DE3217674A1 - Combustor fuer eine gasturbine - Google Patents

Combustor fuer eine gasturbine

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Yoshimitsu Minakawa
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Isao Saito
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    • 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
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
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    • 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

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 6 bzw. 8.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen Gasturbinencombustor, der die bei der Verbrennung erzeugten schädlichen Gase, insbesondere Stickoxide oder NO und Kohlenmonoxide oder CO verrih-
Ji, ,
gern kann.
NO , CO usw., die bei der Verbrennung in einem Gasturbinencombustör erzeugt werden und in den Abgasen enthalten sind, sind schädliche Substanzen, die eine Luftverunreinigung verursachen. Sie werden verringert, bei gleichzeitiger Verbesserung der Verbrennungsleistung des Combustors. Unter den schädlichen Substanzen wird NO eher in einem Brenngas hoher Temperatur als im Verbrennungsbereich des Combustors erzeugt. Der Combustor unterdrückt die Erzeugung von NO zur Herabsetzung der Temperatur des Hochtemperaturverbrennungsgases. Als Massnahme für die Herabsetzung von NO gibt es das trockene Verfahren, bei der die sogenannte dünne Verbrennung bei niedrigen Temperaturen durch Liefern von übermässiger Verbrennungsluft erfolgt. Dieses Verfahren nutzt die Luft zur Verbrennung aus und kann das ^ NO ziemlich wirksam verringern, wenn beim Verbrennungsvorgang eine gleichmässige Niedertemperaturverbrennung erfolgt.
Andererseits entsteht gemäss einem Aspekt CO in einem durch.Luftmangel bedingten unverbrannten Anteil und gemäss einem weiteren Aspekt, bei dem der Verbrennungsvorgang durch Unterkühlung unterbrochen wird, auf Grund einer übermässigen Luftzufuhr, so dass sich der unverbrannte Anteil CO entwickelt. Bei der Gasturbine wird das CO durch den letzteren der Unterkühlung zuzuschreibenden Aspekt erzeugt.
Wenn demnach NO durch das dünne Niedertemperaturverbrennungsverfahren verringert wird, tritt leicht eine Unterkühlung auf, die
eine erhöhte CO-Erzeugung ergibt. Beim Gasturbinencombustor, der das dünne Niedertemperaturverbrennungsverfahren anwendet, müssen die Verringerung von NO und die dem entgegengesetzte Verringerung von CO gleichzeitig erfolgen. Es ist demnach ein wichtiger Punkt zur gleichzeitigen Verringerung von NO und CO, dass die Flammen durch die Verwendung der geringstmöglichen Überschussluft gleichmässig und wirksam abgekühlt werden und dass die unterkühlenden Teile verhindert werden.
Als Combustor, der gleichzeitig NO und CO verringern kann, wurde erfindungsgemäss ein zweistufiges Verbrennungssystem entwickelt. Dieser Combustor ist so aufgebaut, dass in einem äusseren Zylinder angeordnet sind: ein innerer Zylinder, eine Vorbrennkammer und eine Hauptbrennkammer, deren Durchmesser grosser als derjenige der Vorbrennkammer ist, wobei gasförmiger Brennstoff in die Vorbrennkammer geliefert und darin verbrannt wird, während in der Hauptbrennkammer verwirbelnde Luft und Brennstoff in die in der Vorbrennkammer erzeugten Flammen geliefert und die dünne Niedertemperaturverbrennung ausgeführt wird.
In diesem Combustor erfolgt die Verbrennung in der Vorbrennkammer von der Zündung bis zur hohen Belastung der Turbine, während in der Hauptbrennkammer die Verbrennung durch Zuführen des Brennstoffs in die verwirbelnde Luft begonnen wird, wenn der Lastbetrieb der Turbine begonnen hat. Der Combustor hat den Nachteil, dass die Erzeugungsmengen von CO und Kohlenwasserstoff (HC) während des Teillastbetriebs des Combustors vom Beginn des Lastbetriebs bis zum Nennlastbetrieb eine Zunahme des unverbrannten Anteils darstellen.
