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DE60028910T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Emissionen in einer Brennkammer - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Emissionen in einer Brennkammer Download PDF

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DE60028910T2
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Germany
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downstream
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DE60028910T
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DE60028910D1 (de
Inventor
Harjit Singh Cincinnati Hura
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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Publication of DE60028910T2 publication Critical patent/DE60028910T2/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D23/00—Assemblies of two or more burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/106—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting at the burner outlet
    • F23D11/107—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting at the burner outlet at least one of both being subjected to a swirling motion

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Description

  • Diese Erfindung betrifft Brennkammern und insbesondere Gasturbinenbrennkammern.
  • Sorgen über die Luftverschmutzung haben weltweit sowohl national als auch international zu strengeren Emissionsstandards geführt. Flugzeuge sind sowohl durch Standards der Environmental Protection Agency (EPA) als auch durch Standards der International Civil Aviation Organization (ICAO) geregelt. Diese Standards regeln die Emission von Stickoxiden (NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) von Flugzeugen in der Umgebung eines Flughafens, wo sie zu fotochemischen Smogproblemen von Städten beitragen. Die meisten Flugtriebwerke sind in der Lage, die momentanen Emissionsstandards durch Verwendung von Brennkammertechnologien und Theorien zu erfüllen, die sich über die vergangenen 50 Jahre der Triebwerkentwicklung hinweg bewehrt haben. Jedoch ist mit dem Aufkommen eines stärkeren Umweltbewusstseins weltweit nicht sichergestellt, dass künftige Emissionsstandards innerhalb der Leistungsfähigkeit momentaner Brennkammertechnologien liegen werden. Es werden neue Konstruktionen und Technologien erforderlich sein, um strengere Standards zu erfüllen.
  • Im Allgemeinen werden diese Emissionen in zwei Klassen unterteilt: diejenigen, die aufgrund hoher Flammentemperaturen gebildet werden (NOx), und diejenigen, die aufgrund niedriger Flammentemperaturen gebildet werden, die der Brennstoff-Luft-Reaktion nicht ermöglichen, bis zum Ende abzulaufen (HC und CO). Es existiert ein kleines Fenster, in dem beide Schadstoffe minimiert sind. Damit dieses Fenster wirksam wird, müssen jedoch die Reaktionspartner gut miteinander vermischt sein, so dass die Verbrennung gleichmäßig über dem Gemisch ohne heiße Staupunkte bzw. Hot Spots, in denen NOx erzeugt wird, oder kalte Staupunkte bzw. Cold Spots, in denen CO und HC erzeugt werden, stattfinden kann. Hot Spots werden dort erzeugt, wo das Gemisch aus Brennstoff und Luft nahezu in einem bestimmten Verhältnis vorliegt, bei dem der gesamte Brennstoff und die gesamte Luft reagieren (d.h. in den Produkten kein unverbrannter Brennstoff oder keine Luft vorhanden ist). Dieses Gemisch wird als stöchiometrisch bezeichnet. Cold Spots können auftreten, wenn entweder zu viel Luft in den Produkten vorhanden ist (was als magere Verbrennung bezeichnet wird) oder wenn zu viel Brennstoff in den Produkten vorhanden ist (was als fette Verbrennung bezeichnet wird).
