DE4411624A1

DE4411624A1 - Brennkammer mit Vormischbrennern

Info

Publication number: DE4411624A1
Application number: DE4411624A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Althaus; Jakob Prof Dr Keller
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority date: 1994-04-02
Filing date: 1994-04-02
Publication date: 1995-10-05
Also published as: JPH07280268A; US5584182A; GB9506375D0; GB2288011A; GB2288011B

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer, beispiels weise für eine Gasturbine, mit mindestens einem Vormisch brenner, der in einem mit einem Plenum kommunizierenden Dom angeordnet ist, und austrittseitig auf einer den Brennraum der Brennkammer begrenzenden Frontplatte befestigt ist,

- wobei der Vormischbrenner die Verbrennungsluft aus dem Dom bezieht,
- und bei dem innerhalb eines Vormischraumes der über Düsen eingespritzte Brennstoff vorgängig der Zündung mit der Brennluft intensiv vermischt wird.

Stand der Technik

Die Verbrennung mit der größtmöglichen Luftüberschußzahl - einmal dadurch gegeben, daß die Flamme überhaupt noch brennt und im weiteren dadurch, daß nicht zuviel CO entsteht - vermindert nicht nur die Schadstoffmenge an NO_x, sondern bewirkt darüberhinaus auch die Tiefhaltung anderer Schadstoffe, nämlich wie bereits erwähnt von CO und von unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Dies erlaubt die Wahl einer größeren Luftüberschußzahl, wobei dann zwar zunächst größere Mengen CO entstehen, diese aber zu CO₂ weiter rea gieren können, so daß schließlich die CO-Emissionen gering bleiben. Andererseits aber bildet sich wegen des großen Luftüberschusses nur wenig zusätzliches NO_x. Da mehrere rohrförmige Elemente bei dieser bekannten Brennkammer das Vormischen übernehmen, werden bei der Lastregelung jeweils nur so viele Elemente mit Brennstoff betrieben, daß sich für die jeweilige Betriebsphase (Start, Teillast, Vollast) die optimale Luftüberschußzahl ergibt.

Als flammenhaltende Brenner der eingangs genannten Art kön nen die sogenannten Vormischbrenner der Doppelkegelbauart bezeichnet werden. Derartige Doppelkegelbrenner sind bei spielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt und werden spä ter zu Fig. 1 und 2 beschrieben. Der Brennstoff, dort Gas, wird in den Eintrittsspalten in die vom Verdichter heran strömende Verbrennungsluft über eine Reihe von Injektordüsen eingespritzt. Diese sind in der Regel über den ganzen Spalt gleichmäßig verteilt.

Um eine verläßliche Zündung des Gemischs in der nachge schalteten Brennkammer und einen genügenden Ausbrand zu erzielen, ist eine innige Mischung des Brennstoffs mit der Luft erforderlich. Eine gute Durchmischung trägt auch dazu bei, sogenannte "hot spots" in der Brennkammer zu vermeiden, die unter anderem zur Bildung des unerwünschten NO_X führen.

Alle Brennkammern mit Vormischbrennern weisen jedoch die Unzulänglichkeit auf, daß zumindest in den Betriebszustän den, in denen nur ein Teil der Brenner mit Brennstoff betrieben wird, oder bei denen die einzelnen Brenner mit einer verringerten Brennstoffmenge beaufschlagt werden, nahe an die Grenze der Flammenstabilität gestoßen wird. In der Tat wird die Löschgrenze aufgrund des sehr mageren Gemisches und der sich daraus ergebenden niedrigen Flammentemperatur bei typischen Gasturbinenbedingungen schon bei einer Luftüberschußzahl von etwa 2,0 erreicht.

Diese Tatsache führt zu einer relativ komplizierten Fahr weise der Brennkammer mit entsprechend aufwendiger Regelung. Eine andere Möglichkeit, den Betriebsbereich von Vormisch brennern zu erweitern, wird in der Stützung des Brenners mittels einer kleinen Diffusionsflamme gesehen. Diese Pilot flamme erhält ihren Brennstoff rein, oder zumindest schlecht vorgemischt, was einerseits zwar zu einer stabilen Flamme führt, andererseits jedoch die für Diffusionsverbrennung typischen hohen NO_x-Emissionen zur Folge hat.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maßnahme zu schaffen, mit tels der die Brennkammer möglichst nahe an der mageren Löschgrenze betrieben werden kann, d. h. in jenem Bereich, in dem praktisch kein NO_x entsteht.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß mindestens ein in den Dom mündender Strahlinjektor vorgesehen ist, des sen zentrale Düse über eine Öffnung in der Frontplatte mit dem Brennraum in Verbindung steht und dessen die zentrale Düse umgebender Ringraum mit einem Arbeitsmittel beauf schlagt ist, dessen Druck höher ist als der Druck im Dom.

