EP0095788A1

EP0095788A1 - Brennkammer einer Gasturbine und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: EP0095788A1
Application number: EP83200492A
Authority: EP
Inventors: Eduard Brühwiler; Hans Koch; Gerald A. Roffe
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1982-05-28
Filing date: 1983-04-07
Publication date: 1983-12-07
Also published as: EP0095788B1; US4967561A; DE3361535D1; JPS58219329A; JPH0356369B2

Abstract

Bei der Brennkammer einer Gasturbine sind innerhalb der Brennkammerhülle (1) eine Luftverteilkammer (19) und ein Brennraum (7) örtlich voneinander getrennt. Zwischen Verteilkammer und Brennraum sind eine Mehrzahl von rohrförmigen Elementen (2) eingeordnet, in denen ein Vormischen und Vorverdampfen des durch Vormischdüsen (15') zugeführten Brennöls und/oder ein Vormischen des durch Vormischdüsen (15") zugeführten Brenngases mit Verdichterluft stattfindet. Jedes rohrförmige Element (2) ist zum Brennraum (7) hin mit einem Flammenhalter (3) versehen. Innerhalb des Flammenhalters ist eine in den Brennraum (7) gerichtete Diffusionsdüse (8) für Brennstoff angeordnet. Im Lastbetrieb wird lediglich ein geringer Teil des jedem Element (2) zugeführten Brennstoffs über die Diffusionsdüse (8) verbrannt, der überwiegende Teil hingegen über die Vormischdüsen (15' resp. 15").