  • Moderne Gasturbinenbrennkammern bestehen aus zwischen 10 und 30 Mischern, die Luft hoher Geschwindigkeit mit einem feinen Brennstoffsprühstrahl mischen. Diese Mischer bestehen aus einer einzelnen Brennstoffeinspritzquelle, die in der Mitte einer Vorrichtung angeordnet ist, die dazu vorgesehen ist, die ankommende Luft zu verwirbeln, um die Flammenstabilisierung und Vermischung zu verbessern. Sowohl die Brennstoffeinspritzeinrichtung als auch der Mischer sind auf dem Brennkammerdom angeordnet. Im Allgemeinen ist das Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft in dem Mischer fett. Weil das Brennstoff-Luft-Verhältnis der gesamten Brennkammer von Gasturbinenbrennkammern mager ist, wird durch einzelne Verdünnungslöcher vor dem Austritt aus der Brennkammer zusätzliche Luft hinzugefügt. Eine schlechte Vermischung und Hot Spots können beide an dem Dom, in dem der injizierte Brennstoff vor der Verbrennung verdampfen und sich vermischen muss, und in der Umgebung der Verdünnungslöcher auftreten, wo Luft zu dem fetten Domgemisch hinzugefügt wird. Wenn sie richtig entworfen sind, bilden fette Dombrennkammern sehr stabile Vorrichtungen mit weiten Entzündbarkeitsgrenzen und können niedrige HC- und CO-Emissionen sowie akzeptable NOx- Emissionen erzielen. Jedoch existiert bei fetten Dombrennkammern eine grundlegende Einschränkung, weil das fette Domgemisch durch stöchiometrische oder maximales NOx erzeugende Regionen hindurch treten muss, bevor es die Brennkammer verlässt. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, weil das Betriebsdruckverhältnis (OPR Operating Pressure Ratio) moderner Gasturbinen aufgrund verbesserter Prozesswirkungsgrade und Kompaktheit steigt, so dass die Einlasstemperaturen und -drücke der Brennkammer die Rate der NOx-Erzeugung drastisch erhöhen. Da Emissionsstandards immer strenger werden und das OPR steigt, erscheint es unwahrscheinlich, dass herkömmliche fette Dombrennkammern in der Lage sein werden, die Anforderungen zu erfüllen.
  • Magere Dombrennkammern haben das Potential, einige dieser Probleme zu lösen. Ein derartiger momentaner Aufbau einer mageren Dombrennkammer nach dem Stand der Technik wird als Doppelringbrennkammer (DAC, Dual Annular Combustor) bezeichnet, weil sie zwei in Radialrichtung gestapelte Mischer an jeder Brennstoffdüse enthält, was bei einer Betrachtung von der Vorderseite der Brennkammer aus wie zwei kreisringförmige Ringe erscheint. Die zusätzliche Reihe von Mischern ermöglicht dem Aufbau, für den Betrieb bei unterschiedlichen Bedingungen abgestimmt zu werden. Im Leerlauf wird der äußere Mischer mit Brennstoff versorgt, der dazu vorgesehen ist, unter Leerlaufbedingungen effizient zu arbeiten. Bei hohen Leistungen werden beide Mischer mit Brennstoff versorgt, wobei der Großteil des Brennstoffs und der Luft zu dem inneren Ringraum geliefert wird, der dazu vorgesehen ist, am effizientesten und mit geringen Emissionen bei hohen Leistungen zu arbeiten. Ein derartiger Aufbau bildet einen Kompromiss zwischen niedrigen NOx- und CO/HC-Emissionen. Während die Mischer abgestimmt sind, um bei jedem Dom einen optimalen Betrieb zu ermöglichen, löscht die Begrenzung zwischen den Domen die CO-Reaktion über einem größe ren Bereich, was den CO-Gehalt dieser Konstruktionen höher werden lässt als bei ähnlichen fetten Einzelring-Dombrennkammern (SAC, Single Annular Combustor). Diese Anwendung ist jedoch seit mehreren Jahren ziemlich erfolgreich im Einsatz und bildet einen hervorragenden Kompromiss zwischen Emissionen bei niedriger Leistung und NOx-Emissionen bei hoher Leistung.
  • Andere neuere Konstruktionen lindern die vorstehend beschriebenen Probleme durch die Verwendung eines neuen mageren Dombrennkammerkonzeptes. Anstatt die Pilot- und Hauptstufen in gesonderte Dome aufzutrennen und eine deutliche CO-Einfangzone an der Schnittstelle zu erzeugen, enthält der Mischer zueinander konzentrische, jedoch voneinander verschiedene Pilot- und Hauptluftströme innerhalb der Vorrichtung. Jedoch ist bei diesen Konstruktionen die gleichzeitige Steuerung der CO/HC-Emission bei niedriger Leistung und der Rauchemission schwierig, weil eine Steigerung der Brennstoff/Luft-Vermischung häufig zu hohen CO/HC-Emissionen führt und umgekehrt. Die wirbelnde Hauptluft neigt in natürlicher Weise dazu, die Pilotflamme mitzureißen und diese zu ersticken. Um zu verhindern, dass der Brennstoffsprühstrahl in die Hauptluft mitgerissen wird, setzt der Piloteinrichtung einen Sprühstrahl mit einem schmalen Sprühwinkel ein. Dies hat eine Langstrahlflammencharakteristik einer Strömung mit einer geringen Drallzahl zur Folge. Derartige Pilotflammen erzeugen hohe Rauch-, Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen und weisen eine schlechte Stabilität auf.
