CH661974A5

CH661974A5 - GAS TURBINE BURNER.

Info

Publication number: CH661974A5
Application number: CH1159/82A
Authority: CH
Inventors: Janos M Beer
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1981-02-27
Filing date: 1982-02-25
Publication date: 1987-08-31
Also published as: CA1179156A; AU546612B2; JPS6016866U; GB2094464A; BE892290A; BR8201026A; GB2094464B; NL8200333A; ZA82831B; IT1149777B; JPS57157935A; IN155686B; JPS6126774Y2; MX155871A; AR227092A1; AU7998082A; IT8219859A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasturbinen-Brenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a gas turbine burner according to the preamble of patent claim 1.

Brenner werden in Gasturbinen allgemein verwendet, um Hochdruckgase für die Erzeugung der Turbinenleistung zu entwickeln. Bei derartigen Turbinen wird mittels eines Kompressors einer Brennkammer zugeführtes gasförmiges Reaktionsmittel und Kraftstoff gezündet und in die Einlassseite einer Turbine entladen. Burners are commonly used in gas turbines to develop high pressure gases for generating turbine power. In such turbines, gaseous reactant and fuel supplied to a combustion chamber are ignited by means of a compressor and discharged into the inlet side of a turbine.

Heutzutage werden relativ veredelte Kraftstoffe, wie Kerosin, Dieseltreibstoffe oder Erdgas verwendet, welche in der Vergangenheit relativ leicht erhältlich waren; das Gasreaktionsmittel kann Luft, Sauerstoff, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Kohlendioxid sein. Wie in der britischen Patentschrift 1 099 959, erteilt am 17. Januar 1968, offenbart, können durch Mischen und Zünden von Kraftstoff und gasförmigem Reaktionsmittel hohe Wärmeaustrittswerte unter turbulenten Zuständen erreicht werden, indem die Konzentrationen und Richtungen des Kraftstoff- und Gasreaktions-mittelstroms derart aufeinander abgestimmt werden, dass die Bereiche hoher Kraftstoffkonzentrationen mit Bereichen grosser Schubspannungen im Gasreaktionsmittelstrom überlappen. Nowadays relatively refined fuels such as kerosene, diesel fuel or natural gas are used, which were relatively easy to obtain in the past; the gas reactant can be air, oxygen, oxygen enriched air or carbon dioxide. As disclosed in British Patent 1,099,959, issued January 17, 1968, by mixing and igniting fuel and gaseous reactant, high heat output values under turbulent conditions can be achieved by concentrating the concentrations and directions of the fuel and gas reactant streams together be agreed that the areas of high fuel concentrations overlap with areas of large shear stresses in the gas reactant flow.

Speziell angesichts der Energieverknappung wird die Verwendung minderwertiger Kraftstoffe, wie hochstickstoffhaltige, hocharomatische Petrolkraftstoffe, Schieferöle und verflüssigte Kohle zum Turbinenantrieb als wünschenswert betrachtet. In view of the energy shortage in particular, the use of low-quality fuels, such as high-nitrogen-containing, highly aromatic petroleum fuels, shale oils and liquefied coal for turbine drive, is considered desirable.

Die Hauptprobleme, die zusätzlich zur Leistungserzielung und einem genauen Mischen von Gasen mit den genannten Kraftstoffen auftreten, betreffen die Flammstabilisierung, das Eliminieren von Schwingungen und Lärm und die Steuerung der Schadstoffemissionen, speziell von kohlenstoffhaltigen Teilchen und Stickstoffoxiden (NOx). Von Verbrennungsvorgängen emittierte Stickstoffoxide stammen von zwei Hauptquellen, nämlich dem Stickstoffentzug aus der Verbrennungsluft bei hohen Temperaturen und der Umwandlung ursprünglich im Kraftstoff gebundener Stickstoffbestandteile in NOx. Wenn der Stickstoffgehalt des Kraftstoffs 0,1 Gew.% übersteigt, spielt der kraftstoffgebundene Stickstoff eine zunehmend wichtigere Rolle bei der Emission von NOx. Die Gesetzmässigkeiten, nach denen die Bildung von NOx aus diesen beiden Hauptquellen stattfindet, weichen jedoch sehr voneinander ab. Beispielsweise hängt die Bildung von NOx aus Stickstoff der Luft in erster Linie von der Verbrennungstemperatur ab und wird im allgemeinen als «thermisches NOx» bezeichnet, währenddessen der Umfang der Bildung von NOx aus ursprünglich im Kraftstoff gebundenem Stickstoff, im allgemeinen als «Kraftstoff-NOx» bezeichnet, weitgehend von den herrschenden Kraft-stoff/Luft-Mischungsverhältnissen und nur zu einem geringen Grad von der Temperatur abhängt. The main problems that arise in addition to achieving performance and accurately mixing gases with the fuels mentioned relate to flame stabilization, the elimination of vibrations and noise, and the control of pollutant emissions, especially of carbon-containing particles and nitrogen oxides (NOx). Nitrogen oxides emitted by combustion processes come from two main sources, namely the nitrogen extraction from the combustion air at high temperatures and the conversion of nitrogen components originally bound in the fuel into NOx. When the nitrogen content of the fuel exceeds 0.1% by weight, the fuel-bound nitrogen plays an increasingly important role in the emission of NOx. However, the laws governing the formation of NOx from these two main sources are very different. For example, the formation of NOx from nitrogen in the air primarily depends on the combustion temperature and is generally referred to as "thermal NOx", meanwhile the extent of the formation of NOx from nitrogen originally bound in the fuel, generally as "fuel NOx" referred to, largely depends on the prevailing fuel / air mixture ratios and depends only to a small extent on the temperature.