Mit dieser Rauchgasrückführung, durch welche der Brenner mit einer höheren Eintrittstemperatur betrieben wird, kann der Betriebsbereich eines Vormischbrenners erheblich erweitert werden. Durch die erzielbaren niedrigen Primärtemperaturen werden niedrigere NO_x-Werte realisiert.

Dadurch, daß die Brenner bei sehr magerem Gemisch betriebs fähig bleiben, kann die Regelung insofern vereinfacht wer den, als nunmehr beim Belasten und Entlasten der Brennkammer Luftzahlbereiche durchquert werden können, die mit der bisherigen Vormischverbrennung in der Regel nicht durchfah ren werden könnten.

Die neue Maßnahme, welche im überwiegendem Betriebsbereich eine Fahrweise nahe der Löschgrenze gewährleistet, führt dazu, daß mit Sicherheit die heute erreichbaren NO_x-Werte von 20 ppm ganz erheblich unterschritten werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Vormischbrenners der Doppelkegelbauart schema tisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Brennkammer;

Fig. 2A einen Querschnitt durch einen Vormischbrenner der Doppelkegel-Bauart im Bereich seines Austritts;

Fig. 2B einen Querschnitt durch denselben Vormisch brenner im Bereich der Kegelspitze.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die vollständige Brennkammer und deren Zuordnung zu einer Anlage, die Brennstoffbereitstellung, die Regeleinrichtungen und dergleichen. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist mit 50 ein ummanteltes Plenum bezeichnet, welches in der Regel die von einem nicht dargestellten Verdichter geförderte Verbrennungsluft aufnimmt und einer Brennkammer 50 zuführt. Auf die Brennkammer, deren Brennraum 58 durch eine Frontplatte 52 begrenzt ist, ist ein Dom 51 aufgesetzt. In diesem Dom ist ein Brenner 110 so angeordnet, daß der Brenneraustritt zumindest annähernd bündig ist mit der Frontplatte 52. Bei der Brennkammer kann es sich sowohl um eine Ringbrennkammer als auch um eine zylindrische Silobrennkammer handeln. Der dargestellte Fall eine Ringbrennkammer, was bedeutet, daß über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von Brennern 110 nebeneinander, gleichmäßig oder gegeneinander versetzt, auf der kreisringförmigen Frontplatte 52 angeordnet sind. Über die an ihrem äußeren Ende gelochte Domwandung strömt die Verbrennungsluft aus dem Plenum 50 in das Dominnere und beaufschlagt die Brenner. Der Brennstoff wird dem Brenner über eine Brennstofflanze 120 zugeführt, welche die Dom- und die Plenumwand durchdringt.

Beim schematisch dargestellten Vormischbrenner 110 handelt es sich um einen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er bei spielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Im wesent lichen besteht er aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern 111, 112, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen 113, 114 der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper bilden in deren Längser streckung tangentiale Schlitze 119 für die Verbrennungsluft, die auf diese Weise in das Brennerinnere gelangt. Dort ist eine erste Brennstoffdüse 116 für flüssigen Brennstoff ange ordnet. Der Brennstoff wird in einem spitzen Winkel in die Hohlkegel eingedüst. Das entstehende kegelige Brennstoffpro fil wird von der tangential einströmenden Verbrennungsluft umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes fortlaufend infolge der Vermischung mit der Verbrennungsluft abgebaut. Im Beispielsfall wird der Brenner ebenfalls mit gasförmigem Brennstoff betrieben. Hierzu sind im Bereich der tangentialen Schlitze 119 in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gasein strömöffnungen 117 vorgesehen. Im Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft somit bereits in der Zone der Eintrittsschlitze 119. Es versteht sich, daß auf diese Weise auch ein Mischbetrieb mit beiden Brennstoffarten möglich ist.

Am Brenneraustritt 118 stellt sich eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlagten kreisring förmigen Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rückströmzone, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Soweit sind Doppelkegelbrenner aus der eingangs genannten EP-B1-0 321 809 bekannt.

Die Zustände bei einer solchen Brennkammer können beispiels weise folgende sein. Druck der Verbrennungsluft im Plenum = 14 bar; Druck der Verbrennungsluft im Dom = 13.5 bar; Temperatur der Verbrennungsluft im Dom = 400°C; Temperatur der Heißgase im Brennraum = 1400°C.