Im Gasturbinencombustor müssen die Verbrennungsleistung über dem weiten Bereich von der Zündung bis zur Nennlast verbessert und NO sowie QQ verringert werden, gug&fcz^ich ist es eine zur Verbesserung der Verbrennungsfähigkeit beitragende wichtige Angelegenheit, den Nachteil zu beseitigen, dass die Erzeugungsmengen
«β»
— 8 —
von CO und HC im Teillastbetrieb gross sind.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Combustörs des Zweistufenverbrennungssystems, der .das CO und HC auf dem gesamten Betriebsbereich einer Turbine stark verringern kann, ohne eine das NO verringernde Wirkung zu verschlechtern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss durch die Gegenstände der Ansprüche 1,6 bzw. 8.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Combustor für eine Gasturbine nach der Erfindung enthält eine Vorbrennkammer und eine hiervon stromab gelegene Hauptbrennkammer. In der Vorbrennkammer werden zur Erzeugung von Flammen Luft und Kraftstoff zugeführt, während in der Hauptbrennkammer Luft und gasförmiger Brennstoff von ausser her in die Flammen aus der .Vorbrennkammer geliefert werden und die Verbrennung erfolgt.öffnungen zum Liefern der Luft und des gasförmigen Brennstoffs für die Verbrennung in die Hauptbrennkammer sind in Nähe der Vorbrennkammer vorgesehen. Vorgesehen sind.auch in der Nähe der Flammenseite gelegene öffnungen zum Liefern des gasförmigen Brennstoffs in einen Luftstrom für die in der Hauptbrennkammer stattfindende Hauptverbrennung. Wenn die Zufuhrmenge des gasförmigen Brennstoffs klein ist, strömt der Brennstoff innerhalb des Luftstroms für die Hauptverbrennung und kommt in Berührung mit dem Aussenumfang der Flammen. Wenn die Zufuhrmenge gross ist, durchquert der grösste Teil des zugeführten Brennstoffs den Luftstrom, mischt sich gut hiermit und kommt dann in Berührung mit den Flammen. Somit werden- selbst bei geringer. Brennstoffmenge der Brennstoff gut verbrannt und die unverbrannten Gase verringert. Bei grosser Brennstoffmenge mischt sich der Brennstoff gut mit der Luft und berührt dann die Flammen, so dass das NO ohne die Bildung von Hochtemperaturteilen verringert wird.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Gasturbinencombustors;
Fig. 2 eine teilweise weggebrochene Schrägansicht eines inneren Zylinders mit einer Kraftstofflieferkonstruktion für eine Hauptbrennkammer gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, wobei der Zustand der Flammenbildung dargestellt ist;
Fig. 3 eine vergrösserte Ansicht eines Teils von Fig. 2 mit einem weiteren Zustand der Flammenbildung;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen dem NOx~Gehalt und der Turbinenbelastung in Abhängigkeit von Combustoren;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehungen der Combustoren zwischen den CO- und HC-Gehalten und der Turbinenbelastung;
Fig. 6 eine teilweise weggebrochene Schrägansicht einer Kraftstoff lief erkonstruktion für eine Hauptbrennkammer bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 einen Schnitt Vll-VIIin Fig. 6;
Fig. 8 eine teilweise weggebrochene Schrägansicht einer Kraftstofflieferkonstruktion für eine Hauptbrennkammer bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 9 einen Schnitt IX-IX in Fig. 8.
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- 10 -
Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit Fig» 1 bis 3 im einzelnen beschrieben.
Gemäss Fig. 1 besteht eine Gasturbine aus einem Verdichter 1, einem Combustor 2, einer Turbine 3 und einem Belastungsteil 4. Der Combustor 2 enthält einen inneren Zylinder 7, mit Luftlöchern (Schlitzen) 10 in seinem Aussenumfang, einem äusseren. Gehäuse 6, das den inneren Zylinder 7 mit Abstand umgibt, eine Endplatte 6b, die an einem Ende des äusseren Gehäuses 6 befestigt ist, einen Wirbelbrenner 17 einer ersten Stufe, der sich an einem Ende des inneren Zylinders befindet und durch eine Endplatte hindurchtritt, und einen Wirbelbrenner 9 einer zweiten Stufe, der sich anschliessend an den Wirbelbrenner der ersten Stufe am inneren Zylinder befindet. Der innere Zylinder 7 bildet eine Vorbrennkammer 19 mit kleinem Durchmesser und eine Hauptbrennkammer 22 mit ihrem stromab gelegenen grösseren Teil. Der Wirbelbrenner 9 ist an der Verbindungsstelle zwischen der Vorbrennkammer 19 und der Hauptbrennkammer 22 angebracht.