Um die Umwandlung von kraftstoffgebundenem Stickstoff in NOx zu minimieren, ist es notwendig, den Kraftstoff zunächst thermisch zu zersetzen, indem er in einem sauerstoffarmen Milieu erhitzt wird, und anschliessend werden die Verbrennungsprodukte und die Verbrennungsluft zur Vollendung des Verbrennungsvorgangs zugemischt. Die neuere Forschung hat gezeigt, dass unter bestimmten kraftstoffreichen Bedingungen und einer ausreichend langen Verweilzeit und -temperatur in der ersten oder Pyrolysestufe des Verbrennungsprozesses, der kraftstoffgebundene Stickstoff s In order to minimize the conversion of fuel-bound nitrogen to NOx, it is first necessary to thermally decompose the fuel by heating it in a low-oxygen environment, and then the combustion products and the combustion air are mixed in to complete the combustion process. Recent research has shown that under certain fuel-rich conditions and a sufficiently long residence time and temperature in the first or pyrolysis stage of the combustion process, the fuel-bound nitrogen s

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als unschädlich für die NOx-Bildung in der kraftstoffarmen zweiten Stufe betrachtet werden kann. Dies geschieht durch die Umwandlung in molekularen Stickstoff(N2) in der kraftstoffreichen ersten Stufe. Es muss jedoch Vorsicht walten, wenn die restliche Verbrennungsluft zugemischt wird, um lokal hohe Temperaturen zu vermeiden, die zu einer Bildung von thermischem NOx führen würden. Dies wird erreicht, indem Verbrennungsluft und Pyrolyseprodukte derart zugemischt werden, dass die Gemischtemperatur zu Anfang durch ein rasches Mischen herabgesetzt wird. Dadurch werden die Reaktionen gestoppt, die ansonsten zu einer Bildung von thermischem NOx führen würden. Stromabwärts tritt ein Temperaturanstieg durch die Aufnahme von Sauerstoff durch die Pyrolyseprodukte und exothermische Verbrennungsreaktionen auf. Um diese Zustände zu bewerkstelligen, muss das Temperaturverhalten des Gemisches in engen Grenzen geregelt werden, um sicherzustellen, dass die Verbrennungen von Russ und Kohlenwasserstoff innerhalb der Verweilzeit im Brenner bis zu ihrem Abschluss fortschreiten kann, während die Temperaturen in der kraftstoffarmen Stufe unter 1600°K gehalten werden. can be regarded as harmless for the formation of NOx in the low-fuel second stage. This is done by converting it to molecular nitrogen (N2) in the fuel-rich first stage. However, caution must be exercised when the remaining combustion air is mixed in to avoid locally high temperatures that would lead to the formation of thermal NOx. This is achieved by mixing combustion air and pyrolysis products in such a way that the mixture temperature is initially reduced by rapid mixing. This stops the reactions that would otherwise lead to the formation of thermal NOx. Downstream there is an increase in temperature due to the uptake of oxygen by the pyrolysis products and exothermic combustion reactions. In order to accomplish these conditions, the temperature behavior of the mixture must be regulated within narrow limits to ensure that the soot and hydrocarbon burns can progress to completion within the residence time in the burner, while the temperatures in the low fuel stage are below 1600 ° K being held.

Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Gasturbinen-Brenner zu schaffen, der imstande ist, die Bildung von Stickstoffoxid-Produkten zu eliminieren, indem die Mischungs- und Temperaturverhältnisse des Kraftstoffs auf bekannte thermodynamische Erfordernisse des Verbrennungsvorgangs abgestimmt werden. The object of the invention is therefore to provide a gas turbine burner which is able to eliminate the formation of nitrogen oxide products by matching the mixture and temperature ratios of the fuel to known thermodynamic requirements of the combustion process.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe schafft daher einen Gasturbinen-Brenner nach den kennzeichnenden Merkmalendes Patentanspruchs 1. The solution to this problem according to the invention therefore creates a gas turbine burner according to the characterizing features of patent claim 1.