Description

Die Erfindung betrifft die Brennkammer einer Gasturbine gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Anfahren und zum Belasten einer solchen Brennkammer.
Gasturbinen unterliegen zunehmend den strengen Umweltschutzvorschriften vieler Staaten bezüglich Abgaszusammensetzung. Aus dem Betrieb einer Gasturbine bereitet vor allem die Einhaltung der Vorschriften über die maximal erlaubten NO_x-Emissionen grosse Schwierigkeiten. So sind gegenwärtig rechtsgültige Vorschriften in Kraft, namentlich in USA, wonach der Gehalt an NO_x-Emissionen 75 ppm bei 15 Vol.% 0 nicht überschritten werden darf. Aehnliche Vorschriften gilt es in den meisten Industriestaaten zu beachten, wobei eher zu erwarten ist, dass in Zukunft die zulässigen Emissionswerte eine Korrektur nach unten erfahren werden. Diese Vorschriften konnten bis anhin nur unter Zuhilfenahme grosser Wasser- oder Dampfeinspritzungen in den Verbrennungsraum eingehalten werden. Die für die Herabsetzung der Emissionswerte eingesetzten Hilfsmittel, also Wasser oder Dampf, bringen aber einige bedeutende Nachteile mit sich. Wird Wasser in den Verbrennungsraum eingespritzt, so ist mit einer Einbusse des Wirkungsgrades zu rechnen. Darüber hinaus ist Wasser nicht immer und überall in verfügbarer Menge vorhanden, so beispielsweise in niederschlagsarmen Ländern. Ferner muss das Wasser vor dessen Einsatz einer Aufbereitung unterzogen werden, denn viele im Wasser vertretene Mineralien, so beispielsweise Natrium, Kochsalz usw. wirken sich auf ihre Umgebung stark korrosiv aus. Diese Aufbereitung ist indessen kostspielig und energieintensiv. Führt man hingegen dem Verbrennungsraum Dampf zu, so umgeht man die oben erwähnte Wirkungsgradeinbusse. Die Dampferzeugung setzt aber auch Wasser voraus, und dessen Bereitstellung ist nicht minder energieintensiv.
Eine Brennkammer der eingangs genannten Art ohne Wasserrespektiv Dampfeinspritzung ist bekannt aus der DE-A-2950535. Dadurch, dass innerhalb einer Anzahl rohrförmiger Elemente zwischen dem eingespritzten Brennstoff und der Verdichterluft ein Vormisch/Vorverdampfungsprozess bei grosser Luftüberschusszahl abläuft, bevor der eigentliche Verbrennungsprozess stromabwärts eines Flammenhalters stattfindet, können die Emissionswerte an Schadstoffen aus der Verbrennung erheblich reduziert werden. 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 indessen nicht nur die Schadstoffmenge von NO , sondern bewirkt darüber hinaus auch eine konsistente Tiefhaltung anderer Schadstoffe, nämlich wie bereits erwähnt von CO und von unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Dieser Optimierungsprozess kann bei der bekannten Brennkammer in Richtung noch tieferer NO_X-Werte dahin getrieben werden, dass der Raum für Verbrennung und Nachreaktionen viel länger gehalten wird als für die eigentliche Verbrennung notwendig wäre. Dies erlaubt die Wahl einer grösseren Luftüberschusszahl, wobei dann zwar zunächst grössere Mengen CO entstehen, diese aber zu C0₂ weiter reagieren können, so dass schliesslich die CO-Emissionen klein bleiben. Auf der anderen Seite bildet sich aber wegen des grossen Luftüberschusses nur wenig zusätzliches NO. Da mehrere rohrförmige Elemente das Vormischen/Vorverdampfen übernehmen, werden bei der Lastregelung jeweils nur so viele Elemente mit Brennstoff betrieben, dass sich für die jeweilige Betriebsphase (Start, Teillast usw.) die optimale Luftüberschusszahl ergibt.
Eine derartige Brennkammer weist nun jedoch die Unzulänglichkeit auf, dass insbesondere bei Teillast, d.h. wenn nur ein Teil der Elemente brennstoffmässig in Betrieb ist, man an die Grenze der Flammenstabilität stösst, da die Löschgrenze auf Grund des sehr mageren Gemisches und der sich daraus ergebenden niedrigen Flammentemperatur schon bei einer Luftüberschusszahl von etwa 2,0 erreicht wird.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnetist,liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art durch konstruktive Massnahmen die Stabilitätsgrenze im gesamten Betriebsbereich derart anzuheben, dass ein Verlöschen der Flamme mit Sicherheit vermieden wird.
Der Vorteil der Erfindung ist im wesentlichen darin zu sehen, dass auf relativ einfache Weise ein Mittel gegeben ist, durch entsprechende Verteilung des Brennstoffs auf die Vormisch- respektiv Diffusionsdüsen die Verbrennung jederzeit innerhalb der Zündgrenzen zu halten. Besonders günstig wirkt sich weiterhin aus, dass auf die Verwendung der bisherigen Pilotbrenner verzichtet werden kann.
Wird die Brennkammer nach einer Brennstoffregelkurve gefahren, wie sie in den Ansprüchen 4 oder 6 definiert ist, und erfolgt drüber hinaus die sukzessive Zündung der Brenner von innen nach aussen, so liegt neben der geforderten Flammenstabilität eine Verbrennung vor, bei der die CO-Emissionen weitaus bessere Werte aufweisen, als sie beispielsweise mit der eingangs genannten Brennkammer erzielt werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Es zeigt:

Fig. 1 eine Brennkammer im Längsschnitt
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Brennkammer nach Linie A-A in Fig. l;
Fig. 3 das System der Brennstoffzuführung im Längsschnitt;
Fig. 4 eine Brennstoffregelkurve zum Anfahren der Brennkammer im Oelbetrieb;
Fig. 5 eine Brennstoffregelkurve zum Belasten der Brennkammer im Oelbetrieb;
Fig. 6 eine Brennstoffregelkurve zum Belasten der Brennkammer im Gasbetrieb.

Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente, wie beispielsweise die Zu- und Anordnung der Brennkammer an den rotierenden Maschinen, die Brennstoffbereitstellung, die Regeleinrichtungen und dergleichen sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der diversen Arbeitsmedien ist mit Zeilen bezeichnet. In den verschiedenen Figuren sind jeweils gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt stark vereinfacht die Konzeption einer Brennkammer mit der erfindungsgemässen Brennstoffzufuhr. Im oberen Bereich der Brennkammerhülle 1 sind eine grössere Anzahl rohrförmiger Elemente 2 angeordnet, welche den zur Verfügung stehenden Raum optimal ausfüllen. Ein Beispiel einer solchen Anordnung geht aus Fig. 2 hervor, in der 36 rohrförmige Elemente 2 um einen zentralen Zündbrenner 5 angeordnet sind. Die Anzahl ist indessen nbicht zwingend, denn sie hängt von der Grösse zu der Brennkammer ab, welche wiederum in Abhängigkeit zur gewünschten Brennleistung steht. Eine Tragbrücke 27, mit der die rohrförmigen Elemente 2 mittels geeigneter Mittel verbunden sind, ist an einer Tragrippe 23 verankert. Die rohrförmigen Elemente 2 sind etwa in der Mitte ihrer Längserstreckung mittels einer Führungsplatte 6 seitlich geführt. Mehrere Tragelemente 22, welche ihrerseits mit den Tragbrücken 27 fest verbunden sind, tragen die Führungsplatte 6. Selbstverständlich können die rohrförmigen Elemente 2 auch anders als mit der dargestellten Tragbrücke 27 verankert werden; immer wird man aber in solchen Fällen darauf achten müssen, dass die gewählte Verankerung möglichst weit weg vom Brennraum 7 plaziert ist, damit die Wärmedehnungen keine störende Wirkung entfalten können.
Der grössere Teil der verdichteten Luftmenge, die im nicht dargestellten Verdichter bereitgestellt wird, strömt durch die Oeffnungen 9 in eine in der Brennkammerhülle vorgesehene Verteilkammer 19 ein, welche nach unten durch die Tragbrücke 27 und nach oben durch den von der Flanschrippe 38 geflanschten Deckel 35 eingegrenzt wird. Von dieser Verteilkammer 19 aus strömt dann die verdichtete Luft durch die Lufttrichter 14 in die einzelnen rohrförmigen Elemente 2 hinein. Die Brennstoffzuführung wird je rohrförmiges Element 2 durch eine Brennstoffleitung 4 beigestellt, wobei eine ins rohrförmige Element 2 hineinragende Brennstoffdüse 15'. die Zerstäubung des Oels und eine Brennstoffdüse 15" das Einblasen von Gas besorgt. Der Brennstoff vermischt sich mit der einströmenden verdichteten Luft dergestalt, dass im rohrförmigen Element 2 ein Vormisch/Vorverdampfungsprozess abläuft. Dieser Prozess wird durch den Einsatz einer Bordamündung 24 am Lufteingang des rohrförmigen Elementes 2 auf Grund der hierdurch entstehenden Turbulenz intensiviert. In einem solchen Fall muss die Brennstoffeinspritzung bzw. Brennstoffeinblasung durch die Brennstoffdüse 15' respektiv 15" in optimalem Abstand von der Bordamündung 34, aber noch im Bereich der entstandenen Turublenz vorgenommen werden.