  • EP 0 924 459 beschreibt einen venturilosen Drallerzeuger für ein Gasturbinentriebwerk.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion einer Menge von Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff emissionen sowie Rauch aus einer Gasturbinenbrennkammer gemäß Patentanspruch 1 sowie die Kombination aus einem Basisdruckluftverteiler und einer Verteilerverlängerung gemäß Patentanspruch 1 und eine Gasturbinenbrennkammer gemäß Patentanspruch 7.
  • Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform arbeitet eine Brennkammer mit einem hohen Verbrennungswirkungsgrad und bei niedrigen Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff- und Rauchemissionen. Die Brennkammer gemäß der Erfindung enthält eine Brennstoffeinspritzeinrichtung zur Einspritzung von Brennstoff in die Brennkammer, einen Basisdruckluftpilotverteiler, der eine stromabwärts liegende Seite enthält, die in Richtung auf eine Symmetrieachse eines Zentralkörpers konvergiert, und eine Verteilerverlängerung. Die Verteilerverlängerung enthält einen konvergierenden stromaufwärts befindlichen Abschnitt, der an dem Pilotverteiler angebracht ist, einen divergierenden stromabwärts befindlichen Abschnitt und einen Zwischenabschnitt, der sich zwischen dem stromaufwärts befindlichen Abschnitt und dem stromabwärts befindlichen Abschnitt erstreckt.
  • Die Verteilerverlängerung erhöht eine effektive Drallzahl einer Pilotströmung für einen Winkel eines inneren und eines äußeren Leitelementes. Die erhöhte effektive Drallzahl hat eine stärkere Rezirkulationszone auf der Achse zur Folge. Ein rezirkuliertes Gas liefert Sauerstoff zur Vervollständigung der Verbrennung in dem brennstoffreichen Pilotdrallerzeuger, ruft eine intensive Vermischung und hohe Verbrennungsraten hervor und brennt in der Flamme erzeugten Ruß ab. Die Verteilerverlängerung ermöglicht eine Drall stabilisierte Flamme bei kleinen Leitelementwinkeln. Die Verteilerverlängerung verringert auch die Geschwindigkeit des Pilotbrennstoffs, der in die Brennkammer injiziert wird, und die Geschwindigkeit des inneren Pilotluftstroms. Die geringen Geschwindigkeiten verbessern die Vermischung zwischen Brennstoff und Luft und erhöhen die Verweildauer des Brennstoffs in der Flamme. Eine Brennstoffmitnahme und Übertragung in den äußeren Pilotluftstrom werden ebenfalls durch die Verteilerverlängerung verringert. Schließlich verzögert die Verteilerverlängerung physisch die Vermischung zwischen dem inneren und dem äußeren Pilotluftstrom und bewirkt dadurch, dass eine Vermischung aufgrund der geringen Geschwindigkeiten der Pilotluftströme an dem Austritt der Verteilerverlängerung weniger stark ist. Im Ergebnis ist eine Brennkammer geschaffen, die mit einem hohen Verbrennungswirkungsgrad arbeitet, während sie geringe Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff- und Rauchemissionen aufrechterhält.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung ist nun zu Beispielszwecken mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, in denen zeigen:
  • 1 eine schematisierte Darstellung eines Gasturbinentriebwerks, das eine Brennkammer enthält; und
  • 2 eine Querschnittsansicht der in 1 veranschaulichten Brennkammer, die eine Verteilerverlängerung enthält.
  • 1 zeigt eine schematisierte Darstellung eines Gasturbinentriebwerks 10, das einen Niederdruckverdichter 12, einen Hochdruckverdichter 14 und eine Brennkammer 16 enthält. Das Triebwerk 10 enthält ferner eine Hochdruckturbine 18, eine Niederdruckturbine 20 und eine Leistungsturbine 22.
