DE69009202T2

DE69009202T2 - Gasturbinenbrennkammer und Betriebsverfahren dafür.

Info

Publication number: DE69009202T2
Application number: DE69009202T
Authority: DE
Inventors: Osamu Arai; Katsukuni Hisano; Yoji Ishibashi; Seiichi Kirikami; Tsuguaki Koga; Michio Kuroda; Tadashi Kurokawa; Isao Sato; Nobuo Shimizu; Akira Shimura; Haruo Urushidani
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-02-03
Filing date: 1990-01-26
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2010-01-27
Also published as: JP2544470B2; JPH02208417A; US5121597A; EP0381079A1; DE69009202D1; EP0381079B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasturbinen-Brenner, der teilweise vom Vormisch-Verbrennungstyp und teilweise vom Diffusions-Verbrennungstyp ist, und ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Gasturbinen-Brenners.
Im allgemeinen enthalten die Abgase eines Gasturbinen-Brenners Substanzen wie NOx, CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und ähnliches, die eine Luftverschmutzung verursachen. Unter diesen Schadstoffen wird NOx durch Bestimmungen streng kontrolliert, und es wurden verschiedene Verfahren zur Verminderung des NOx-Ausstoßes vorgeschlagen. In einem als Verfahren des nassen Typs zur Verminderung der NOx-Erzeugung bekannten Verfahren werden Wasser oder Dampf in einen Brenner gesprüht. Dieses Verfahren hat jedoch unweigerlich eine Verminderung des Wirkungsgrads der Gasturbinenanlage zur Folge. Daher wurde in den letzten Jahren ein als Verfahren des trockenen Typs zur Verminderung der NOx-Erzeugung bekanntes Verfahren zu einem der gebräuchlichsten Verfahren. Bei diesem Verfahren wird Kraftstoff in mehreren Stufen in den Brenner zugeführt, so daß die Verbrennungslast in den einzelnen Stufen verringert wird, und die Verbrennung erfolgt mit einem mageren Gemisch, um die Erzeugung eines lokalen Hitzepunkts zu vermeiden, wodurch die NOx-Erzeugung vermindert wird. Es ist jedoch aufgrund von Beschränkungen des Aufbaus und der Konstruktionsweise nicht zulässig, eine große Anzahl von Verbrennungsstufen zu verwenden. Im allgemeinen werden daher üblicherweise sogenannte Zwei-Stufen-Brenner mit in Bezug auf den Brenner stromaufseitigen und stromabseitigen Kraftstoffdüsen verwendet. In der EP-AP-0 169 431 und der JP-A-56-25622 ist ein derartiger Zwei-Stufen-Brenner beschrieben. In Fig. 2 ist ein Zwei-Stufen-Brenner nach bekanntem Stand der Technik gezeigt. Der Brenner weist ein zylinderförmiges Brennrohr 7 auf, das in seiner Längsrichtung in zwei Abschnitte unterteilt ist, um eine Vorbrennkammer 1, die in aufstromseitig (linke Seite in Fig. 2) ausgebildet und für eine erste Verbrennungsstufe geeignet ist, und eine Hauptbrennkammer 2 zu bilden, die abstromseitig ausgebildet und für eine zweite Verbrennungsstufe geeignet ist. Ein Kraftstoffdüsensystem 3 für die erste Stufe (im folgenden als F&sub1;-Kraftstoffdüse bezeichnet) ist in einem Bereich in der Nähe des aufstromseitigen Endes der Vorbrennkammer 1 angeordnet. Dieses Kraftstoffdüsensystem 3 ist vom Diffusions-Verbrennungstyp, bei dem der von diesem eingespritzte Kraftstoff 30 in der umgebenden Luft c zerstäubt wird, um mit der Luft c verbrannt zu werden.
Am Ende 22 der Hauptbrennkammer 2 der zweiten Stufe ist ein Luftwirbel-Erzeuger 4 angebracht. Der von einem Kraftstoffdüsensystem 5 für die zweite Stufe (im folgenden als F&sub2;-Kraftstoffdüse bezeichnet) abgegebene Kraftstoff 32 wird im Luftwirbel-Erzeuger 4 mit Luft n vorgemischt, um am Auslaß des Luftwirbel- Erzeugers 4 eine Vormisch-Verbrennung durchzuführen.