In der Zeit, in der Brennstoff und Verbrennungsluft durch das rohrförmige Element 2 bis zum Ausgang eines Flammenhalters 3 strömen, verdampft der Brennstoff und vermischt sich mit der Luft. Der Grad der Verdampfung ist umso stärker, je grösser die Temperatur und die Verweilzeit und je kleiner die Tropfengrösse des zerstäubten Brennstoffes sind. Mit der Zunahme von Temperatur und Druck verringert sich jedoch die kritische Zeitdauer bis zur Selbstzündung des Gemisches, so dass die Länge der rohrförmigen Elemente 2 derart abgestimmt ist, dass eine möglichst gute Verdampfung während einer möglichst kurzen Zeit resultiert. Im Falle von Gas entfällt die Verdampfung; das Gas muss mit der Luft nur gleichmässig verteilt werden.
Der Flammenhalter 3, welcher den Abschluss des stromabwärts gelegenen Teils der rohrförmigen Elemente 2 bildet, hat die Aufgabe, eine Rückzündung der Flamme vom Brennraum 7 ins Innere des rohrförmigen Elementes 2 zu verhindern. Er ist vorzugsweise mit einem Drallkörper 28 versehen, wobei durch dessen Oeffnungen das Gemisch drallförmig zum Brennraum 7 geleitet wird. Der Drallkörper 28 begünstigt durch die stromabwärts in seinem Zentrum auftretende Rückströmung eine stabile Flamme und eine gute Wärmeverteilung, wodurch daraus eine homogene Temperatur und Geschwindigkeitsverteilung nach dem Brennraum 7 resultiert mit dem Effekt, dass die nicht dargestellte Turbine gleichmässig beaufschlagt wird. Soweit sind Brennkammern bekannt.
Gemäss der Erfindung wird nunmehr innerhalb des Flammenhalters 3 eines jeden Elementes 2 eine Diffusionsdüse 8 angeordnet, die den Brennstoff unmittelbar in den Brennraum 7 injiziert. Diese Düse 8 ist sowohl für Oelbetrieb als auch für Gasbetrieb bestimmt. Sie ist derart ausgelegt, dass das Anfahren bei Oelbetrieb ausschliesslich mit Diffusionsverbrennung vorgenommen werden kann, d.h. sie kann die gesamte; einem Element 2 zugeführte Oelmenge verarbeiten. Wegen der bei Gasbetrieb unterschiedlichen Volumenverhältnisse ist es dort nur möglich, bei unverändertem Durchströmquerschnitt der Düse 8 etwa 50 % der gesamten, einem Element 2 zugeleiteten Gasmenge zu verarbeiten.
Ein vereinfachtes Prinzipschema der Brennstoffzufuhr ist aus Fig. 3 ersichtlich. Ueber eine zentrale Leitung 10 wird der Brennstoff, je nach Betriebsart Oel oder Gas, in eine Wirbelkammer 11 geleitet. Die Zerstäubungsluft wird in einem die zentrale Leitung 10 umhüllenden Ringraum 12 geführt und gelangt über Oeffnungen 13 in die Kammer 11. Das Gemisch wird über eine handelsübliche Diffusionsdüse 8 in den Brennraum 7 gespritzt. Gekühlt wird die Diffusionsdüse durch einen Luftstrom, der dem Ringraum 12 stromaufwärts der Wirbelkammer 11 über eine Bohrung 16 entnommen wird und in einer Ringkammer 17 geführt wird, die nach aussen durch eine Hülse 18 begrenzt ist. An dieser Hülse 18 sind die Drallkörper 28 des Flammenhalters 3 befestigt.
Für das sich etwa auf halber Höhe der Elemente 2 befindende Vormischsystem sind für Gas- und Oelbetrieb jeweils getrennte Brennstoffdüsen 15' respektiv 15" vorgesehen. Ausschlaggebend ist hierbei, dass das Oel zweckmässigerweise gegen die Lufteinströmungsrichtung, das Gas hingegen in oder quer zur Luftrichtung in den Mischraum eingeführt wird.