Bei dieser Gasturbine wird ein Teil der verdichteten Luft vom Verdichter 1 durch einen Bypaß 11 eines Luftkanals 5 in einen Hochleistungsverdichter 12 abgezweigt, wo sie weiter verdichtet und über ein Steuerventil 13 in eine Vormischkammer 14 eingeführt wird. Andererseits wird gasförmiger Brennstoff 15 durch einen Brennstoffkanal 23 mit einem Steuerventil 16 in die Vormischkammer 14 eingeführt und darin mit der verdichteten Luft gemischt. Das resultierende Gemisch wird aus dem eine Wirbeleinrichtung aufweisenden Wirbelbrenner 17 in die Vorbrennkammer 19 eingespritzt und darin verbrannt. Dieses vorangehende Mischen und Verbrennen erfolgt für den gesamten Betriebsbereich beginnend von der Zündung bis zum Vollastbetrieb.
Wenn nach der Zündung mit der Belastung der Turbine 3 begonnen wird oder bei Teillast, z. B. halber Last, wird ein in einer von einer Brennstoffleitung 23 abgezweigten Brennstoffleitung angeordnetes Steuerventil 21 so geöffnet, dass die Zufuhr des
- 11 Brenngases aus dem Wirbelbrenner 9 beginnt.
Von der Zündung bis zum Vollastbetrieb wird der grössere Teil der verdichteten Luft aus dem Verdichter 1 durch den Luftkanal 5 in einen zwischen dem äusseren Gehäuse 6 und dem inneren Zylinder 7 gebildeten Ringkanal 5a und in den inneren Zylinder durch die Kühllöcher 10, den Wirbelbrenner 9 und die verdünnenden Luftöffnungen 8 eingeführt/ die an oder im inneren Zylinder vorgesehen sind.
Durch Ausführung des vorangehenden Mischens mit Verbrennung in der Vorbrennkammer 19 auf diese Weise, wobei die Luft und der Brennstoff vor der Verbrennung vorgemischt werden, kann eine starke Abnahme von NO bei einer kleinen Menge von überschussluft erzielt werden, d. h. bei Verringerung der Erzeugungsmenge von CO.
Beim Combustor nach der Erfindung und auch bei einem anderen. Combustor, bei dem Brennstoff und eine kleine Luftüberschussmenge in die Vorbrennkammer 19 eingeführt und darin ohne Vormischen verbrannt werden, besteht jedoch das Problem, dass CO und ein unverbrannter Anteil (HC) in grossen Mengen beim Prozess erzeugt werden, bei dem der Brennstoff allmählich aus dem Wirbelbrenner 9 der zweiten Stufe geliefert wird, wobei schliesslich der Nennlastbetrieb erreicht wird. Dieses Problem muss gelöst werden. Das kennzeichnende Merkmal einer Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass gemäss Fig. 2 und 3 der zum Brenner 9 zu liefernde Brennstoff TS in den verwirbelnden Luftstrom für den Hauptbrenner 33 aus Stellungen eingespritzt wird, die nahe an der Vorbrennkammer 19 liegen.
Im einzelnen befindet sich ein Brennstoffaufnehmer oder -behälter 65 in Form eines an beiden Enden geschlossenen doppelten Zylinders auf der Innenumfangsseite des ringförmigen Wirbelbrenners der zweiten Stufe, der an seinem Umfang mit einer Vielzahl von die Luft verwirbelnden Schaufeln 38 versehen ist. Die Leitun-
ί tv *
- 12 -
gen 20 für die Zufuhr von Brennstoff sind mit dem Brennstoffbehälter 65 verbunden» Öer äussere Zylinder des Brennstoffbehälters 65, d. h. der innere Zylinderteil oder die Innenwand 36 des Wirbelbrenners 9 ist längs ihres Umfangs mit einer grossen Anzahl von öffnungen 37 versehen, die als Brennstoffeinspritzteile dienen.
Bei dieser Anordnung wird der durch die Leitungen 20 gelieferte Brennstoff 15 einmal in den Brennstoffbehälter 65 gegeben und dann aus den Brennstoffeinspritzdüsen 37 zu einem durch den Wirbelbrenner 9 hindurchtretenden verwirbelnden Luftstrom 5b für die Hauptbrennkammer eingespritzt. Wenn der Strömungsdurchsatz des Brennstoffs klein ist, ist die Einspritzgeschwindigkeit des Brennstoffs niedrig, so dass gemäss Fig. 2 die Brennstoffströme 32 in die verwirbelnden Luftströme 33 auf kurzen Strekken eindringen und sich hauptsächlich längs der Ebene des inneren Zylinderteils 36 des Wirbelbrenners 39 vorwärtsbewegen. Bei einem kleinen Strömungsdurchsatz des Brennstoffs kommt daher insbesondere der Aussenumfangsteil der Vormischverbrennung-Flammen 31 mit hoher Temperatur aus der Vorbrennkammer 19 und die Kraftstoffströme 32 so in Berührung (Berührungsteil 41), dass die Verbrennung unterhalten wird. Ferner strömt der Hauptstrom der verwirbelnden Luftströme 33 stromab des Wirbelbrenners 9 derart, dass die Vormischverbrennung-Flammen 31 erzeugt werden. Folglich gibt es keinen Zustand, in dem die Verbrennungsflammen unterkühlt sind. Insbesondere kann die Erzeugung von CO und HC im Prozess, bei dem allmählich steigernd mit der Einführung von Brennstoff aus dem Wirbelbrenner 9 der zweiten Stufe begonnen wird, sehr langsam unterdrückt werden.