Fig. 3 ist ein Graph, der die Merkmale der NOx-Erzeugung sowohl bei der Diffusions-Verbrennung als auch bei der Vormisch-Verbrennung zeigt, wobei die Abszisse das Kraftstoff-Luft-Verhältnis und die Ordinate den NOx-Gehalt als relativen Wert darstellt.
Das stöchiometrische Kraftstoff-Luft-Verhältnis für Methangas ist 0,058 und der Gasturbinen-Brenner wird normalerweise mit einem Kraftstoff-Luft- Verhältnis unter diesem stöchiometrischen Wert betrieben. In einstufigen Brennern, die herkömmlicherweise in Ländern verwendet wurden, in denen keine Verringerung des NOx-Ausstoßes erforderlich ist, war das Kraftstoff-Luft-Verhältnis bei Nennbetrieb in einem Bereich von ca. 0,04. Da bei diesem System teilweise Diffusions- Verbrennung verwendet wird, zeigen die NOx-Merkmale dieses Systems die Tendenz, daß die Änderung des relativen Werts des NOx-Gehalts selbst bei einer Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses vergleichsweise gering ist. Ferner ist, wie in Fig. 3 gezeigt, bei der Vormisch-Verbrennung ein Merkmal festzustellen, daß der relative Wert des NOx-Gehalts erheblich verringert wird, wenn das Kraftstoff-Luft-Verhältnis abninnnt. Der herkömmliche für einen verringerten NOx-Ausstoß konstruierte Brenner ist ein sogenannter Hybridbrenner, bei dem die Diffusions-Verbrennung und die Vormisch-Verbrennung kombiniert werden und bei dessen Betrieb nur die Diffusions- Verbrennung verwendet wird, während das Lastniveau nach dem Anfahren der Gasturbine noch gering ist, und die Vormisch-Verbrennung und die Diffusions- Verbrennung in einem Lastbereich zwischen einer geringen Last und einer Nennlast gleichzeitig verwendet werden. In Fig. 3 ist die Flamme in der Vorbrennkammer 1 die Diffusions-Verbrennungsflamme, während die Flamme in der Hauptbrennkammer 2 die Vormisch-Verbrennungsflamme ist. Der herkömmliche Hybridbrenner verwendet, wie in Fig. 3 durch das Bezugszeichen IFC dargestellt, zum Steuern des Kraftstoff- Luft-Verhältnisses einen internen Luftdurchfluß-Steuermechanismus, um den Bereich der Vormisch-Verbrennungsflamme in der Hauptbrennkammer 2 zu erweitern. In der Vergangenheit waren die Bestimmungen zur Verringerung des NOx-Gehalts weniger streng, so daß eine einfache, zweistufige Verbrennung mit lediglich einem Hinzufügen eines Vormisch-Verbrennungsbereichs (F&sub2;-Kraftstofflamme) zum Erfüllen der Bestimmungen ausreichte. In den vergangenen Jahren wurden jedoch die Bestimmungen zur Verringerung des NOx-Gehalts von Jahr zu Jahr verschärft, und um den Anforderungen gerecht zu werden, ist es erforderlich geworden, auch in der ersten Stufe, d.h. im Diffusions-Verbrennungsbereich (F&sub1;-Kraftstofflamme), die NOx-Erzeugung wirkungsvoll zu vermindern. Zu diesem Zweck wurde versucht, die NOx-Erzeugung durch Verringern des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses im Verbrennungsbereich der ersten Stufe (F&sub1;-Kraftstofflamme) zu vermindern und in der Vorbrennkammer 1 ein Innenrohr 10 anzubringen (siehe Fig. 2), um die Diffusions-Verbrennungsflamme zu erweitern und auf diese Weise ihren Kontaktbereich mit der Luft zu vergrößern, um dadurch die Temperatur der Flamme zu verringern.