Ausführungsformen davon sind durch die abhängigen Ansprüche definiert. Embodiments thereof are defined by the dependent claims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. In der Zeichnung zeigen: The invention is explained below with reference to the drawing, for example. The drawing shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinen-Brenners nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, in der die Bildung von kraftstoffreichen bzw., kraftstoffarmen Toroid-Wirbelströmen in einem ersten und einem zweiten Verbrennungshohlraum gezeigt ist, 1 shows a schematic representation of a gas turbine burner according to a preferred embodiment of the invention, in which the formation of fuel-rich or, fuel-poor toroid eddy currents is shown in a first and a second combustion cavity,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zur Verdeutlichung des Einsatzes eines konvergierend-divergierenden Einschnürabschnitts zum Trennen und Verstärken derToroid-Wirbel-ströme im ersten und zweiten Verbrennungshohlraum, und Fig. 2 is a schematic illustration of a second embodiment of the invention to illustrate the use of a converging-diverging neck portion to separate and amplify the toroidal eddy currents in the first and second combustion cavities, and

Fig. 3 eine vergrösserte, zum Teil weggebrochen dargestellte Schnittdarstellung zur Verdeutlichung der Anordnung von Drallschaufeln in den Ringdurchlässen zwischen den konzentrischen Rohren. Fig. 3 is an enlarged, partially broken away sectional view to illustrate the arrangement of swirl vanes in the ring passages between the concentric tubes.

In Fig. 1 ist ein Brenner 10 dargestellt, der eine Anordnung von sechs koaxialen Rohren 11 bis 16 aufweist, deren Durchmesser von innen nach aussen ansteigt. Diese Rohre können in herkömmlicher Weise (nicht gezeigt) in einer Wärmegeneratoranlage oder einer Leistungsturbine untergebracht sein. Die überlappende, im wesentlichen konzentrische Ausrichtung der Rohre 11 bis 16 begrenzt einen zentralen Durchlass 1 la und Ringdurchlässe 12a bis 16a, die sich in Längsrichtung zwischen den entsprechenden Rohrwänden erstrecken. Der zentrale bzw. die Ringdurchlässe 1 la bis 16a begrenzt/ begrenzen eine zentrale Eingangsöffnung bzw. ringförmige Eingangsöffnungen, die an einem Ende der Rohre (siehe die Strömungspfeile in Fig. 1) ausgebildet sind. Innerhalb der Auslassöffnungen der Rohre 11 bis 16 sind entlang des inneren Endes der inneren Rohre jeweils ringförmige divergierende Düsen 20 bis 24 vorgesehen. Diese Düsen dienen zur Bildung gasförmiger Umhüllungen, dieToroid-Wirbel-ströme (vgl. Fig. 1) einschliessen, um so einen ersten bzw. 1 shows a burner 10 which has an arrangement of six coaxial tubes 11 to 16, the diameter of which increases from the inside to the outside. These tubes can be housed in a conventional manner (not shown) in a heat generator system or a power turbine. The overlapping, essentially concentric alignment of the pipes 11 to 16 delimits a central passage 11a and ring passages 12a to 16a, which extend in the longitudinal direction between the corresponding pipe walls. The central or the ring passages 11a to 16a delimit a central entry opening or ring-shaped entry openings which are formed at one end of the tubes (see the flow arrows in FIG. 1). Annular diverging nozzles 20 to 24 are provided within the outlet openings of the tubes 11 to 16 along the inner end of the inner tubes. These nozzles are used to form gaseous envelopes which enclose toroidal eddy currents (see FIG. 1) so as to create a first or

zweiten Verbrennungshohlraum oder -stufen 30 bzw. 40 zu umgrenzen. Innerhalb der zentralen Öffnung ist auf die Brenner-Längsmittellinie L ausgerichtet eine Einlassdüse 31 zur Zufuhr von Kraftstoff zum ersten Hohlraum 30 vorgesehen. to delimit second combustion cavity or stages 30 or 40. An inlet nozzle 31 for supplying fuel to the first cavity 30 is provided within the central opening, aligned with the burner longitudinal center line L.