  • Im Betrieb strömt Luft durch den Niederdruckverdichter 12, und komprimierte Luft wird von dem Niederdruckverdichter 12 zu dem Hochdruckverdichter 14 geliefert. Die stark komprimierte Luft wird der Brennkammer 16 zugeführt. Eine von der Brennkammer 16 herrührende Luftströmung treibt die Turbinen 18, 20 und 22 an.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht der (in 1 veranschaulichten) Brennkammer 16 für ein (nicht veranschaulichtes) Gasturbinentriebwerk. In einer Ausführungsform ist das Gasturbinentriebwerk ein GE 90, das von der General Electric Company, Evendale, Ohio, erhältlich ist. Alternativ kann das Gasturbinentriebwerk ein von der General Electric Company, Evandale, Ohio, erhältliches F110-Triebwerk sein. Die Brennkammer 16 enthält einen Zentralkörper 42, einen Hauptdrallerzeuger 43, einen äußeren Pilotdrallerzeuger 44, einen inneren Pilotdrallerzeuger 46 und eine Pilotbrennstoffeinspritzeinrichtung 48. Der Zentralkörper 42 weist eine Symmetrieachse 60 auf und ist im Wesentlichen zylindrisch mit einem (nicht veranschaulichten) ringförmigen Querschnittsprofil gestaltet. Eine (nicht veranschaulichte) innere Flamme, die manchmal als ein Pilot oder eine Pilotflamme bezeichnet wird, ist eine Sprühdiffusionsflamme, die vollständig ausgehend von Gasturbinenstartbedingungen mit Brennstoff beliefert wird. Bei erhöhten Leistungseinstellungen des Gasturbinentriebwerks wird in die Brennkammer 16 zusätzlicher Brennstoff durch (nicht veranschaulichte) Brennstoffeinspritzeinrichtungen injiziert, die in dem Zentralkörper 42 angeordnet sind.
  • Die Pilotbrennstoffeinspritzeinrichtung 48 enthält eine Symmetrieachse 62 und ist in dem Zentralkörper 42 derart positioniert, dass die Symmetrieachse 62 der Brennstoffeinspritzeinrichtung im Wesentlichen koaxial zu der Symmetrieachse 60 des Zentralkörpers verläuft. Die Brennstoffeinspritzeinrichtung 48 injiziert Brennstoff in die Piloteinrichtung und enthält eine Einlassseite 64, eine Auslassseite 66 und einen Körper 68, der sich zwischen der Einlassseite 64 und der Auslassseite 66 erstreckt. Die Auslassseite 66 enthält eine zusammenlaufende Auslassdüse 70, die eine Brennstoffströmung 72 von der Brennstoffeinspritzeinrichtung 48 nach außen im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieachse 60 des Zentralkörpers leitet.
  • Der innere Pilotdrallerzeuger 46 ist ringförmig und in Umfangsrichtung um die Pilotbrennstoffeinspritzeinrichtung 48 herum angeordnet. Der innere Pilotdrallerzeuger 46 enthält eine Einlassseite 80 und eine Auslassseite 82. Ein innerer Pilotluftstrom 84 tritt an der Einlassseite 80 des inneren Pilotdrallerzeugers ein und tritt an der Auslassseite 82 aus.
  • Stromabwärts von dem inneren Pilotdrallerzeuger 46 ist ein Basisdruckluftpilotverteiler 90 positioniert. Der Basisdruckluftpilotverteiler 90 enthält eine stromaufwärts befindliche Seite 92 und eine stromabwärts befindliche Seite 94. Die stromaufwärts liegende Seite 92 enthält einen vorderen Rand 96 und weist einen Durchmesser 98 auf, der von dem vorderen Rand 96 bis zu der stromabwärts liegenden Seite 94 konstant ist. Die stromaufwärts befindliche Seite 92 enthält eine Innenfläche 99, die im Wesentlichen parallel und benachbart zu dem inneren Pilotdrallerzeuger 46 angeordnet ist.
