise ver­ dampft und anschließend unverbrannt mit dem Luft­ strom (7) zur Brennkammer (1) hin abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in höheren Lastpunkten in dieser Kammer (7) ein fettes Kraft­ stoff-Luft-Gemisch eingestellt wird, und daß diesem Gemisch vor Eintritt in die Brennkammer (1) ein Zu­ satzluftstrom (10) beigemengt wird.

2. Vorrichtung zur Kraftstoff-Aufbereitung gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, mit einem an oder strom­ auf der Kammer-Eintrittsöffnung vorgesehenen, vom Luftstrom (6) umspülten Zerstäuber (4) für den Kraftstoff, gekennzeichnet durch eine düsenartig ausgebildete, auf eine Mischvorrichtung (12), die vom herangeführ­ ten Zusatzluftstrom (10) beaufschlagt wird, hin aus­ gerichtete Kammer-Austrittsöffnung (7b).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (8) der Kammer (7) einen Luftübertritt (9) in die Kammer (7) ermög­ licht und hierzu porös ausgebildet ist und/oder Luftdurchtrittsöffnungen aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischvorrichtung (5) am Brennkammer-Eintritt (2) angeordnet ist und als Flammhalter wirkt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischvorrichtung (12) flüssiger Zusatzkraftstoff zuführbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kammern (7, 17) mit ihren Austrittsöffnungen (7b, 17b) auf eine ge­ meinsame Mischvorrichtung (12) hin ausgerichtet sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bei Einsatz einer Vorrich­ tung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei höheren Lastpunkten aufgrund ausreichender Verdampfungsenthalpie des Luftstromes (6) eine der Kammern (7) fett betrieben wird und über die andere(n) Kammer(n) der Zusatz­ luftstrom (10) herangeführt wird, während bei gerin­ ger Luftstrom-Verdampfungsenthalpie in allen Kammern (7, 17) ein im wesentlichen gleiches, mageres Ge­ misch eingestellt wird.