Der erste Hohlraum 30 bildet eine kraftstoffreiche Stufe des Combustors 10, die sich von der Kraftstoffstrahldüse 31 nach vorne entlang der divergierenden Düsen 20 bis 22 erstreckt. Wie gezeigt, nimmt der Axialabstand dieser Düsen im Verhältnis ihres Radialabstandes von der Combustor-Mit-tellinie Lzu, um einen divergierenden Hohlraum mit einer im wesentlichen konkaven äusseren Begrenzung zu definieren. Der zweite Hohlraum 40 bildet eine kraftstoffarme Stufe des Combustors 10, die sich entlang der divergierenden Düsen 22 bis 24 erstreckt. Diese zweiten divergierenden Düsen sind in gleich grossem Abstand im Verhältnis zu ihrem Radialabstand von der Brennermittellinie L vorgesehen, um einen zweiten divergierenden Hohlraum abzugrenzen, der eine im wesentlichen geradlinige äussere Umgrenzung besitzt. Diese zweite Stufe befindet sich unmittelbar stromabwärts vom ersten Hohlraum 30. Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt sowohl der erste als auch der zweite Hohlraum 30,40 jeweils zwei divergierende Düsen, wobei die am weitesten aussen liegende divergierende Düse 22 des ersten Hohlraums im wesentlichen die innerste Düse des zweiten Hohlraums begrenzt. The first cavity 30 forms a fuel-rich step of the combustor 10, which extends forward from the fuel jet nozzle 31 along the diverging nozzles 20 to 22. As shown, the axial distance of these nozzles increases in proportion to their radial distance from the combustor center line L to define a diverging cavity with a substantially concave outer boundary. The second cavity 40 forms a low-fuel stage of the combustor 10, which extends along the diverging nozzles 22 to 24. These second diverging nozzles are provided at the same distance in relation to their radial distance from the burner center line L in order to delimit a second diverging cavity which has a substantially rectilinear outer boundary. This second stage is located immediately downstream of the first cavity 30. As shown in Fig. 1, both the first and second cavities 30, 40 each have two diverging nozzles, the outermost diverging nozzle 22 of the first cavity essentially the innermost nozzle of the second cavity is limited.

Wie in Fig. 3 gezeigt, sind mehrere stationäre Leitschaufeln 45 in abstandgebenden Umfangsintervallen in jedem Ringdurchlass vorgesehen, um dem in die Durchlässe 12a bis 14a eintretenden gasförmigen Reaktionsmitteln eine Drallkomponente zu verleihen. Das eintretende Reaktionsmittel kann von einem Kompressor (nicht dargestellt) zugeführt werden. Die Rotation des gasförmigen Reaktionsmittels um die Combustor-Mittellinie L stellt einen vorteilhaften Faktor dar für den erhöhten Wirkungsgrad der Verbrennung und die Steuerung der Gastemperaturen in den beiden Stufen zur Verringerung der Verunreinigung im Abgas, wie nachstehend im einzelnen näher erläutert wird. Die Leitschaufeln 45 sind an den inneren Rohrwandungen eines jeden Rohrpaars befestigt, das jeweils einen der Ringdurchlässe 12a bis 16a begrenzt. Die Leitschaufeln 45 besitzen vorzugsweise einen feststehenden Schaufelwinkel A (vgl. Fig. 3 ) zur Rotation der gasförmigen Reaktionsmittel um die Brennermittellinie L. Eine vollständigere Diskussion der Leitschaufeln 45 findet sich in Combustion Aerodynamics von J.M. Beer und N.A. Chigier, Elsevier, 1972, Kapitel 5. As shown in Fig. 3, a plurality of stationary vanes 45 are provided at spacing circumferential intervals in each ring passage to impart a swirl component to the gaseous reactants entering the passages 12a to 14a. The incoming reactant can be supplied from a compressor (not shown). The rotation of the gaseous reactant around the combustor center line L is an advantageous factor for the increased efficiency of the combustion and the control of the gas temperatures in the two stages for reducing the pollution in the exhaust gas, as will be explained in more detail below. The guide vanes 45 are fastened to the inner tube walls of each pair of tubes, which each delimit one of the ring passages 12a to 16a. The guide blades 45 preferably have a fixed blade angle A (see FIG. 3) for rotating the gaseous reactants around the burner center line L. A more complete discussion of the guide blades 45 can be found in Combustion Aerodynamics by J.M. Beer and N.A. Chigier, Elsevier, 1972, Chapter 5.

Im Betrieb werden flüssiger, gasförmiger oder disper-gierter Kraftstoff in den ersten Hohlraum 30 durch die Düse 31 eingespritzt und mit gasförmigem Reaktionsmittel, das durch die divergierenden Düsen 20 bis 22 der ersten Stufe zugeführt wird, vermischt. Der lebhaft drehende gasförmige Reaktionsmittelstrom bildet, in Verbindung mit der Divergenz innerhalb des ersten Hohlraums 30, eine Toroid-Wirbel-strömung, wie sie durch die Strömungslinien T (Fig. 1) In operation, liquid, gaseous or dispersed fuel is injected into the first cavity 30 through the nozzle 31 and mixed with gaseous reactant supplied through the diverging nozzles 20 to 22 to the first stage. The vigorously rotating gaseous reactant stream, in conjunction with the divergence within the first cavity 30, forms a toroidal vortex flow, as is shown by the flow lines T (FIG. 1)

gezeigt ist. Im zweiten Hohlraum 40 wird eine zweite Toroid-Wirbelströmung, mit den Strömungslinien T', innerhalb der Umhüllung des Reaktionsmittels erzeugt, das in den Hohlraum durch die Ringdurchlässe 15a, 16a eintritt. is shown. In the second cavity 40, a second toroidal vortex flow, with the flow lines T ', is generated within the envelope of the reactant that enters the cavity through the ring passages 15a, 16a.