Andererseits nimmt im Nennlastzustand gemäss Fig. 3 die Brennstoff einspritzmenge aus den Brennstoffeinspritzöffnungen 37 zu, wobei die Einspritzgeschwindigkeit so ansteigt, dass die Eindringstrecke in den verwirbelnden Luftstrom 5b lang wird. Daher werden während des Nennlastbetriebs die Brennstoffströme 32 von der Mitte zur Aussenseite des Wirbelbrenners 9 geliefert
und mit der verwirbelnden Luft so gemischt, dass die Abnahme von NO ebenfalls erzielt werden kann.
Fig. 4 zeigt vergleichsweise die NO -Gehalte in den Abgasen über der Turbinenbelastung für den Fall (Markierungen · ), bei dem der Kraftstoff gemäss Fig. 2 und 3 von der Innenseite geliefert wird (die der Vorbrennkammer 19 nahegelegene Seite), und für den Fall (Markierungen ® ), dass der Brennstoff von der Aussenseite geliefert wurde. In ähnlicher Weise zeigt Fig. 5 vergleichsweise die CO- und HC-Gehalte (die Markierungen · entsprechend der Brennstoffzufuhr von der Innenseite, während die Markierungen ® der Brennstoffzufuhr von der Aussenseite her entsprechen). Gemäss Fig. 5 kann der Gehalt an CO, HC usw. während einer Teillast (jenseits des Punkts A, bei dem mit der Brennstoffzufuhr aus dem Wirbelbrenner 9 begonnen wird) durch Liefern des Brennstoffs von der Innenseite her stark verringert werden.
Während des Nennlastbetriebs jedoch, wenn der Brennstoff von der Innenseite her geliefert wird, neigt der NO -Gehalt etwas zum Ansteigen, verglichen mit demjenigen im Fall der Brennstoffzufuhr von der Aussenseite her. Dies beruht darauf, dass, weil die Vormischverbrennung-Flammen 31 aus der Vormischkammer 19 mit den Flammen aus dem Wirbelbrenner 9 in Wechselwirkung kommen, im Berührungsteil 41 eine Stelle hoher Temperatur auftritt, so dass die Erzeugungsmenge von NO in diesem Teil zunimmt.
Fig. 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die diese Zunahme der Erzeugungsmenge von N0„ unterdrücken kann.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Wirbelluftkanal 63 gebildet durch einen sich axial zum Wirbelbrenner 9 erstreckenden inneren Zylinderabschnitt 36, durch einen hierzu koaxialen äusseren Zylinderabschnitt 44 und durch dazwischen in Umfangsrichtung ar.jeordnete verwirbelnde Schaufeln 38 gebildet. Dieser Wirbelluftkanal 63 ist mit Trennplatten 42 versehen, die ihn radial unterteilen. Jede Trennplatte 42 ist gegenüber der Brennstoffein-
spritzöffnung 37 des inneren Zylinderabschnitts 36 mit einer Brennstoffeinspritzöffnung 47 versehen. Die Trennplatten 42 sind konzentrisch zu den inneren und äusseren Zylindern des Wirbelbrenners 9 und in der Nähe des inneren Zylinderabschnitts 36 angebracht, wodurch jeder Querschnitt des Wirbelluftkanals 63 radial unterteilt ist in einen schmäleren inneren Kanal 63a und einen weiteren äusseren Kanal 63b. Somit wird der Wirbelluftstrom 5b aufgeteilt in einen durch den inneren Kanal 63a hindurchtretenden Luftstrom 45 mit geringem Strömungsdurchsatz und einen durch den äusseren Kanal 63b hindurchtretenden Luftstrom 46 mit grossem Strömungsdurchsatz.
