Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraftstoff-Aufbereitung für eine Gasturbinen-Brennkammer, wobei kontinuierlich 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 Brennkammer 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 umspülten Zerstäuber für den Kraftstoff.The invention relates to a method for fuel-uppreparation for a gas turbine combustor, whereby contnuously liquid fuel as well as an air flow ina particularly tubular chamber can be introduced,in which the fuel evaporates at least partially andthen unburned with the air flow to the burning chamberalways dissipated. The invention further relates toa device for fuel processing according to theThe method of claim 1, with an on or upstream of theChamber inlet opening provided by the airflow aroundflushed atomizers for the fuel.
Es ist bekannt, daß Gasturbinen mit niedrigen Stickoxid-Emissionen betrieben werden können, wenn mit Magerverbrennung und Kraftstoff-Vorverdampfung gearbeitet wird. Dabei ist zwischen einer Kraftstoffdüse und der Brennkammer eine zumeist rohrförmige Verdampferstrecke vorgesehen, in der der größte Massenanteil des eingespritzten Kraftstoffes verdampfen, jedoch nicht brennen soll. Da jedoch die Verbrennung in der Brennkammer mager und homogen stattfinden soll, wird auch die Vorverdampferstrecke bereits mit der mageren Stöchiometrie der Brennkammer- Primärzone betrieben. Dabei wird die benötigte Verdampfungsenthalpie beim bekannten Stand der Technik direkt oder indirekt der in der Brennkammer brennenden Flamme entnommen.It is known that gas turbines with low nitrogen oxideEmissions can be operated if with lean vercombustion and fuel pre-evaporation.There is between a fuel nozzle and the combustion chamberA mostly tubular evaporator section is providedhen in which the largest mass fraction of the injectedEvaporate fuel, but should not burn. Therehowever, the combustion in the combustion chamber is lean and homoThe pre-evaporator section will also take placealready with the lean stoichiometry of the combustion chamber Primary zone operated. The required verenthalpy of vaporization in the known prior art directly or indirectly of those burning in the combustion chamberFlame removed.
So ist beispielsweise in der DE-OS 29 01 099 ein Verdampferrohr gezeigt, das anstelle eines Druck- oder Luftzerstäubers am Brennkammerkopf befestigt ist und dabei zumindest teilweise in die Flamme hineinragt. Auf die innere Oberfläche dieses Verdampferrohres wird Kraftstoff aufgebracht, der dort teilweise verdampft. Die zur Verdampfung benötigte Wärme wird somit der Flamme entzogen. Eine ähnliche Ausführungsform mit mehreren Verdampferrohren zeigt die EP 0 526 152 A1.For example, in DE-OS 29 01 099 a VerSteamer tube shown that instead of a pressure or airatomizer is attached to the combustion chamber head while doing soprotrudes at least partially into the flame. On the innere surface of this evaporator tube becomes fuelapplied, which partially evaporates there. The verThe heat required for vaporization is thus removed from the flame.A similar embodiment with several evaporator tubesRen shows EP 0 526 152 A1.
Eine weitere Ausführungsform zur Verdampfung von flüssigem Kraftstoff ist in der DE 28 21 160 C2 beschrieben. Hier wird die Verdampfungsenthalpie aus von der Brennkammer rezirkurlierenden Heißgasen gewonnen, wobei bereits über dem Kraftstoffilm im Verdampferrohr eine geringfügige Verbrennung auftritt. Noch eine weitere Ausführungsform 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 Brennstoffstromes liefert, der dann gasförmig in der Triebwerks-Brennkammer verbrannt wird.Another embodiment for the evaporation of liquidThe fuel is described in DE 28 21 160 C2.Here the enthalpy of vaporization comes from the Brennkamrecirculating hot gases won, whereby alreadya little above the fuel film in the evaporator tubeCommon combustion occurs. Yet another executionform is described in DE 30 43 698. Here is theliquid fuel divided into two streams, thesmaller fuel stream is burned and thus theEvaporation enthalpy to evaporate the larger furnacematerial flow, which is then gaseous in the drivefactory combustion chamber is burned.