Jede Toroid-Wirbelströmung erstreckt sich längslaufend innerhalb eines Hohlraums und besitzt ein entlang der Brenner-Mittellinie L in Richtung des Kraftstoffstrahls 31 umlaufendes Strömungsbild. Etwas stromabwärts der Toroid-Wirbelströmung T, befindet sich eine Staudruckzone P. Um eine genaue Flammstabilisierung und Trennung im ersten Hohlraum 30 zu erreichen, muss der Axialabstand zwischen den divergierenden Düsen 21 und 22 ausreichend gross sein, um eine genügende Trennung der Wirbelströme T, Each toroidal vortex flow extends longitudinally within a cavity and has a flow pattern circulating along the burner center line L in the direction of the fuel jet 31. There is a dynamic pressure zone P somewhat downstream of the toroidal vortex flow T. In order to achieve precise flame stabilization and separation in the first cavity 30, the axial distance between the divergent nozzles 21 and 22 must be sufficiently large to ensure sufficient separation of the eddy currents T,

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10 10th

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T' in jedem Hohlraum 30,40 aufrechtzuerhalten, wie nachstehend erörtert. T 'in each cavity 30, 40 as discussed below.

Der erste dieser Wirbelströme erzeugt eine kraftstoffreiche Stufe des Brenners 10, bestehend aus dem Kraftstoff, der entlang der Brenner-Mittellinie L eingeführt wird und einem Anteil der stöch io metrischen Verbrennungsluft. Typischerweise werden % der stöchiometrischen Verbrennungsluft durch die drei am weitesten innen liegenden Rohre 12 bis 14 eingeführt. Die heftige Reaktion dieser Zone ist entscheidend für das rasche Verdampfen des flüssigen Kraftstoffs, die effektive Umwandlung von kraftstoffgebundenem Stickstoff in N2 und auch zur Vermeidung einer exzessiven Bildung von Russ in der kraftstoff reichen Zone. Die zweite Toroid-Wirbelströmung T', die im zweiten Hohlraum 40 geformt wird, bildet eine kraftstoffarme Verbrennungsstufe, in der die Verbrennungsprodukte der ersten Stufe rasch gekühlt werden, um die thermische NOx-Bildungsreaktion zu stoppen, während die Mischtemperatur für die Vervollständigung der Verbrennung von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff und Russ aus dem ersten Hohlraum 30 ausreichend hoch gehalten wird. The first of these eddy currents creates a fuel-rich stage of the burner 10, consisting of the fuel that is introduced along the burner center line L and a portion of the stoichiometric combustion air. Typically,% of the stoichiometric combustion air is introduced through the three innermost tubes 12-14. The violent reaction of this zone is crucial for the rapid evaporation of the liquid fuel, the effective conversion of fuel-bound nitrogen into N2 and also for the avoidance of excessive soot formation in the fuel-rich zone. The second toroidal vortex flow T ', which is formed in the second cavity 40, forms a low fuel combustion stage in which the combustion products of the first stage are rapidly cooled to stop the thermal NOx formation reaction while the mixing temperature for the completion of the combustion of Carbon monoxide, hydrocarbon and soot from the first cavity 30 is kept sufficiently high.

Die Kühlung der Rohrwände, d.h. die Abschnitte der Rohre 12 bis 16, diezwischen den divergierenden Düsen 20 bis 24 liegen, ist rekuperativ wodurch es möglich wird, dass die gesamte Menge des gasförmigen Reaktionsmittels die Wände kühlt, indem es an ihnen vorbeiströmt und Wärme in das Verbrennungssystem des ersten und zweiten Hohlraums 30,40 zurückführt. Diese die Wirbelströme umgebende Umhüllung reduziert den Wärmeverlust aus der kraftstoffreichen Stufe, was wünschenswert ist, da hohe Temperaturen helfen, die chemischen Reaktionen der Umwandlung des kraftstoffgebundenen Stickstoffs in Nîzu beschleunigen. Das gesamte gasförmige Reaktionsmittel tritt axial ein, wodurch die Rohrwände wirksam gekühlt werden. Es ist nicht nötig, einen Teil des gasförmigen Reaktionsmittels als «Schleierkühler» für die Wände zu benutzen, somit steht die gesamte Menge des gasförmigen Reaktionsmittels zur effizienten Lenkung des Strömungs- und Mischgebildes im Combustor 10 zur Verfügung. Eine gute Kontrolle der Strömungs- und Mischungsgebilde bei einer einfachen Brennergeometrie gestattet ferner, dass der Druckabfall über den Brenner auf niedrigeren Werten gehalten werden kann als bei herkömmlichen Combustoren, die auf entsprechendem Leistungsniveau arbeiten. The cooling of the pipe walls, i.e. the portions of the tubes 12-16 that lie between the diverging nozzles 20-24 are recuperative allowing the total amount of the gaseous reactant to cool the walls by flowing past them and heat into the combustion system of the first and second cavities 30.40 returns. This envelope surrounding the eddy currents reduces heat loss from the fuel-rich stage, which is desirable because high temperatures help accelerate the chemical reactions of converting the fuel-bound nitrogen to Ni. All of the gaseous reactant enters axially, effectively cooling the tube walls. It is not necessary to use part of the gaseous reactant as a “veil cooler” for the walls, so the entire amount of the gaseous reactant is available in Combustor 10 for efficient control of the flow and mixed structure. Good control of the flow and mixture structures with a simple burner geometry also allows the pressure drop across the burner to be kept at lower values than with conventional combustors that operate at the appropriate performance level.