Wenn bei dieser Anordnung der Brennstoff aus dem Wirbelbrenner eine geringe Menge hat, berührt er die Vormischverbrennung-Plammen 31 aus der Vorbrennkammer 19. Andererseits nimmt in der Nähe des Nennlastbetriebs, bei dem die Brennstoffmenge gross wird, der Mischgrad zwischen den Vormischverbrennung-I'lammen5/1 und dem Brennstoff ab, wobei CO und NO mehr als bei der vorhergehenden. Ausführungsform vermindert werden können. Der Grund hierfür wird im folgenden beschrieben.
Wenn der Brennstoff so eingespritzt wird, dass er den Luftstrom senkrecht schneidet, wird die Ankunftsstrecke, mit der der Brennstoff in den Luftstrom eindringt, im allgemeinen durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
γ =22 ( Vf ' ^£ - 0 Ι)0'68 χ d jet lv · Ψ .' f a * a
Y. , bezeichnet die Ankunftsstrecke, vf, ff und ν , ψ bezeichnen die Geschwindigkeiten bzw. Dichten des Brennstoffs- bzw. Luftstroms, d^ bezeichnet den Durchmesser der Brennstoffeinspritzöf fnung. Aus der obigen. Gleichung ergibt sich, dass die Ankungsstrecke Y. . mit der Brennstoffeinspritzgeschwindigkeit Vf und mit dem Einspritzöffnungsdurchmesser d£ zunimmt. Das heisst, bei geringer Menge des Brennstoffs 15 wird die Brennstoff einspritzgeschwindigkeit v£ klein, weshalb die Grosse der
.!..ι.· υ:::-ο.::: 3217574
Ankunftsstrecke Y. et klein ist. Wenn umgekehrt der Brennstoffstromdurchsatz gross wird, nimmt die Brennstoffeinspritzgeschwindigkeit vf zu, so dass der Wert der Ankunftsstrecke Yj8^ gross wird. Im Fall des Combustors nach der Erfindung variiert die Einspritzgeschwindigkeit vf des Brennstoffs von 0 bis etwa 100 m/s. Wenn der Durchmesser df der Brennstoffeinspritzöffnung 37 3 mm beträgt, variiert die Ankunftsstrecke des Brennstoffs von O bis 30 mm oder dgl.
Zieht man diese Tatsachen in Rechnung, so sollten die Trennplatten 42 zweckmässig so angeordnet sein, dass die Eindringstrecke des Brennstoffs innerhalb der Trennplatten beim Betrieb bis in Nähe der 1/2 bis 3/4-Last liegt, bei der der BrennstoffStromdurchsatz gering ist.
Wenn beim Combustor nach der Erfindung die Einspritzmenge des Brennstoffs gering ist, dringt der Brennstoff nicht in den Wirbelluftstrom ein. Daher strömt der Brennstoff nur innerhalb der Trennplatten 42 und berührt die Vormischverbrennung-Flammen 31, so dass die Εχ-zeugung des unverbrannten Anteils (HC) und von CO unterdrückt werden kann. Für den Fall, dass der Brennstoff, etwa beim Nennlastbetrieb, in grossen Mengen geliefert wird, tritt zusätzlich der grösste Teil 15a des Brennstoffs durch die Brennstoffeinspritzöffnung 47 in der Trennplatte 42 hindurch und mischt sich mit dem ausserhalb der Trennplatte 42 strömenden Wirbelluftstrom 46, vgl. Fig. 7. Da in diesem Augenblick nur der Luftstrom 45 innerhalb der Trennplatte 42 strömt, haben die Flammen in der Hauptbrennkammer 22 eine solche Form, dass die Vormischverbrennung-Flammen 31 aus der Vorbrennkammer 19 und die Flammen 47 aus dem Wirbelbrenner 9 durch den innerhalb der Trennplatte 42 strömenden Luftstrom 45 getrennt werden. Demnach tritt der Luftstrom 45 in dqn Hochtemperaturbereich an der Schnittstelle zwischen den Vormischverbrennung-Flammen 31 und dem Brennstoff ein, was auftritt, wenn die Trennplatten 42 nicht angebracht sind. Daher kann der Hochtemperaturbereich wirksam abgekühlt werden.
Versuchsergebnisse an der vorliegenden Ausführungsform sind in Fig. 4 und 5 angegeben (bei den Markierungen Δ für den Fall, dass die Trennplatten 42 angeordnet sind und der Brennstoff von der Innenseite her geliefert wird). Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, kann auf Grund des Vorsehens der Trennplatten 42 der NO -Gehalt während des Nennlastbetriebs
verringert werden und können die CO- und HC-Gehalte während des Teillastbetriebs niedrig gehalten werden.