Dieser Aufbau verursacht jedoch ein neues Problem, das eine Schwierigkeit bei der Aufrechterhaltung der Flamme der Diffusions-Verbrennung betrifft. Fig. 4 ist ein Graph, der ein Änderungsmerkmal des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in Relation zur Drehzahl der Gasturbine und dem auf die Gasturbine einwirkenden Lastniveau zeigt. Genauer stellt in dieser Figur die Abszisse die Drehzahl und das Lastniveau dar, während die Ordinate das Kraftstoff-Luft-Verhältnis darstellt. Die Zündung des Kraftstoffs erfolgt, wenn die Drehzahl der Gasturbine 16 % der Nenndrehzahl erreicht hat, und die Beschleunigung der Gasturbine wird nach einer Aufwärmperiode fortgesetzt, die normalerweise einige Minuten nach der Zündung weitergeführt wird. Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis wird erheblich erhöht und erreicht während der Beschleunigung sein Maximum. Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis wird dann stetig vermindert und erreicht sein Minimum, wenn die Beschleunigung der Turbine ohne Last die Nenndrehzahl erreicht hat.
Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis beginnt dann entsprechend einem Anstieg des Lastniveaus wieder zu steigen und erreicht sein Maximum unmittelbar vor dem Erreichen der Nennlast. Die F&sub1;-Kraftstoffdüse 3 (siehe Fig. 2) wird vom Anfahren der Gasturbine bis zum Anstieg der Last auf ca. 30 % der Last bei Nenndrehzahl verwendet und spritzt während der Beschleunigung der Gasturbine eine große Menge des Kraftstoffs ein. Wenn eine große Menge des Kraftstoffs eingespritzt wird, findet im Bereich um die F&sub1;-Kraftstoffdüse 3 eine Sauerstoffverknappung statt, da der Raum in diesem Bereich begrenzt ist, so daß die Flamme der F&sub1;-Kraftstoffdüse 3 (F&sub1;-Kraftstofflamme) dazu tendiert, zur Hauptbrennkammer, die einen vergleichsweise großen Raum aufweist, überzuspringen, wodurch die Flamme aufgrund des Kontakts mit kalter Luft gelöscht bzw. ausgeblasen wird. Die Drehzahl der Gasturbine, bei der ein Überspringen der Flamme stattfindet, weist ein bestimmtes Verhältnis zu der Temperatur der von der Turbine ausgestoßenen Luft auf, und es erübrigt sich, darauf hinzuweisen, daß das Ausblasen oder Löschen der Flamme verzögert wird, wenn die Lufttemperatur gesteigert wird.
Fig. 5 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen Kraftstoffdurchfluß (Ordinate) und Drehzhhl der Gasturbine (Abszisse) zeigt. In dieser Figur stellt eine Gasturbinen-Betriebskurve den von der Drehzahl der Gasturbine und dem Kraftstoffdurchfluß bestimmten Betriebszustand der Gasturbine dar. Eine Markierung X auf dieser Kurve stellt einen Punkt dar, an dem die Flamme überspringt. Im dargestellten Fall erfolgt das Überspringen der Flamme, wenn die Drehzahl vergleichsweise gering ist. Eine Kurve, die die Obergrenze für das Überspringen der Flamme darstellt, wird durch das Verbinden mehrerer derartiger Übersprungspunkte ermittelt. Ähnlich ergibt sich eine Kurve, die die Untergrenze für das Überspringen der Flamme darstellt. Daher ist es beim Anfahren der Gasturbine erforderlich, daß der Gasturbinen-Brenner unter Bedingungen betrieben wird, die innerhalb des Bereichs zwischen den Kurven liegen, die die Ober- und Untergrenze für das Überspringen der Flamme darstellen, dies macht es jedoch unmöglich, ein Anstiegsverhältnis des Kraftstoffdurchflusses so weit zu steigern, so daß das Anfahren der Gasturbine und das Erreichen der Nenndrehzahl ohne Last 15 bis 20 Minuten in Anspruch nahm.
Daher war der oben beschriebene bekannte Stand der Technik bei der Verminderung der NOx-Erzeugung sehr wirkungsvoll, es trat jedoch in Bezug auf das schnelle Anfahren der Gasturbine dadurch ein Nachteil auf, daß während des Anfahrens ein Überspringen der Flamme erfolgt oder daß zum Erreichen der Nenndrehzahl, ohne daß ein Überspringen der Flamme erfolgt, eine sehr lange Zeitspanne erforderlich ist.