Das zur Vervollständigung der Verbrennung und Herabsetzung der Temperatur in der kraftstoffarmen Zone des zweiten Hohlraums 40 benötigte gasförmige Reaktionsmittel wird durch divergierende Düsen 22 bis 24 bereitgestellt. Eine rasche Mischung zwischen diesem gasförmigen Reaktionsmittel und den Produkten der kraftstoffreichen Zone führt zu einer Senkung der Mischungstemperatur auf unter 1600°K, die benötigt wird, um sicherzustellen, dass wenig oder überhaupt kein thermisches NOx gebildet und dass trotzdem die Temperatur ausreichend hoch gehalten wird, um die Brennstoffe zu verbrennen. Hohe turbulente Schubspannungen, die zwischen benachbarten divergierenden Düsen auftreten, führen zu einer gleichförmigen Verteilung der Fluideigenschaften, wie der Gastemperatur, über den Querschnitt des Combustors 10, was für den Gasturbineneinsatz vorteilhaft ist. Nötigenfalls kann zusätzlicher Kraftstoff entweder flüssig, gasförmig oder dispergiert an anderen Stellen entlang des Brenners zugeführt werden, entweder axial durch einen Ringstrahl (nicht gezeigt) in die Rohre, oder tangential durch eine oder mehrere Rohrwände zwischen benachbarten divergierenden Düsen. The gaseous reactant needed to complete the combustion and lower the temperature in the low fuel zone of the second cavity 40 is provided by divergent nozzles 22 through 24. A rapid mixture between this gaseous reactant and the products in the fuel-rich zone leads to a reduction in the mixture temperature to below 1600 ° K, which is required to ensure that little or no thermal NOx is formed and that the temperature is nevertheless kept sufficiently high, to burn the fuels. High turbulent shear stresses that occur between adjacent diverging nozzles lead to a uniform distribution of the fluid properties, such as the gas temperature, over the cross section of the combustor 10, which is advantageous for gas turbine use. If necessary, additional fuel can be supplied either liquid, gaseous or dispersed at other locations along the burner, either axially through a ring jet (not shown) into the tubes, or tangentially through one or more tube walls between adjacent divergent nozzles.