  • Die stromabwärts befindliche Seite 94 des Basisdruckluftpilotverteilers erstreckt sich von der stromaufwärts liegenden Seite 92 bis zu einem hinteren Rand 100 des Basisdruckluftpilotverteilers 90. Der hintere Rand 100 weist einen Durchmesser 102 auf, der kleiner ist als der Durchmesser 98 der stromaufwärts befindlichen Seite. Die stromabwärts befindliche Seite 94 läuft in Richtung auf die Pilotbrennstoffeinspritzeinrichtung 48 unter einem Winkel 104 in Bezug auf die Symmetrieachse 60 des Zentralkörpers zusammen.
  • Der äußere Pilotdrallerzeuger 44 erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht von dem Basisdruckluftpilotverteiler 90 aus und ist an einer profilierten Wand 110 befestigt. Die profilierte Wand 110 ist an dem Zentralkörper 42 angebracht. Der äußere Pilotdrallerzeuger 44 ist ringförmig und in Umfangsrichtung um den Basisdruckluftpilotverteiler 90 herum angeordnet. Der äußere Pilotdrallerzeuger 44 weist eine Einlassseite 112 und eine Auslassseite 114 auf. Ein äußerer Pilotluftstrom 116 tritt in die Einlassseite 112 des äußeren Pilotdrallerzeugers ein und wird unter einem Winkel 118 ausgerichtet.
  • Stromabwärts von dem Basisdruckluftpilotverteiler 90 ist eine Verteilerverlängerung 120 angeordnet. Die Verteilerverlängerung 120 enthält einen stromaufwärts befindlichen Abschnitt 122, einen stromabwärts befindlichen Abschnitt 124 und einen Zwischenabschnitt 126, der sich zwischen dem stromaufwärts liegenden Abschnitt 122 und dem stromabwärts liegenden Abschnitt 124 erstreckt. Der stromaufwärts befindliche Abschnitt 122 weist einen ersten Durchmesser 130, eine Innenfläche 132 und eine Außenfläche 134 auf. Die Innenfläche 132 des stromaufwärts befindlichen Abschnitts 122 der Verteilerverlängerung ist konvergierend bzw. zusammenlaufend ausgebildet und an der stromabwärts befindlichen Seite 94 des Basisdruckluftpilotverteilers 90 angebracht. Der Zwischenabschnitt 126 erstreckt sich von dem stromaufwärts befindlichen Abschnitt 122 und konvergiert in Richtung auf die Symmetrieachse 60 des Zentralkörpers. Der Zwischenabschnitt 126 enthält einen zweiten Durchmesser 140, der kleiner ist als der Durchmesser 130 des stromaufwärts befindlichen Abschnitts, eine Innenfläche 142 und eine Außenfläche 144. Der stromabwärts befindliche Abschnitt 124 erstreckt sich von dem Zwischenabschnitt 126 aus und enthält eine Innenfläche 150, eine Außenfläche 152 und einen dritten Durchmesser 154. Der stromabwärts befindliche Abschnitt 124 divergiert von der Symmetrieachse 60 des Zentralkörpers aus, so dass folglich der dritte Durchmesser 154 größer ist als der zweite Durchmesser 140 des Zwischenabschnitts.
  • Der stromabwärts befindliche Abschnitt 124 der Verteilerverlängerung läuft in Richtung der profilierten Wand 110 auseinander. Die profilierte Wand 110 enthält einen Scheitel oder eine Spitze, der bzw. die zwischen einem konvergierenden Abschnitt 158 der profilierten Wand 110 und einem divergierenden Abschnitt 160 der profilierten Wand 110 angeordnet ist. Die Verteilerverlängerung 120 enthält eine Länge 168, die sich von dem stromaufwärts befindlichen Abschnitt 122 der Verteilerverlängerung bis zu dem stromabwärts befindlichen Abschnitt 124 der Verteilerverlängerung erstreckt. Die profilierte Wand 110 erstreckt sich zu dem Hauptdrallerzeuger 43. Der Hauptdrallerzeuger 43 ist in Umfangsrichtung um die profilierte Wand 110 herum angeordnet und leitet eine verwirbelte Luftströmung 170 in einen Brennkammerhohlraum 178.