Die bekannten Verfahren zur Überführung flüssigen Kraftstoffes 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 jedoch nur für extrem magere Kraftstoff-Luft-Gemische.The known methods of transferring liquid powersubstance in the gaseous phase before the onset ofCombustion is thus characterized in that theEnthalpy of vaporization by radiation or heat conductionto those on a surface as a filmFuel is introduced. The heat flowtaken from a burning flame. It is feasible This procedure due to the risk of auto-ignition everbut only for extremely lean fuel-air mixtures.
Es hat sich gezeigt, daß insbesondere bei hohen Druckverhältnissen, wie sie bei höheren Gasturbinen-Lastpunkten auftreten, die Verdampfung zum Erreichen geringer Stickoxid-Emissionen jedoch zu langsam abläuft. Ein im Hinblick hierauf verbessertes Kraftstoff-Aufbereitungsverfahren für eine Gasturbinen-Brennkammer aufzuzeigen, ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung.It has been shown that, in particular at high Druckverconditions, as at higher gas turbine load pointsoccur, the evaporation to achieve low stickoxide emissions, however, runs too slowly. One in the waylook at improved fuel processing Verdrive for a gas turbine combustortherefore object of the present invention.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß zumindest in höheren Lastpunkten in der Kammer, in der der Kraftstoff zumindest teilweise verdampft, ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch eingestellt wird, und daß diesem Gemisch vor Eintritt in die Brennkammer ein Zusatzluftstrom beigemengt wird. Eine vorteilhafte Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Kraftstoff-Aufbereitung ist in unterschiedlichen Ausbildungen ebenso wie eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Unteransprüchen beschrieben.To solve this problem it is provided that at leastat higher load points in the chamber where the forcefabric at least partially evaporated, a fat forceSubstance-air mixture is set, and that this Gemix an additional air stream before entering the combustion chamberis added. An advantageous device for inventingThe fuel processing according to the invention is differenttraining as well as further training of the heinventive method in the dependent claims bewrote.
Erfindungsgemäß wird das Verdampferrohr bzw. die Vordampferstrecke mit fettem Gemisch betrieben, so daß wegen der größeren Menge von rasch verdampfendem, leicht flüchtigen Kraftstoff-Bestandteilen eine Temperaturabsenkung des kontinuierlich zugeführten Luftstromes rascher erfolgt, so daß dieses Prinzip der Magerverbrennung mit Kraftstoff-Vorverdampfung auch für höhere Druckverhältnisse 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 ohnehin fette Gemisch noch fetter, so daß auch derartige unerwünschte instationäre Betriebszustände kein Sicherheitsrisiko darstellen. Um jedoch in der Primärzone der Brennkammer die gewünschte magere Stöchiometrie zu erhalten, ist zwischen der geschilderten, fetten Vorverdampferstrecke 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.According to the evaporator tube or the frontsteamer line operated with a rich mixture, so that becausethe larger amount of quickly evaporating, easily cursedtemperature componentsof the continuously supplied air flow fasterfollows so that this principle of lean burn withFuel pre-evaporation also for higher pressure ratiosnisse is applicable. The appearance can be verybold stoichiometries advantageously the risk ofFlashback in the chamber in which the evaporationtakes place, are reduced. The wall of the particulartubular chamber or the evaporator tube can witha thin film of fuel, some of which is also onevaporated, wetted andis therefore no longer a source of ignition. In the case pumping the upstream compressor orIn the event of other short-term throttling of theAir supply to the pre-evaporator line is withoutout fat mixture even fatter, so that such unDesired transient operating states not certainrepresent security risk. However, in the primary zone of theCombustion chamber to obtain the desired lean stoichiometryis between the bold preparatorysteamer section or evaporator chamber / evaporator tube andto add an additional air flow to the combustion chamber inlet.A suitable air admixing element must therefore be providedor a mixing device brought up by oneAdditional air flow is applied.