Zum Zwecke der Stabilisierung der Toroid-Wirbelströme und weiteren Verstärkung der Umlauf Strömung der kraftstoffreichen Wirbelströmung ist eine Einschnüranordnung vorgesehen zur Erhöhung des Staudrucks im Bereich P. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst eine derartige Anordnung vorzugsweise einen Ring 42 aus Düsen, die sich um das Rohr 14 herum zwischen divergierenden Düsen 21,22 erstrecken. Druckluft wird radial nach innen durch die Ringdüsen 42 in den Staubereich P innerhalb der kraftstoffreichen Toroid-Wirbelströmung T eingespritzt. Nach der Verbrennung in der kraftstoffreichen Wirbelströmung T treten die Verbrennungsprodukte aus dem ersten Hohlraum 30 stromabwärts in den zweiten Hohlraum 40, um die Verbrennung im kraftstoffarmen Wirbelstrom 40 zu vervollständigen. For the purpose of stabilizing the toroidal eddy currents and further strengthening the circulating flow of the fuel-rich eddy flow, a constricting arrangement is provided for increasing the dynamic pressure in the region P. As shown in FIG. 1, such an arrangement preferably comprises a ring 42 made of nozzles that are around the tube 14 extends between diverging nozzles 21, 22. Compressed air is injected radially inward through the ring nozzles 42 into the accumulation area P within the fuel-rich toroidal vortex flow T. After combustion in the fuel-rich vortex flow T, the combustion products from the first cavity 30 downstream into the second cavity 40 to complete the combustion in the low-fuel eddy current 40.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der ein zusätzliches Rohr 14' zwischen den Rohren 14 und 15 gelagert ist. Ein Einschnürabschnitt des Rohres 14' liegt zwischen längsbeabstandeten benachbarten Düsen 21, 22 (welche erste und zweite Hohlräume 30,40 begrenzen). Die Einschnürung ist mit konvergierenden ringförmigen Wandabschnitten 14a' und divergierenden Wandabschnitten 14b' versehen, so dass ein Einschnürdurchlass abgegrenzt wird, der imstande ist, die kraftstoffreichen und die kraftstoffarmen Wirbelströme zu trennen, indem der Staudruck im Bereich P erhöht wird und eine Verstärkung der Umlaufströmung des kraftstoffreichen Wirbelstroms stattfindet. Die Bildung der Einschnürung in dieser Weise verbessert auch eine rasche Zumischung von Luft im zweiten Hohlraum 40 zu Verbrennungsprodukten vom ersten Hohlraum 30, um die thermischen NOx-Bildungsreaktionen im zweiten Hohlraum auszulöschen. Zusätzlich erfolgt eine Verstärkung der umlaufenden kraftstoffreichen Wirbelströmung, um heisse Verbrennungsprodukte für eine Mischung mit frischem Kraftstoff zur Sicherstellung der Flammstabilität zurückzuleiten. Fig. 2 shows a second embodiment of the invention, in which an additional tube 14 'is mounted between the tubes 14 and 15. A neck portion of the tube 14 'lies between longitudinally spaced adjacent nozzles 21, 22 (which delimit first and second cavities 30, 40). The constriction is provided with converging annular wall sections 14a 'and diverging wall sections 14b', so that a constriction passage is delimited, which is able to separate the fuel-rich and the fuel-low eddy currents by increasing the dynamic pressure in the region P and increasing the circulation flow of the fuel-rich eddy current takes place. The formation of the throat in this manner also improves a rapid admixture of air in the second cavity 40 to combustion products from the first cavity 30 to extinguish the thermal NOx formation reactions in the second cavity. In addition, the circulating fuel-rich vortex flow is amplified in order to return hot combustion products for a mixture with fresh fuel in order to ensure flame stability.

Zur Erleichterung der raschen Mischung zwischen dem gasförmigen Reaktionsmittel, das durch die benachbarten Ringdurchlässe 12a bis 16a zugeführt wird, sind die divergierenden Düsen 20 bis 24 als venturi-förmige Axialabschnitte geformt. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, wird jede divergierende Düse 20 bis 24 aus einem Ring gebildet mit einem Abschnitt, der nach innen und um einen kleinen Abstand zu einem minimalen Innendurchmesser hin konvergiert und dann graduell in Richtung auf die Austrittsöffnung divergiert. Die benachbarten Rohrenden der ringförmigen Austrittsöffnungen sind vorzugsweise aufgeweitet, um die Divergenz einer jeden Düse fortzuführen. In order to facilitate the rapid mixing between the gaseous reactant, which is supplied through the adjacent ring passages 12a to 16a, the diverging nozzles 20 to 24 are shaped as venturi-shaped axial sections. As shown in FIGS. 1 and 2, each diverging nozzle 20 to 24 is formed from a ring with a portion that converges inwardly and a small distance to a minimum inside diameter and then gradually diverges toward the exit opening. The adjacent tube ends of the annular exit openings are preferably widened to continue the divergence of each nozzle.

Zur Verstärkung des rezirkulierenden Stroms der kraftstoffreichen Wirbelströmung ist es wünschenswert, den Winkel der Leitschaufeln 45 so einzustellen, dass im innersten Ringdurchlass die höchste Drallgeschwindigkeit erzielt wird. Die Drallgeschwindigkeit sinkt dann mit zunehmendem Radialabstand von der Brenner-Mittellinie L. To increase the recirculating flow of the fuel-rich vortex flow, it is desirable to adjust the angle of the guide vanes 45 so that the highest swirl speed is achieved in the innermost ring passage. The swirl speed then decreases with increasing radial distance from the burner center line L.

Zur Verbesserung der Rezirkulationsströmung der kraftstoffreichen Toroid-Wirbelströmung im ersten Hohlraum 30 nimmt der radiale Abstand zwischen den benachbarten Düsen von der Brenner-Mittellinie L aus zu, damit eine konkav geformte Umhüllung innerhalb des divergierenden Hohlraums begrenzt wird. Die entsprechende Hüllkurve erstreckt sich entlang der Spitzen der divergierenden Düsen, wie durch die Projektionslinien C gezeigt. To improve the recirculation flow of the fuel-rich toroidal swirl flow in the first cavity 30, the radial distance between the adjacent nozzles increases from the burner center line L, so that a concave-shaped envelope is limited within the diverging cavity. The corresponding envelope extends along the tips of the diverging nozzles, as shown by the projection lines C.