Während bei der vorangehenden Ausführungsform der Brennstoff von der Innenseite des Wirbelbrenners 9 her geliefert wird, kann auch eine in Fig. 8 und 9 angegebene Anordnung Anwendung finden. Im einzelnen ist ein Brennstoffbehälter 65 ausserhalb des Wirbelbrenners 9 angeordnet. Eine Vielzahl von Brennstofflieferleitungen 49 ist so angeordnet, dass sie sich vom Bremmstoffbehälter 65 einwärts erstrecken (zur Achse des Combustors) und dass Brennstoffeinspritzöffnungen 50 der Aussenseite des inneren Zylinderabschnitts 36 des Wirbelbrenners 9 zugewandt sind, d. h. zur Ebene des Wirbelluftkanals in der Nähe der Vorbrennkammer 19. Somit prallt der Brennstoff 15b aus den Brennstofflieferleitungen 49 auf die Aussenflache des inneren Zylinderabschnitts 36. Wenn bei dieser Anordnung die Menge des Brennstoffs 15 klein ist, strömt der aus den Brennstoffeinspritzöffnungen 50 eingespritzte Brennstoff 15b längs der Aussenflache des inneren Zylinderabschnitts 36 und wird in die Hauptbrennkammer 22 eingeführt. Wenn andererseits die Menge des Brennstoffs 15 gross ist, prallt der eingespritzte Brennstoff 15b auf die Aussenflache des inneren Zylinderabschnitts 36 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit, worauf er längs der Seitenwandflächen der Schaufeln 38 in die Hauptbrennkammer strömt. Demnach können bei dieser Anordnung das CO und NO herabgesetzt werden, wobei aber der NO -Verminderungseffekt etwas kleiner als im Fall des Einbaus der Trennplatten ist. Jedoch kann ein Verminderungseffekt von etwa 60 % erzielt werden, verglichen mit dem NO -Gehalt im Combustor, in dem keine Mass-
Ji
nähme zur Verminderung von NO getroffen ist.
Die Anordnung der Brennstofflieferleitungen 49 auf diese Weise zum Positionieren der Brennstoffeinsprxtzöffnungen 50 in der Nähe der Aussenflache des inneren Zylinderabschnitts 36 bewirkt, dass der Brennstoff bei geringer Brennstoffmenge längs der Aussenfläche des inneren Zylinderabschnitts 36 und bei grosser Brennstoffmenge längs der Innenwandflächen der Schaufeln strömt.
Während bei den vorangehenden Ausführungsformen die vorgemischte Luft und der Brennstoff in die Vorbrennkammer eingeführt werden, können Luft und Brennstoff auch einzeln in die Vorbrennkammer eingeführt und darin gemischt werden, um eine dünne Verbrennung auszuführen.
Beim Combustor nach der Erfindung und auf Grund des vom Strömungsdurchsatz des Brennstoffs für die Hauptbrennkammer abhängigen Unterschieds der Einspritzgeschwindigkeit verringern sich die unterkühlenden Teile in der Hauptbrennkammer insbesondere bei Teillast, so dass die Erzeugungsmengen von CO und HC herabgesetzt werden können. Gleichzeitig hiermit kann eine gleichförmige dünne Verbrennung bei niedrigen Temperaturen ausgeführt werden und ist eine starke Herabsetzung von NCL, möglich.