Im Bereich des Vormischsystems ist um die zentrale Leitung 10 eine Ringleitung 20 für das Brennöl angeordnet, die über eine Bohrung 21 mit einer Auslasskammer 24 kommuniziert und zwar etwa in halber Kammerhöhe. Die Zerstäubungsluft wird in diesem Bereich aus konstruktiven Gründen in gleichmässig über dem Umfang verteilten Längsbohrungen 26 geführt, welche an ihrem unteren Ende in den bereits genannten Ringraum 12 münden. An seinem oberen Ende kommuniziert dieser Ringraum 12 mit dem unteren, verschlossenen Ende der Auslasskammer 24 über eine Bohrung 29. Die Auslasskammer 24 ist an ihrem oberen Ende mit einer Ringdüse 15' versehen, über*die das Gemisch gegen die Brennluft in den eigentlichen Misch- und Verdampfungsraum eingespritzt wird. Die Wahl eines hierfür geeigneten Einspritzwinkels ist von entscheidender Bedeutung für das Ausmass der Vormischung sowie dafür, dass kein unvernebeltes Oel an die Wand des Elementes 2 gelangt. Es versteht sich, dass hier auf die Bekanntgabe von Absolutwerten verzichtet werden muss, da diese vom allzu zahlreichen thermodynamischen und geometrischen Parametern abhängig sind und ohne deren Kenntnis nicht aussagekräftig sind.
Oberhalb des Oelvormischsystems ist das Gasvormischsystem angeordnet. Die in diesem Bereich nicht benötigte Zerstäubungsluft wird hier wiederum in einer die Kanäle 12 und 20 konzentrisch umgebenden Ringkammer 30 geführt. Diese Ringkammer 30 ist aussen von einer Gaskammer 31 umfasst, aus der über die Düsen 15" das Brenngas unter Druck in den Mischraum eingeblasen wird und zwar senkrecht zur Strömungsrichtung der Brennluft.
Die Düsen 15' und 15" sind derart dimensioniert, dass sie die gesamte, einem Element 2 zugeführte Brennstoffmenge verarbeiten können.
Die Wirkungsweise der Erfindung wird nun anhand der Brennstoffregelkurven in Fig. 4 bis 6 erläutert. Es wird hierzu die in Fig. 2 gezeigte Elementenanordnung zugrunde gelegt und die Annahme getroffen, dass die Elemente 2 nur gruppenweise zu- respektiv abgeschaltet werden. Hierbei zeigt es sich als zweckmässig, zunächst die innenliegenden Elemente zu zünden und dann sukzessiv weiter aussenliegende Elemente brennstoffmässig in Betrieb zu nehmen. Zu diesem Zweck sind die Elemente in sechs Gruppen mit folgender Besetzung unterteilt: u = 9 Elemente, v = 6 Elemente, w = 3 Elemente, x, y und z je 6 Elemente, wobei die Elemente jeweils als solche in Fig. 2 bezeichnet sind.
Im Schaltbild in Fig. 4 ist auf der Abszisse die Maschinendrehzahl n in [%] und auf der Ordinate ist die Luftüber- _schusszahl Ä aufgetragen. Die Parameter ^K ₂₄, ^K ₁₈₁ ^K _15' ^K ₁₂, ^K ₉ und K₆ stehen jeweils für eine Anzahl von 24,18 .... 6 Elemente. Es handelt sich um die optimale Schaltkurve beim Anfahren der Brennkammer im Oelbetrieb. Es versteht sich, dass hierbei eine Vormischverbrennung nicht durchführbar ist, da beim Anfahren die vom Verdichter herrührende Luft noch zu kalt ist, um eine Oelverdampfung innerhalb der Elemente 2 zu bewirken. Der Startvorgang und der tiefe Lastbereich werden deshalb bei reiner Diffusionsverbrennung durchgeführt. Da zur Verbrennung eine Luftüberschusszahl von mindestens 1 erforderlich ist, ist aus dem Diagramm ersichtlich, dass mindestens 18 Elemente zum Anfahren notwendig sind.