  • Im Betrieb tritt der innere Pilotluftstrom 84 an der Einlassseite 80 des inneren Pilotdrallerzeugers ein und wird von der Auslassseite 82 des inneren Drallerzeugers aus nach außen beschleunigt. Der innere Luftstrom 84 strömt im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieachse 60 des Zentralkörpers und trifft auf den Basisdruckluftverteiler 90 auf. Der Pilotverteiler 90 richtet die innere Luftströmung 84 in einer Drallbewegung in Richtung der Brennstoffströmung 72 unter einem Winkel 104 aus. Der innere Luftstrom 84 prallt auf die Brennstoffströmung 72 auf, um sich zu vermischen und die Brennstoffströmung 72 zu zerstäuben, ohne dass ein (nicht veranschaulichtes) Sprühmuster, das die Pilotbrennstoffeinspritzeinrichtung 48 verlässt, kollabiert.
  • Gleichzeitig wird der äußere Pilotluftstrom durch den äußeren Pilotdrallerzeuger 44 beschleunigt. Der äußere Luftstrom 116 verlässt den äußeren Drallerzeuger 44, indem er im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieachse 60 des Zentralkörpers strömt. Der äußere Luftstrom 116 strömt weiter im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieachse 60 des Zentralkörpers und trifft auf die profilierte Wand 110 auf. Die profilierte Wand 110 lenkt den äußeren Luftstrom 116 unter dem Winkel 118 in Richtung auf die Symmetrieachse des Zentralkörpers in einer Drallbewegung aus. Der äußere Luftstrom 116 strömt weiter in Richtung auf die Symmetrieachse 60 des Zentralkörpers und prallt auf die Außenfläche 134 des stromaufwärts befindlichen Abschnitts der Verteilerverlängerung auf.
  • Die stromaufwärts befindliche Außenfläche 134 der Verteilerverlängerung richtet den Luftstrom 116 in Richtung auf die Außenfläche 144 des Zwischenabschnitts der Verteilerverlängerung aus, an der die Luftströmung 116 erneut in Richtung auf den divergierenden Abschnitt 160 der profilierten Wand umgelenkt wird. Der äußere Luftstrom 116 strömt über die Längserstreckung 168 der Verlängerung und strömt weiter im Wesentlichen parallel zu der profilierten Wand 110, bis er mit dem Luftstrom 170 zusammenstößt, der den Hauptdrallerzeuger 43 verlässt.
  • Der innere Pilotluftstrom 84 prallt auf die Brennstoffströmung 72 auf, um ein Gemisch aus Brennstoff und Luft zu erzeugen, das durch die Verteilerverlängerung 120 strömt. Die Verteilerverlängerung 120 verlangsamt die Geschwindigkeit des Gemisches und erhöht dadurch die Dauer der Verweilzeit des Gemisches in dem Zentralkörper 42. Die verlängerte Verweilzeitdauer ermöglicht eine stärkere Verdampfung und verbessert die Vermischung der Brennstoffströmung 72 mit dem inneren Pilotluftstrom 84. Die niedrige Geschwindigkeit ermöglicht ferner dem Gemisch, mehr Zeit innerhalb einer (nicht veranschaulichten) Pilotflamme zu verbringen, um ein eher vollständiges Verbrennen des Gemisches zu erzielen. Die Verteilerverlängerung 120 erhöht eine Pilotdrallzahl und bringt die Flamme in das Innere des Zentralkörpers 42, wodurch sie im Wesentlichen die Flammenstabilität verbessert und Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff- und Rauchemissionen verringert.
  • Die Länge 168 der Verteilerverlängerung ermöglicht der Verteilerverlängerung 120, die äußere Pilotluftströmung 116 von der inneren Pilotluftströmung 84 zu isolieren, und verzögert irgendeine Vermischung zwischen den Strömen 84 und 116. Die Länge 168 der Verteilerverlängerung ermöglicht ferner eine individuelle Steuerung des inneren Pilotluftstroms 84 und des äußeren Pilotluftstroms 116, was eine geringere Brennstoffmitnahme oder -übertragung durch den äußeren Pilotluftstrom 116 zur Folge hat. Eine individuelle Steuerung des inneren Pilotluftstroms 84 und des äußeren Pilotluftstroms 116 ermöglicht es, die Geschwindigkeit des äußeren Pilotluftstroms 116 zu verringern. Eine Verringerung der axialen Geschwindigkeit des äußeren Pilotluftstroms 116 führt eine kleinere Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem inneren Pilotluftstrom 84 und dem äußeren Pilotluftstrom 116 herbei. Die kleinere Geschwindigkeit erhöht die Verweildauer und verringert die Brennstoffmitnahme und Erstickung durch den äußeren Pilotluftstrom 116. Im Ergebnis arbeitet die Brennkammer 16 mit einem hohen Wirkungsgrad und bei geringen Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen.