Gemäß der Erfindung soll nunmehr mit Hilfe von Rauchgasrück führung die Temperatur der Verbrennungsluft vor dem Brenner auf 600°C erhöht werden. Hierzu ist ein in den Dom 51 mün dender Strahlinjektor 53 vorgesehen, welcher auf geeignete Weise mit der Frontplatte 52 verbunden ist.

Die zentrale Düse 54 des Strahlinjektors kommuniziert mit dem Brennraum 58 über eine Öffnung 55 in der Frontplatte 52. Diese Öffnung 55 befindet sich in einem freien Raum auf der Frontplatte 52, der sowohl radial neben dem Brenner 110 oder in Umfangsrichtung davon versetzt sein kann.

Der die zentrale Düse 54 umgebende Ringraum 56 des Strahl injektors ist mit einem Treibmittel beaufschlagt, welches im vorliegenden Fall aus dem Plenum 50 entnommen wird. Es han delt sich demnach um Verbrennungsluft, deren Druck nicht wesentlich über jenem innerhalb des Doms 51 liegt. Der Ring raum 56 ist hierzu über eine Ringkammer 59 an das Plenum angeschlossen.

Die zentrale Düse 54 und der Ringraum 56 münden in eine Impulsaustauschstrecke 62, an welche sich zwecks Druckrück gewinnung ein Diffusor 57 anschließt. Ist der Diffusor beispielsweise für eine Austrittsgeschwindigkeit von ca. 40 m/sec ausgelegt und weist einen Druckrückgewinnfaktor von ca. 0,7 auf, so ist erkennbar, daß das Treibmittel am Ein tritt in den Strahlinjektor einen Druck niedriger als der Domdruck aufweisen kann. Als Treibmittel des Strahlinjektors kann demnach auch ein anderes Arbeitsmittel, beispielsweise Kühlluft verwendet werden. Es versteht sich, daß der Strahlinjektor selbst einen erheblichen Druckabfall verur sacht, weshalb die Dimensionierung seiner Düsenflächen nur im Zusammenspiel mit dem verwendeten Brenner und dessen Druckabfall vorgenommen werden kann.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschrie bene und gezeigte Beispiel beschränkt. So kann in Abweichung zum dargestellten Doppelkegelbrenner jeder beliebige Vor mischbrenner zur Anwendung gelangen.

Bezugszeichenliste

50 Plenum
51 Dom
52 Frontplatte der Brennkammer
53 Strahlinjektor
54 zentrale Düse
55 Öffnung in 52
56 Ringraum
57 Austrittsdiffusor
58 Brennraum
59 Ringkammer
60 Brennkammer
61 Impulsaustauschstrecke
110 Doppelkegelbrenner
111 Teilkörper
112 Teilkörper
113 Mittelachse
114 Mittelachse
116 Brennstoffdüse
117 Gaseinströmöffnung
118 Brenneraustritt = Brennraum
119 tangentialer Spalt
120 Brennstofflanze

Claims

1. Brennkammer, beispielsweise für eine Gasturbine, mit mindestens einem Vormischbrenner (110), der in einem mit einem Plenum (50) kommunizierenden Dom (51) ange ordnet ist, und austrittseitig auf einer den Brennraum (58) der Brennkammer begrenzenden Frontplatte (52) befestigt ist,

- wobei der Vormischbrenner die Verbrennungsluft aus dem Dom bezieht,
- und bei dem innerhalb eines Vormischraumes der über Düsen eingespritzte Brennstoff vorgängig der Zün dung mit der Brennluft intensiv vermischt wird, dadurch gekennzeichnet,

daß mindestens ein in den Dom (51) mündender Strahlin jektor (53) vorgesehen ist, dessen zentrale Düse (54) über eine Öffnung (55) in der Frontplatte (52) mit dem Brennraum (58) in Verbindung steht, und dessen die zen trale Düse umgebender Ringraum (56) mit einem Treibmit tel beaufschlagt ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner nach dem Doppelkegelprinzip arbeitet mit im wesentlichen zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (111, 112), deren jeweilige Mittelachsen (113, 114) gegeneinander versetzt sind, wobei die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper in deren Längserstrec kung tangentiale Spalte (119) für die Verbrennungsluft bilden, und wobei im Bereich der tangentialen Spalte in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen (117) vorgesehen sind.

3. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Strahlinjektor (53) mit einem Austritts diffusor (57) versehen ist.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Ringraum (56) des Strahlinjektors (53) mit dem Plenum (50) verbunden ist.