Die tatsächliche Schaltkurve ist mit dicker Strichstärke ausgezogen. Nach der Initialzündung mit dem zentral angeordneten Brenner 5 bei 20 % Maschinendrehzahl wird die Brennkammer mit 18 Elementen hochgefahren. Hierzu sind die Gruppen u, v und w in Betrieb. Um mit einigermassen gleichbleibendem Luftüberschuss zu fahren, wird bei 60 % Drehzahl die Gruppe w abgeschaltet. Dies bedeutet, dass die gleiche Brennstoffmenge nunmehr in nur noch 15 Elementen verbrannt wird, was die Luftüberschusszahl senkt. Beim weiteren Hochfahren wird bei ca. 92 % Drehzahl die Gruppe v abgeschaltet, was ein Absenken der Luftüberschusszahl auf den Wert 1,2 bewirkt. Die Tatsache, dass die Kurvenzüge in diesem Bereich nicht stetig verlaufen, ist darauf zurückzuführen, dass hier das übliche Abblasen von Verdichterluft unterbrochen wird. In dieser Phase wird entsprechend mehr Luft in jedes Element gefördert, was ein steileres Ansteigen der Kurven bis zur Nenndrehzahl zur Folge hat. Eine genaue Wiedergabe des Kurvenverlaufs in diesem Bereich drängt sich nicht auf, da er zum besseren Verständnis der Erfindung nichts beiträgt. Wesentlich ist lediglich, dass bei Leerlauf eine Luftüberschusszahl von etwa 1,6 vorliegt.
Der Belastungsvorgang ab Leerlauf wird in Fig. 5 erklärt. In diesem Diagramm ist auf der Abszisse die Last P in [%] und auf der Ordinate wiederum die Luftüberschusszahl allerdings in anderem Massstab aufgetragen. Die Parameter sind die gleichen wie in Fig. 4. Mit S_D, S_M und S_DM sind ferner die Stabilitätsgrenzen eingetragen bei reiner Diffusionsverbrennung, bei reiner Vormischverbrennung sowie bei gleichzeitiger Diffusions- und Vormischverbrennung, wie sie letztere erfindungsgemäss vor sich geht.
Es ist erkennbar, dass die Stabilitätsgrenze S_D bei reinem Diffusionsbetrieb bei sehr grosser Luftüberschusszahl liegt. Allerdings sind mit einer solchen Fahrweise die verlangten NO kleiner als 75 ppm nicht zu erreichen. Als Richtwert kann angegeben werden, dass Diffusionsverbrennung allein etwa 180 ppm NO_x-Emissionen zur Folge hat.
Andererseits ist zwar mit reiner Vormischverbrennung der NO_X-Grenzwert ohne weiteres zu unterschreiten, jedoch liegt dann die Stabilitätsgrenze S_M wegen der tiefen Flammentemperatur niedrig. Der Bereich zwischen Zündvermögen und Löschen ist zu schmal, um die Gasturbine in vollem Lastbereich sicher fahren zu können.
Der Erfindung liegt deshalb im Lastbereich eine gemischte Fahrweise mit Diffusions- und Vormischverbrennung zugrunde. Dabei ist das jeweils anteilige Oelmengenverhältnis so gewählt, dass eine Fahrweise mit genügend grossem Abstand zur resultierenden Stabilitätsgrenze S_DM möglich ist. Versuche ergaben, dass dies am besten erreicht wird, wenn 90 bis 95 % des Brennstoffes nach dem Vormischprinzip und 5 bis 10 % des Brennstoffes nach dem Diffusionsprinzip verfeuert werden.