  • Die Erhöhung der Pilotdrallzahl, die durch die Verteilerverlängerung 120 bewirkt wird, hat eine starke axiale Rezirkulationszone 180 zur Folge, die in Verbindung mit der verminderten Geschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Pilotgemisches einen (nicht veranschaulichten) starken Rücksog in dem Zentralkörper 42 erzeugt, der bewirkt, dass alle unverbrannten Verbrennungsprodukte (nicht veranschaulicht) wieder der Pilotflamme zugeführt werden. Infolge des Rücksogs oder der umgekehrten Luftströmung wird der Verbrennungswirkungsgrad wesentlich verbessert. Außerdem bringt das wieder umlaufende Verbrennungsgas Sauerstoff von dem Hauptluftstrom 170 in die Pilotflamme ein. Infolgedessen wird in der Pilotflamme erzeugter (nicht veranschaulichter) Ruß abgebrannt und nicht emittiert.
  • Die vorstehend beschriebene Brennkammer ist kostengünstig und sehr zuverlässig. Die Brennkammer enthält eine Verteilerverlängerung bzw. einen Verteilerfortsatz, die bzw. der einen stromaufwärts befindlichen Abschnitt, einen stromabwärts befindlichen Abschnitt und einen dazwischen befindlichen Abschnitt enthält, der sich zwischen dem stromaufwärts befindlichen Abschnitt und dem stromabwärts befindlichen Abschnitt erstreckt. Der stromaufwärts befindliche Abschnitt verläuft divergierend und erstreckt sind zu einem konvergierenden Zwischenabschnitt. Der konvergierende Zwischenabschnitt erstreckt sich bis zu einem divergierenden stromabwärts befindlichen Abschnitt. Infolge der Verteilerverlängerung ist eine Brennkammer geschaffen, die mit geringer Brennstoffmitnahme und erhöhter Verweildauer eines Brennstoff/Luft-Gemisches in einem Zentralkörperabschnitt der Brennkammer arbeitet. Somit ist eine Brennkammer geschaffen, die bei einem hohen Verbrennungswirkungsgrad und mit geringen Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff- und niedrigen Rauchemissionen arbeitet.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Reduktion einer Menge von Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen und Rauch aus einer Gasturbinenbrennkammer (16) unter Verwendung einer Verteilerverlängerung (120), wobei die Brennkammer eine Pilotbrennstoffeinspritzeinrichtung (48) und einen Basisdruckluftpilotverteiler (90) mit einem konvergierenden Abschnitt (94) sowie einen Zentralkörper (42) enthält, wobei der konvergierende Abschnitt (94) stromabwärts zu einem Ende verläuft, wobei die Verteilerverlängerung einen konvergierenden stromaufwärts befindlichen Abschnitt (122), einen divergierenden stromabwärts befindlichen Abschnitt (124) und einen dazwischen liegenden Abschnitt (126) enthält, der sich zwischen dem stromaufwärts befindlichen Abschnitt und dem stromabwärts befindlichen Abschnitt erstreckt, wobei der stromaufwärts befindliche Abschnitt einen ersten Durchmesser (130) aufweist und an dem Basisdruckluftpilotverteiler befestigt ist, wobei der stromabwärts befindliche Abschnitt einen Durchmesser (154) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Einspritzen von Brennstoff in die Brennkammer und Einleiten eines Luftstroms (116) in die Brennkammer in einer derartigen Weise, dass der Luftstrom durch den Basisdruckluftverteiler hindurch in die Verteilerverlängerung (120) gelangt, die an dem Ende des konvergierenden Abschnitts des Basisdruckluftverteilers angebracht ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt der Leitung des Luftstroms (116) in die Brennkammer (16) in einer derartigen Weise aufweist, dass der Luftstrom um den Basisdruckluftverteiler (90) herum und um den konvergierenden stromaufwärts befindlichen Abschnitt (122), den Zwischenabschnitt (124) und den divergierenden stromabwärts befindlichen Abschnitt (126) der Verteilerverlängerung herum vorbeiströmt.