Eine bevorzugte Vorrichtung zur Kraftstoff-Aufbereitung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besitzt somit eine düsenartige Kammer-Austrittsöffnung, die zur Mischvorrichtung, die vom herangeführten Zusatzluftstrom beaufschlagt wird, hin ausgerichtet ist. Wie üblich ist dabei an oder stromauf der Eintrittsöffnung der Verdampfer-Kammer ein Zerstäuber für den Kraftstoff vorgesehen, der von dem die Verdampfungsenthalpie liefernden Luftstrom umspült ist.A preferred device for fuel processingaccording to the method of the invention thus has anozzle-like chamber outlet opening for mixingdirection, which is acted upon by the additional air flowis being struck. As is usual with thisat or upstream of the evaporator cam inletmer provided an atomizer for the fuel byaround the air flow delivering the enthalpy of vaporizationis rinsed.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der inFig. 1 gezeigten Prinzipdarstellung, währendFig. 2 eine Weiterbildung zeigt.The invention is explained in more detail with reference to the basic illustration shown inFIG. 1, whileFIG. 2 shows further training.
Mit der Bezugsziffer1 ist eine Brennkammer einer Gasturbine bezeichnet, in die über einen Brennkammer-Eintritt2 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.Reference number1 denotes a combustion chamber of a gas turbine, into which an air / fuel mixture can enter via a combustion chamber inlet2 . This air-fuel mixture is prepared beforehand, ie the initially liquid fuel is evaporated and mixed with an air flow.
Im einzelnen wird hierzu aus einer Zufuhrleitung3 der flüssige Kraftstoff auf einen Zerstäuber4 aufgebracht, der diesen Kraftstoff zu einem feinen Tropfenspray zerstäubt und gleichmäßig über den Querschnitt des den Zerstäuber4 umgebenden Rohres5 verteilt. Zusätzlich gelangt in dieses Rohr5 ein Luftstrom6, der den Zerstäuber4 umspült und der sich somit stromab des Zerstäubers4 mit dem zerstäubten Kraftstoff vermischt. Dieser Mischungsprozeß findet statt in einer Kammer7, die teilweise durch den Innenraum des Rohres5, insbesondere aber durch den Innenraum des sich an das Rohr5 anschließenden Rohres, dessen Wand mit der Bezugsziffer8 bezeichnet ist, gebildet wird. Diese Wand8 begrenzt somit die Kammer7, in der sich wie geschildert ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet.In detail thereto, the liquid fuel is applied to an atomizer4 from a supply line3, of a fine droplet spray zer stäubt this fuel and distributed evenly over the cross section of the cerium atomizers4 surrounding the pipe.5 In addition ge reached in this pipe5, an air flow6 that flows around the Zerstäu about4 and mixes thus downstream of the atomizer4 with the atomized fuel. This Mi process takes place in a chamber7 , which is partly formed by the interior of the tube5 , but in particular by the interior of the tube5 adjoining the tube, the wall of which is designated by the reference number8 . This wall8 thus limits the chamber7 , in which a fuel-air mixture forms as described.
Der Luftstrom6 wird dabei derart dimensioniert, daß sich in der Kammer7 ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch einstellt. Beim Durchströmen der Kammer7 verdampft der Kraftstoff dieses Gemisches zum größten Teil, wobei die hierfür erforderliche Verdampfungsenthalpie im wesentlichen dem Luftstrom6 entnommen wird. Die Verdampfung geht dabei aufgrund der fetten Gemischzusammensetzung relativ rasch vor sich, so daß ideale Voraussetzungen für eine spätere Magerverbrennung mit Kraftstoffvorverdampfung gegeben sind.The air flow6 is dimensioned such that a rich fuel-air mixture is in the chamber7 . When flowing through the chamber7 , the fuel of this mixture evaporates for the most part, the enthalpy of vaporization required for this essentially being taken from the air stream6 . The evaporation is relatively quick due to the rich mixture composition, so that ideal conditions for a later lean combustion with fuel pre-evaporation are given.
Um zu verhindern, daß sich unverbrannte Anteile des Kraftstoffes an der Innenseite der Wand8 anlagern, kann die Wand8 dieser Kammer7 derart ausgebildet sein, daß ein Luftübertritt gemäß Pfeilrichtung9 in die Kammer7 ermöglicht wird. Hierzu kann die Wand8 aus einem porösen Werkstoff bestehen und/oder Luftdurchtrittsöffnungen aufweisen. Stets tritt durch die Poren bzw. durch die Luftdurchtrittsöffnungen ein Luftstrom gemäß Pfeilrichtung9 aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse in die Kammer7 ein und vermischt sich dabei mit den an der Innenseite der Wand8 anliegenden Kraftstofftropfen.In order to prevent unburned portions of the fuel from accumulating on the inside of the wall8 , the wall8 of this chamber7 can be designed in such a way that air can pass into the chamber7 in the direction of the arrow9 . For this purpose, the wall8 can consist of a porous material and / or have air passage openings. An air flow according to the direction of the arrow9 always enters the chamber7 through the pores or through the air openings and mixes with the fuel drops resting on the inside of the wall8 .