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Claims (8)

  1. PfiiTritanwSlte 68&-32C.67BP: :.. *..·'*: Π. Mai 1982
    BEETZ & PARTNER : : * : : :·::.· StotoSdoristLlöifififlfiMünchen 22 " "* " ""
    HITACHI, LTD., Tokyo,
    Japan
    Combustor für eine Gasturbine
    Ansprüche
    Combustor für eine Gasturbine,
    gekennzeichnet
    - durch eine innere Zylindereinrichtung (7), die eine Brennkammer (19, 22) mit einer Vielzahl von Schlitzen (10) zum Liefern von Luft in die Brennkammer (22) bildet, wobei die Brennkammer (19, 22) durch eine Vorbrennkammer (19) und eine Hauptbrennkammer (22) gebildet ist, wobei die Hauptbrennkammer (22) stromab der Vorbrennkammer (19) angeordnet ist und senkrecht zur Achse der Brennkammer (19, 22) eine grössere Querschnittsfläche als die Vorbrennkammer (19) hat,
    - durch eine äussere Gehäuseeinrichtung (6), die die innere Zylindereinrichtung (7) umgibt und einen Luftkanal (5a) bildet, der über die Schlitze (10) mit der Brennkammer (19, 22) in Verbindung steht,
    - durch eine erste Brennstoffliefereinrichtung (23) zum Liefern von gasförmigem Brennstoff in die Vorbrennkammer (19),
    - durch eine erste Luftliefereinrichtung (12) zum Liefern von der Verbrennung dienender Luft in die Brennkammer (19, 22), wobei der Brennstoff in der Vorbrennkammer (19) verbrannt wird und Flammen erzeugt, die in die Haupt-
    680-17478-H9616-310
    brennkammer (22) strömen,
    - durch eine zweite !Luftliefereinrichtung (36-44) , die ringförmig und angrenzend an die Vorbrennkammer (19) angeordnet ist zum Verwirbeln und Liefern von Luft aus dem Luftkanal (5a) in die Hauptbrennkammer (22) derart, dass die Luft im wesentlichen axial zum Wirbel eingespritzt wird, und
    - durch eine zweite Brennstoffliefereinrichtung (20) zum Liefern von gasförmigem Brennstoff in die Hauptbrennkammer (22), wobei die zweite Brennstoffliefereinrichtung (20) eine Vielzahl von Einlassöffnungen (37; 37, 47; 50) aufweist, von denen jede so angeordnet ist, dass der Brennstoff eingespritzt wird und innerhalb der Luftströme aus dem Luftkanal (5a) zur Hauptbrennkammer (22) strömt, wenn eine Brennstoffmenge verhältnismässig klein ist, und die Luftströme durchquert und sich mit der eingespritzten verwirbelnden Luft mischt, wenn die Brennstoffmenge verhältnismässig gross ist.
  2. 2. Combustor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die zweite Luftliefereinrichtung (36-44) aufweist: einen inneren Zylinder (36) , der sich koaxial zu der die Brennkammer begrenzenden inneren Zylindereinrichtung (7) erstreckt, einen äusseren Zylinder (44) , der den inneren Zylinder (7) mit Abstand umgibt, und eine Vielzahl von axial geneigten Schaufeln (38), die in einem durch den inneren und den äusseren Zylinder (36, 44) begrenzten Ringraum angeordnet sind und eine Vielzahl von Luftöffnungen (36) bilden, und
    - dass die zweite Brennstoffliefereinrichtung (20) eine Vielzahl von Brennstoffeinlassöffnungen (37; 37, 47; 50) aufweist, von denen jede in einem dem inneren Zylinder (36) nahegelegenen Teil einer Luftöffnung (33) angeordnet ist.
  3. 3. Combustor nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass jede der Brennstoffeinlassöffnungen (37) ein im inneren Zylinder (36) ausgebildetes und in die Luftöffnung (63) mündendes Loch ist.
  4. 4. Combustor nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass jede der Brennstoffeinlassöffnungen (50) ein am äusseren Zylinder (44) befestigtes Rohr (49) aufweist, das sich so in die Nähe des inneren Zylinders (36) erstreckt, dass der gasförmige Brennstoff aus der Nähe des inneren Zylinders (36) in den Gasstrom (5b) gespritzt wird.
  5. 5. Combustor nach Anspruch 2,
    gekennzeichnet ,
    - durch einen Zwischenzylinder (42) , der koaxial zum inneren und zum äusseren Zylinder (36; 44) angrenzend an den inneren Zylinder (36) so angeordnet ist, dass ein zwischen ihm undi dem inneren Zylinder (36) begrenzter Raum kleiner als der zwischen ihm und dem äusseren Zylinder (44) begrenzte Raum ist, wobei der innere und der äussere Zylinder (36; 42) Kraftstoffeinlassöffnung bildende Durchgangslöcher (37; 47) aufweisen.