Im Schaubild ist eine gemischte Fahrweise mit 10%-igem Diffusionsanteil dargestellt. Vom Leerlauf bis 15 % Last wird mit 1/4 der vorhandenen Elemente, d.h. nur mit der Gruppe u im reinen Diffusionsbetrieb gefahren. Durch die Steigerung der Brennölzufuhr ist λ bei 15 % Last so niedrig geworden, dass die Elementengruppe v wieder zugeschaltet werden muss. Bei 20 % Last wird dann bei allen Elementen der Gruppen u und v jeweils das Vormischsystem in Betrieb gesetzt, was zu einer Aufteilung des Brennöls im obengenannten Verhältnis führt. Die Reduktion des Brennstoffs an den Diffusionsdüsen bei gleichbleibender Luftmenge bewirkt ein steiles Ansteigen der Luftüberschusszahl, wie es gestrichelt dargestellt ist. Umgekehrt kann die Inbetriebnahme der Vormischung durch eine Reduktion des Luftüberschusses vom Wert ₀0 (unendlich) auf den gezeigten Wert bei 20% Last dargestellt werden wie es strichpunktiert gezeigt ist. Mit dieser Massnahme fällt auch die Stabilitätsgrenze auf den dargestellten Wert S_DM bei 20 % Last.
Die weitere Regelkurve bei der Laststeigerung wird jetzt derart bestimmt, dass die Luftüberschusszahl sich ständig zwischen 1,5 und 2 bewegt. Hierzu werden im gezeigten Beispiel jeweils bei den Lasten P = 27 %, 44 %, 64 % und 86 % die Elementengruppen w, x, y und z in der genannten Reihenfolge zugeschaltet.
Das Diagramm in Fig. 6 behandelt die optimale Brennstoffregelkurve im Lastbereich bei Gasverbrennung. Alle dargestellten Grössen ab 20 % Last entsprechen jenen in Fig. 5. Der Gasbetrieb unterscheidet sich vom Oelbetrieb lediglich in der Startphase und im unteren Lastbereich. Der Startvorgang ab 20 % Maschinendrehzahl bis Leerlauf (nicht gezeigt) wird bereits bei gemischter Diffusions-/Vormischverbrennung durchgeführt und zwar hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn mit jeweils 50%-iger Vormisch- und 50%-iger Diffusionsverbrennung gefahren wird. Dies ist dadurch möglich, dass eine Verdampfung und die hierzu erforderliche Lufttemperatur nicht notwendig sind. Selbstverständlich kann auch beispielsweise mit 30%-iger Diffusion und 70%-iger Vormischung oder jedem anderen dazwischenliegenden Wert gefahren werden.
Fig. 6 zeigt jedoch, in Abweichung zu Fig. 5, dass die Lastaufnahme mit 12 Elementen, d.h. mit den Gruppen u und beispielsweise w durchgeführt wird. Dies ist dadurch bedingt, dass im tiefen Lastbereich, d.h. zwischen 0 und 15 % Last die Luftüberschusszahl nicht soweit gesenkt werden kann als in reinem Diffusionsbetrieb. In der Tat ist bei kleiner Luftüberschusszahl die Flamme bei der Vormischverbrennung so heiss, dass der Flammenhalter beschädigt werden könnte. Die gleiche Menge Brennstoff verteilt man deshalb besser auf zusätzliche Elemente, womit zwar ein höheres λ erzielt wird, kurzzeitig jedoch auch eine etwas höhere CO-Emission in Kauf genommen werden muss. Wie beim Oelbetrieb werden auch hier bei 15 % Last weitere drei Elemente dazugeschaltet. Dies kann beispielweise so vorgenommen werden, dass gleichzeitig die Gruppe w abgeschaltet und die Gruppe v zugeschaltet wird.