Während wie erläutert in der Kammer7 ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt, soll in der Brennkammer1 ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt werden. Daher muß dem aus der Kammer7 über eine Kammer-Austrittsöffnung7b austretenden Gemisch noch ein Zusatzluftstrom10 beigemengt werden. Dieser Zusatzluftstrom10 vermengt sich mit dem aus der Kammer7 austretenden Gemisch in einer sog. Mischkammer11, in der eine Mischvorrichtung12 vorgesehen ist. Um eine optimale Vermischung des über Luftschlitze13 in die Mischkammer11 eintretenden Zusatzluftstromes10 mit dem aus der Kammer7 austretenden Gemisch-Strom zu erzielen, ist die Kammer-Austrittsöffnung7b düsenartig ausgebildet und auf die Mischvorrichtung12 hin ausgerichtet.While, as explained in the chamber7, there is a rich fuel-air mixture, a lean fuel-air mixture is to be burned in the combustion chamber1 . Since the mixture emerging from the chamber7 via a chamber outlet opening7 b must be admixed with an additional air stream10 . This additional air flow10 mixes with the mixture emerging from the chamber7 in a so-called mixing chamber11 , in which a mixing device12 is provided. In order to achieve an optimal mixing of the air vents13 entering the mixing chamber11 to the set air flow10 with the mixture stream emerging from the chamber7 , the chamber outlet opening7 b is designed like a nozzle and is oriented towards the mixing device12 .
Die Mischvorrichtung12 ist so gestaltet, daß sich der Zusatzluftstrom10 mit dem aus der Kammer7 austretenden Gemischstrom homogen vermischt. Gleichzeitig wirkt diese Mischvorrichtung12, stromab derer sich die Brennkammer1 befindet, als Flammhalter, d. h. die Mischvorrichtung12 erzeugt ein zur Flammhaltung geeignetes Strömungsfeld. Hierzu ist die Mischvorrichtung12 wie ersichtlich am Brennkammer-Eintritt2 angeordnet/befestigt.The mixing device12 is designed such that the additional air stream10 mixes homogeneously with the mixture stream emerging from the chamber7 . At the same time, this mixing device12 , downstream of which the combustion chamber1 is located, acts as a flame holder, ie the mixing device12 generates a flow field suitable for keeping the flame. For this purpose, the mixing device12 is arranged / attached to the combustion chamber inlet2 , as can be seen.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, über die Mischvorrichtung12 zusätzlichen Kraftstoff zuzuführen. Hierzu kann eine zusätzliche Kraftstoffleitung14 vorgesehen sein, die an der in dieser Betriebsart als Luftzerstäuber wirkenden Mischvorrichtung12 mündet.In addition, provision can be made to supply additional fuel via the mixing device12 . For this purpose, an additional fuel line14 can be provided, which opens out at the mixing device12 in this operating mode as an air atomizer.