  6. 6. Combustor für eine Gasturbine,
    gekennz eichnet
    - durch einen eine Vielzahl von Schlitzen (10) aufweisenden inneren Zylinder (7) mit einem Abschnitt mit kleinem Durchmesser zur Bildung einer Vorbrennkammer (19) und mit einem Abschnitt mit grossem Durchmesser zur Bildung einer Hauptbrennkammer (22) ,
    - durch einen den inneren Zylinder umgebenden äusseren Zylinder (6), wobei zwischen dem inneren und dem äusseren Zylinder (7; 6) ein Luftkanal (5a) gebildet ist, der durch die Schlitze (10) mit der Vorbrennkammer (19) und der
    Hauptbrennkammer (22) in Verbindung steht,
    - durch einen am einen Ende der Vorbrennkammer (19) befestigten ersten Brenner (17) zum Liefern von Luft und Brennstoff in die Vorbrennkammer (19), in der die Verbrennung unter Erzeugung von Flammen erfolgt,
    - durch einen zweiten Brenner (9), der an einem Abschnitt des inneren Zylinders (7) befestigt ist, der sich vom Abschnitt mit kleinem Durchmesser zum Abschnitt mit dem grossen Durchmesser erstreckt, wobei der zweite Brenner
    (9) einen zum inneren Zylinder (7) koaxialen inneren zylindrischen Abschnitt (36) und einen vom inneren zylindrischen Abschnitt (36) radial beabstandeten äusseren zylindrischen Abschnitt (44) aufweist, zur Bildung eines axialen ringförmigen Luftkanals (5b) ,
    - durch eine Vielzahl von im Luftkanal (5b) angeordneten Schaufeln (38) , die eine Vielzahl von Lufteinlassöffnungen (63) bilden, wobei jede Schaufel (38) axial geneigt ist und verwirbelnde Luft hindurchtreten lässt,
    - durch einen innerhalb des inneren zylindrischen Abschnitts
    (36) angeordneten Brennstoffbehälter (65) und
    - durch eine Vielzahl von Brennstoffkanälen (37) , die zwischen den Schaufeln (38) im inneren zylindrischen Abschnitt (36) gebildet sind und hierdurch gasförmigen Brennstoff in den Luftkanal (5b) liefern.
  7. 7. Combustor nach. ABspruch. 6,
    gekennzeichnet
    - durch eine zwischen dem inneren und dem äusseren zylindrischen Abschnitt (36; 44) angeordnete Trennwand (42) , die jede der Lufteinlassöffnungen (63) in eine innere Lufteinlassöffnung (63a) und eine gegenüber dieser viel grössere äussere Lufteinlassöffnung (63b) unterteilt, wobei die Trennwand (42) zwischen den Schaufeln (38) Durchgangslöcher (47) aufweist, durch die der gasförmige Brennstoff aus dem Brennstoffbehälter (65) in die äusseren Lufteinlassöffnungen (63b) geliefert wird.
  8. 8. Combustor für einen Gasturbine,
    gekennzeichnet
    - durch einen eine Vielzahl von Schlitzen (10) aufweisenden inneren Zylinder (7) mit einem Abschnitt mit.kleinem Durchmesser zur Bildung einer Vorbrennkammer (19) und mit einem Abschnitt mit grossem Durchmesser zur Bildung einer Hauptbrennkammer (22),
    - durch einen den inneren Zylinder (7) umgebenden und tragenden äusseren Zylinder (6), wobei zwischen dem äusseren und dem inneren Zylinder (6; 7) ein Luftkanal (5a) gebildet ist, der durch die Schlitze (10) mit der Vorbrennkammer (19) und der Hauptbrennkammer (22) in Verbindung steht,
    - durch einen am einen Ende der Vorbrennkammer (19) befestigten ersten Brenner (17) zum Liefern von Luft und Brennstoff in die Vorbrennkammer (19) , in der unter Erzeugung von Flammen die Verbrennung erfolgt, und
    - durch einen zweiten Brenner (9), der an einem Abschnitt des inneren Zylinders (7) befestigt ist, der sich radial vom Abschnitt mit dem kleinen Durchmesser zum Abschnitt mit dem grossen Durchmesser erstreckt, wobei der zweite Brenner (9) aufweist: einen zum inneren Zylinder (7) koaxialen inneren zylindrischen Abschnitt (36), einen vom inneren zylindrischen Abschnitt (36) radial beabstandeten äusseren zylindrischen Abschnitt (44) , eine Vielzahl von in diesem Luftkanal (5b) angeordneten Schaufeln (38), die eine Vielzahl von Lufteinlasskanälen (63) bilden, wobei jede Schaufel (38) axial geneigt ist und verwirbelnde Luft hindurchtreten lässt, einen ausserhalb des äusseren zylin-< drischen Abschnitts (44) angeordneten Brennstoffbehälter (65) und durch eine Vielzahl von Brennstoffkanälen (49), die ausgehend vom Brennstoffbehälter (65) durch den äusseren zylindrischen Abschnitt (44) hindurch bis in Nähe des inneren zylindrischen Abschnitts (36) in die Lufteinlassöffnungen (63) radial überstehen.
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