Claims

1. Brennkammer einer Gasturbine, in welcher innerhalb der Brennkammerhülle (1) eine Luftverteilkammer (19) und ein Brennraum (7) örtlich voneinander getrennt sind, wobei zwischen Verteilkammer und Brennraum eine Mehrzahl von rohrförmigen Elementen (2) eingeordnet sind, in denen ein Vormischen und Vorverdampfen des durch Vormischdüsen (15') zugeführten Brennöls und/oder ein Vormischen des durch Vormischdüsen (15") zugeführten Brenngases mit der Verdichterluft stattfindet, wobei jedes rohrförmige Element (2) zum Brennraum (7) hin mit einem Flammenhalter (3) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Flammenhalters (3) eine in den Brennraum (7) gerichtete Diffusionsdüse (8) für Brennstoff angeordnet ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von rohrförmigen Elementen (2) in einer Anzahl separat zündbarer Gruppen (u, v, w, x, y, z) unterteilt sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsdüsen (8) derart dimensioniert sind, dass die jedem Element (2') zuführbare Brennstoffmenge zu 100 % im Falle von Oel und zu 50 % im Falle von Gas direkt in den Brennraum (7) einleitbar ist.

4. Verfahren zum Anfahren und Belasten der Brennkammer nach Anspruch 1 mit Oel als Brennstoff, dadurch gekennzeichnet:

a) dass nach der Initialzündung ab etwa 20 % Maschinendrehzahl zunächst etwa die Hälfte der Elemente nur mit Diffusionsverbrennung arbeiten;

b) dass ab etwa 60 % Maschinendrehzahl nur noch etwa 2/5 der Elemente brennstoffmässig mit Diffusionsverbrennung betrieben werden;

c) dass ab 90 % Maschinendrehzahl nur noch etwa 1/4 der Elemente im Diffusionsbetrieb arbeiten und zwar so lange, bis Nenndrehzahl und etwa 15 % Last erreicht werden;

d) dass ab 15 % Last erneut Elemente bis zur Gesamtzahl von etwa 2/5 brennstoffmässig,in Diffusionsionsbetrieb genommen werden;

e) dass bei 20 % Last bei allen mit Brennstoff beaufschlagten Elementen zusätzlich die Vormischdüsen in Betrieb genommen werden, wobei die je Element zugeführte Brennstoffmenge zum überwiegenden Teil über die Vormischdüsen eingespritzt wird;

f) dass mit zunehmder Lastaufnahme bis zur Vollast stufenweise weitere Elemente brennstoffmässig zugeschaltet werden, wobei jedes einzelne Element sowohl mit Diffusions- als auch mit Vormischverbrennung arbeitet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichzeitiger Diffusions- und Vormischverbrennung den brennstoffmässig in Betrieb stehenden Elementen etwa 90 bis 95 % des Oels über die Vormischdüsen und etwa 5 bis 10 % des Oels über die Diffusionsdüsen zugeführt wird.

6. Verfahren zum Anfahren und Belasten der Brennkammer nach Anspruch 1 mit Gas als Brennstoff, dadurch gekennzeichnet:

a) dass nach der Initialzündung ab etwa 20 % Maschinendrehzahl zunächst etwa die Hälfte der Elemente sowohl mit Diffusionsverbrennung als auch mit Vormischverbrennung arbeitet;

b) dass ab etwa 60 % Maschinendrehzahl nur noch etwa 2/5 der Elemente brennstoffmässig betrieben werden;

c) dass ab 90 % Maschinendrehzahl nur noch etwa 1/3 der Elemente brennstoffmässig arbeiten und zwar so lange bis Nenndrehzahl und etwa 15 % Last erreicht sind;

d) dass ab 15 % Last erneut Elemente bis zur Gesamtzahl von 2/5 brennstoffmässig arbeiten;

e) dass mit zunehmender Lastaufnahme bis zur Vollast stufenweise weitere Elemente brennstoffmässig zugeschaltet werden, wobei jedes einzelne Element sowohl mit Diffusions- als auch mit Vormischverbrennung arbeitet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anfahren etwa 30 bis 50 % des jedem Element zugeführten Gases nach dem Diffusionsprinzip und der Rest nach dem Vormischprinzip verbrannt wird und dass zwischen Leerlauf und Vollast etwa 5 bis 10 % des zugeführten Gases nach dem Diffusionsprinzip und der überwiegende Teil von etwa 90 bis 95 % nach dem Vormischprinzip verbrannt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 6 beim Betrieb einer Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Initialzündung zunächst die Gruppen (u, v) der zentral innen angeordneten Elemente brennstoffmässig betrieben werden und dass bei Laststeigerung ab etwa 15 % Last sukszessiv weiter aussenliegende Elementegruppen (w, x, y, z) in der Reihenfolge ihrer zunehmenden Entfernung vom Zentrum gezündet werden.