Die US-A-4 292 801 beschreibt ein weiteres Beispiel eines zweistufigen Gasturbinen-Brenners, bei dem eine stromaufseitige Vorbrennkammer durch einen Halsbereich aerodynamisch von einer stromaufseitigen Hauptbrennkammer getrennt ist. Im stromaufseitigen Endabschnitt der Vorbrennkannner ist ein erstes Luft- und Kraftstoff-Zufuhrsystem vorgesehen, das mehrere Kraftstoffdüsen und Luftwirbel- Erzeuger umfaßt, die an das Auslassende dieser Kraftstoffdüsen angrenzend vorgesehen sind. Im mittleren Abschnitt dieser Vorbrennkammer ist ein Rohr angebracht, das von mehreren voneinander abgesetzten Klappen gebildet wird, und im Inneren dieses Rohrs ist in koaxialer Richtung eine weitere Kraftstoffdüse eines zweiten Luft- und Kraftstoff-Zufuhrsystems vorgesehen, das sich von der hinteren Wand des Brenners zum Halsbereich erstreckt. Zur Verminderung der NOx-Erzeugung beim Anfahrbetrieb wird der Kraftstoff anfangs durch das Luft- und Kraftstoff-Zufuhrsystem in die Vorbrennkammer zugeführt und dort gezündet. Anschließend wird der Kraftstoff auch durch die mittlere Düse nahe dem stromabseitigen Ende der Vorbrennkammer zum Zünden und Verbrennen in der Hauptbrennkannner eingespritzt. Nach Beendigung des Anfahrbetriebs wird die Erzeugung heißen Verbrennungsgases in der Vorbrennkammer durch Unterbrechen des Kraftstoffstroms zu den Düsen des ersten Zufuhrsystems beendet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbinen-Brenner zu schaffen, der eine verringerte NOx-Menge erzeugt und der das Anfahren einer Gasturbine in einer wünschenswert kurzen Zeitspanne ermöglicht und der die Diffusionsflamme des F&sub1;-Kraftstoffs beim Anfahren wirkungsvoll stabilisieren kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinen-Brenners zu schaffen, der das Anfahren der Gasturbine in einer kurzen Zeitspanne ermöglicht.
Diese Aufgaben werden jeweils durch die Ansprüche 1 und 7 erfüllt.
Erfindungsgemäß erübrigt sich selbst während der Anfahrbeschleunigung der Gasturbine das Erhöhen des Durchflusses des Kraftstoffs, der der Düse zur Verbrennung in der Vorbrennkammer zugeführt wird. Dadurch gerät die vom Kraftstoff- Luft-Verhältnis abhängige Verbrennung in der Vorbrennkammer niemals in den Übersprungsbereich, so daß die erwarteten Merkmale erreicht werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Längsquerschnittsansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasturbinen-Brenners;
Fig. 2 ist eine Längsquerschnittsansicht eines herkömmlichen Gasturbinen-Brenners;
Fig. 3 ist ein Graph, der ein Verhältnis zwischen dem NOx-Gehalt der Abgase und dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis der im Gasturbinen-Brenner verbrannten Mischung zeigt;
Fig. 4 ist ein Graph, der ein Verhältnis zwischen dem Kraftstoff-Luft- Verhältnis und der Drehzahl der Gasturbine zeigt;
Fig. 5 ist ein Graph, der ein Verhältnis zwischen dem Kraftstoffdurchfluß und der Drehzahl der Gasturbine zeigt;
Fig. 6 ist ein Graph, der ein Verhältnis zwischen dem Kraftstoffdurchfluß und der Drehzahl der Gasturbine zeigt;
Fig. 7a ist eine Längsquerschnittsansicht eines Beispiels einer Kraftstoffeinspritzdüse;
Fig. 7b ist eine Vorderansicht der in Fig. 7a gezeigten Kraftstoffeinspritzdüse;
Fig. 8a ist eine Längsquerschnittsansicht eines weiteren Beispiels einer Kraftstoffeinspritzdüse; und
Fig. 8b ist eine Vorderansicht der in Fig. 8a gezeigten Kraftstoffeinspritzdüse.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Gasturbinen-Brenners.