Wird die Gasturbine in der unteren Teillast betrieben, so ist die Temperatur des in die Kammer7 eintretenden Luftstromes6 nur geringfügig höher als die Verdampfungstem peratur der letzten Kraftstofffraktion. Hiermit ergäbe sich somit ein zu geringer Verdampfungsgrad, da die Verdampfungsenthalpie des Luftstromes6 nicht ausreichen würde, um den gesamten Kraftstoff in der Kammer7 zu verdampfen. Um diesem Problem abzuhelfen, kann bzw. können - wieFig. 2 zeigt - neben der Kammer7 eine oder mehrere weitere Kammern17 vorgesehen sein, deren Kammer-Austrittsöffnungen17b ebenso wie die Kammer-Austrittsöffnung7b auf die (gemeinsame) Mischvorrichtung11 hin ausgerichtet sind. Während dann bei höheren Lastpunkten der Gasturbine und somit ausreichender Verdampfungsenthalpie des Luftstromes6 im wesentlichen nur die Kammer7 wie oben geschildert mit fettem Gemisch betrieben wird und die weiteren Kammern17 nur für die Zuführung des Zusatzluftstromes10 vorgesehen sind, können bei niedrigen Luftdrücken und Temperaturen und somit lediglich geringer Luftstrom-Verdampfungsenthalpie alle Kammern7,17 mit magerem Gemisch betrieben werden. Daher weisen auch diese zusätzlichen Kammern17 eintrittsseitig jeweils einen Zerstäuber4 sowie eine nicht gezeigte Kraftstoff-Zufuhrleitung auf.If the gas turbine is operated in the lower part load, the temperature of the air stream6 entering the chamber7 is only slightly higher than the temperature of the last fuel fraction. This would result in an insufficient degree of evaporation since the enthalpy of vaporization of the air stream6 would not be sufficient to evaporate all of the fuel in the chamber7 . In order to remedy this problem, one or more further chambers17 can be provided in addition to the chamber7 , as shown inFIG. 2, the chamber openings from which openings17 b as well as the chamber outlet openings7 b on the (common) Mixing device11 are directed out. Then, at higher load points of the gas turbine and thus sufficient evaporation enthalpy of the air stream6 , essentially only the chamber7, as described above, is operated with a rich mixture and the other chambers17 are only provided for the supply of the additional air stream10 , at low air pressures and temperatures and thus only low air flow enthalpy of vaporization all chambers7 ,17 are operated with a lean mixture. Therefore, these additional chambers17 each have an atomizer4 on the inlet side and a fuel supply line, not shown.
Bevorzugt wird bei der Ausführungsform nachFig. 2 somit im unteren Teillastgebiet der Gasturbine in allen Kammern7,17 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 Kammer7 ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch eingestellt wird. In diesen höheren Lastpunkten dienen wie bereits erwähnt die weiteren Kammern17 dazu, den Zusatzluftstrom10 dem aus der Kammer7 austretenden Gemisch-Strom mit im wesentlichen verdampften Kraftstoff beizumengen, wobei die Funktion der inFig. 1 gezeigten Kraftstoffleitung14 von den nicht gezeigten Kraftstoff-Zufuhrleitungen sowie den Zerstäubern4 in den Kammern17 übernommen werden kann.In the embodiment according toFIG. 2, an essentially identical, lean fuel-air mixture is thus set in all chambers7 ,17 in the lower part-load region of the gas turbine, while in the presence of a sufficient evaporation enthalpy, ie at higher load points, essentially only in a rich fuel-air mixture is set in the central chamber7 . At these higher load points, as already mentioned, the further chambers17 serve to add the additional air stream10 to the mixture stream emerging from the chamber7 with essentially vaporized fuel, the function of the fuel line14 shown inFIG. 1 from those not shown Fuel supply lines and the atomizers4 in the chambers17 can be taken over.
Dabei findet selbstverständlich auch in den niedrigeren Lastpunkten, in den in sämtlichen Kammern7,17 ein mageres Gemisch eingestellt wird, in all diesen Kammern7,17 eine im wesentlichen vollständige Verdampfung des Kraftstoffes statt, da mit diesen geringeren Luftdurchsätzen auch keine solch rasche Verdampfung stattfinden muß. Ebenso wie in mittleren und oberen Lastpunkten, in denen in der Kammer7 erfindungsgemäß ein fettes Gemisch eingestellt wird, stammt dabei jedoch die Verdampfungsenthalpie vollständig aus dem die Kammer durchströmenden Luftstrom6. Stets ist somit eine optimale Magerverbrennung in der Brennkammer1 mit Kraftstoffvorverdampfung in einer Verdampferstrecke bzw. der Kammer7 (17) gewährleistet.Here in the in all chambers7,17, a ma geres mixture is adjusted, in all these chambers7,17 substantially complete evaporation of the fuel is of course also in the lower load points, rather than as sets with these lower air no such rapid Evaporation must take place. Just as in middle and upper load points, in which a rich mixture is set according to the invention in the chamber7 , however, the evaporation enthalpy comes entirely from the air flow6 flowing through the chamber. Optimal lean combustion in the combustion chamber1 with fuel pre-evaporation in an evaporator section or the chamber7 (17 ) is thus always guaranteed.
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