  3. Kombination aus einem Basisdruckluftpilotverteiler (90) und einer Verlängerung (120) für eine Gasturbinenbrennkammer (16), wobei der Basisdruckluftpilotverteiler (90) einen konvergierenden Abschnitt (94) enthält, wobei die Verlängerung einen stromaufwärts befindlichen Abschnitt (122), einen stromabwärts befindlichen Abschnitt (124) und einen dazwischen liegenden Abschnitt (126) aufweist, der sich zwischen dem stromaufwärts befindlichen Abschnitt und dem stromabwärts befindlichen Abschnitt erstreckt, wobei der stromaufwärts befindliche Abschnitt einen ersten Durchmesser (130) aufweist, wobei der stromabwärts befindliche Abschnitt einen zweiten Durchmesser (140) aufweist, wobei der stromaufwärts befindliche Abschnitt zur Befestigung an einem stromabwärts befindlichen Ende des Basisdruckluftpilotverteilers vorgesehen ist.
  4. Kombination nach Anspruch 3, wobei der dazwischen liegende Abschnitt (126) einen dritten Durchmesser (154) aufweist.
  5. Kombination nach Anspruch 4, wobei der dritte Durchmesser (154) des dazwischen liegenden Abschnitts kleiner ist als der erste Durchmesser (130) des stromaufwärts befindlichen Abschnitts und kleiner ist als der zweite Durchmesser des stromabwärts befindlichen Abschnitts.
  6. Kombination nach Anspruch 5, wobei der Basisdruckluftpilotverteiler (90) eine stromaufwärts befindliche Seite (92) und eine stromabwärts befindliche Seite (94) aufweist, wobei die stromabwärts befindliche Seite einen Durchmesser (102) aufweist, wobei der erste Durchmesser (130) des stromaufwärts befindlichen Abschnitts der Verlängerung größer ist als der Durchmesser (102) der stromabwärts befindlichen Seite des Druckluftpilotverteilers.
  7. Brennkammer (16) für eine Gasturbine (10), die aufweist: eine Brennstoffeinspritzeinrichtung (48); einen Zentralkörper (42), der einen ringförmigen Körper und eine Symmetrieachse (62) aufweist, wobei die Brennstoffeinspritzeinrichtung in dem Zentralkörper angeordnet ist; einen Basisdruckluftpilotverteiler (90), der eine stromaufwärts befindliche Seite (92) und eine stromabwärts befindliche Seite (94) aufweist, wobei die stromabwärts befindliche Seite in Richtung auf die Symmetrieachse des Zentralkörpers konvergiert; und eine Verteilerverlängerung (120), die einen konvergierenden stromaufwärts befindlichen Abschnitt (122), einen divergierenden stromabwärts befindlichen Abschnitt (124) und einen dazwischen liegenden Abschnitt (126) aufweist, der sich zwischen dem stromaufwärts befindlichen Abschnitt und dem stromabwärts befindlichen Abschnitt erstreckt, wobei der stromaufwärts befindliche Abschnitt an einem hinteren Rand des Basisdruckluftpilotverteilers angebracht ist.
  8. Brennkammer (16) nach Anspruch 7, wobei der dazwischen liegende Abschnitt (126) der Verteilerverlängerung in Richtung auf die Symmetrieachse (60) des Zentralkörpers konvergiert.
  9. Brennkammer (16) nach Anspruch 8, wobei der stromaufwärts befindliche Abschnitt (122) der Verteilerverlängerung einen ersten Durchmesser (130) aufweist, der dazwischen liegende Abschnitt (126) der Verteilerverlängerung einen zweiten Durchmesser (140) aufweist und der stromabwärts befindliche Abschnitt (124) der Verteilerverlängerung einen dritten Durchmesser (154) aufweist, wobei der zweite Durchmesser kleiner ist als der erste Durchmesser.
  10. Brennkammer (16) nach Anspruch 9, wobei der zweite Durchmesser (140) des Zwischenabschnitts der Verteilerverlängerung kleiner ist als der dritte Durchmesser (154) des stromabwärts befindlichen Abschnitts.
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