Die axial auf Abstand liegende Anordnung der divergierenden Düsen 22 bis 24 im zweiten Hohlraum 40 lässt eine kegelstumpfförmige, sich entlang der Düsen erstreckende Kontur (dargestellt durch die geraden Projektionslinien C) erzielen, durch welche eine grössere Kontrolle über die thermische NOx-Bildung erreicht wird. The axially spaced arrangement of the diverging nozzles 22 to 24 in the second cavity 40 allows a frustoconical contour extending along the nozzles (represented by the straight projection lines C) to be achieved, through which greater control over the thermal NOx formation is achieved.

Die vorstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgte zum Zwecke der Illustration und Veranschaulichung. Die Erfindung soll dadurch nicht erschöpfend behandelt oder auf die präzise offenbarte The foregoing description of a preferred embodiment of the invention has been presented for purposes of illustration and illustration. The invention is not intended to be exhaustive or to the precise disclosed

4 4th

s s

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

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Form beschränkt werden, und es sind offensichtlich viele Modifikationen und Variationen im Rahmen der vorstehenden Lehre möglich. Die Ausführungsform wurde gewählt und dargestellt, um die Prinzipien der Erfindung im Sinne dern, damit andere einschlägige Fachleute fähig sind, die Erfindung in verschiedenartigen Ausführungsformen und bei unterschiedlichen Modifikationen, die auf den speziellen beabsichtigten Einsatz abgestellt sind, bestmöglichst auszu- Form are limited, and obviously many modifications and variations are possible within the scope of the above teaching. The embodiment was chosen and illustrated to best reflect the principles of the invention, so that other skilled artisans will be able to best practice the invention in various embodiments and with various modifications adapted to the particular intended use.

einer praktikablen Anwendung am deutlichsten zu schil- s werten. most clearly to value a practical application.

B B

3 Blatt Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims

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2nd

PATENT CLAIMS

1. Gas turbine burner (10) for reducing the emission of nitrogen oxide products NOx during the combustion of fuels containing nitrogen and highly aromatic components, characterized in that the burner comprises a plurality of substantially coaxial tubes (11 to 16), the annular passages (12 a to 16a) with concentric annular openings intended to receive fuel and a swirled gaseous reactant, and several essentially concentric, vent-like nozzles (20 to.) located at the downstream end of the passages (12a to 16a) 24), interacting in groups, are located at such an axial distance that the nozzle groups (20, 21; 22, 23, 24) delimit first and second downstream diverging cavities (30, 40) which communicate with one another, the second cavity (40) is downstream of the first cavity (30) and the distance between the nozzle groups is selected in order to form a fuel-rich and a low-fuel toroid eddy current (T, T ') in the first and second cavities (30, 40), and that a constriction means (42; 214a ') for separating the fuel-rich from the low-fuel eddy current (T, T') is present.

2. Gas turbine burner according to claim 1, characterized in that swirl generators (45) are arranged in the passages (12a to 16a) in order to impart a swirl velocity component to the gaseous reactant, as a result of which a rotation of the gaseous reactant around the longitudinal axis of the burner (L ) is possible.

3. Gas turbine burner according to claim 2, characterized in that the swirl generator comprises a plurality of guide vanes (45) which are fixedly attached at circumferential distances from one another within the ring passages (12a to 16a) at a predetermined blade angle.

4. Gas turbine burner according to claim 3, characterized in that the predetermined angle of the guide vanes (45) is selected such that the greatest swirl flow velocity in the innermost, with the first cavity (30) communicating ring passage (12a) and with increasing the radial distance from the longitudinal center line (L) of the burner decreasing swirl flow velocity, which enables the formation of the toroidal eddy currents (T, T ') to minimize the NOx products.

5. Gas turbine burner according to one of the preceding claims, characterized in that the constriction means is arranged in a pipe section which is between the last nozzle (21) of the first nozzle group (20,21) and the first nozzle (22) of the second nozzle group ( 22, 23, 24) and that the constricting means in this tube section is formed by a converging part (14a ') and a diverging part (14b') (Fig. 2).

6. Gas turbine burner according to one of claims 1 to 4, characterized in that the constricting means has an arrangement (42) for radially injecting a high-pressure fluid in the vicinity of a stagnation point of the fuel-rich swirl flow, in order thereby this swirl flow by increasing the back pressure and to stabilize further enrichment of the recirculating flow of the fuel-rich vortex flow (Fig. 1).

7. Gas turbine burner according to one of the preceding claims, characterized in that the nozzles (20, 21) delimiting the first cavity (30) are at a distance from one another in the axial direction such that an imaginary casing (C) is delimited with concave edge envelopes and that limit the second cavity (40)

The nozzles (22 to 24) are at a distance from each other in the axial direction in such a way that an imaginary envelope (C) is delimited with straight edge envelopes.