Der Brenner ist hauptsächlich aus den folgenden Bauteilen zusammengesetzt: einem Brennrohr 7, äußeren Zylindern 16a und 16b, die das Brennrohr 7 umgeben, einer Endabdeckung 6, einer Hauptbrennkammerwand 2a, die eine Hauptbrennkammer 2 bildet, einer Vorbrennkammerwand 1a, die eine Vorbrennkammer bildet, einer aufstromseitig in der Vorbrennkammer 1 (links in Fig. 1) vorgesehenen F&sub1;-Kraftstoffdüse 3 und einer aufstromseitig in der Hauptbrennkammer 2 vorgesehenen F&sub2;-Kraftstoffdüse 5.
Die aufstromseitig im Brennrohr 7 ausgebildete Vorbrennkammer 1 weist einen kleineren Durchmesser auf als die abstromseitig in diesem angeordnete Hauptbrennkammer 2 und wird zum Verbrennen eines einer Aufstromseite der Vorbrennkammer 1 zugeführten F&sub1;-Kraftstoffs verwendet. Die abstromseitig im Brennrohr 7 angeordnete Hauptbrennkammer 2 weist einen größeren Durchmesser auf als die Vorbrennkammer 1 und wird zum Verbrennen eines von einer Abstromseite der Vorbrennkammer 1 (Aufstromseite der Hauptbrennkammer 2) zugeführten F&sub2;-Kraftstoffs 32 und brennbarer Substanzen wie CO, etc., die in der Vorbrennkammer 1 nicht verbrannt wurden, verwendet. Die Hauptbrennkammer 2 weist an ihrer Stromabseite Verdünnungsluftkanäle 14 auf, die das Einströmen von Luft g in die Hauptbrennkammer 2 ermöglichen, um dadurch die Temperatur des Verbrennungsgases h auf ein vorbestimmtes Niveau zu verringern. Der erfindungsgemäße Gasturbinen-Brenner verwendet ein dreistufiges Kraftstoff-Zufuhrsystem, nämlich die F&sub1;-Kraftstoffdüse 3 für die hauptsächliche Verbrennung in der Vorbrennkammer 1, die F&sub2;-Kraftstoffdüse 5 für die Verbrennung in der Hauptbrennkammer 2 und eine Fs- Kraftstoffdüse 12, die während des Anfahrens der Gasturbine verwendet wird. Die Zufuhr von Luft zu der F&sub1;-Kraftstoffdüse 3 erfolgt wie durch Pfeile a und c dargestellt, während die Zufuhr von Luft zu der F&sub2;-Kraftstoffdüse 5 wie durch Pfeile a und n dargestellt erfolgt. Die Zufuhr von Luft zu der Fs-Kraftstoffdüse 12 erfolgt wie durch Pfeile a, b, d und e dargestellt. Im allgemeinen werden die F&sub1;-Kraftstoffdüsen 3 einzeln durch die Endabdeckung 6 in die Vorbrennkammer 1 eingeführt, während mehrere F&sub2;-Kraftstoffdüsen 5 in einem Verbindungsabschnitt zwischen der Vorbrennkammer 1 und der Hauptbrennkammer 2 befestigt sind, wobei sie in geeigneten Abständen kreisförmig angeordnet sind. Zur genaueren Beschreibung dieses Abschnitts; ein Luftwirbel-Erzeuger 4 ist in dem Hohlraum zwischen der Hauptbrennkammer 2 und der Vorbrennkammer 1 angebracht, und eine Kraftstoffspeicherleitung 18 ist mit der Aufstromseite des Luftwirbel-Erzeugers 4 verbunden. Der Kraftstoffspeicherleitung 18 wird durch eine externe Kraftstoffzufuhrleitung 40 der Kraftstoff zugeführt. Mehrere F&sub2;-Kraftstoffdüsen 5 auf der Stromabseite der Kraftstoffspeicherleitung 18 sind in geeigneten Abständen kreisförmig angeordnet, wobei sie in den Luftwirbel- Erzeuger 4 ragen. Ein Innenrohr 10 ist koaxial zur Vorbrennkammer 1 angebracht. Die Fs-Kraftstoffdüse 12 ist am stromabseitigen Ende des Innenrohrs 10 koaxial zu diesem angebracht. Die Fs-Kraftstoffdüse 12 spritzt den Kraftstoff in einem Bereich ein, der sich etwas stromaufwärts von der F&sub2;-Kraftstoffdüse 5 befindet. Die Zufuhr des Kraftstoffs zur Fs-Kraftstoffdüse 12 erfolgt durch ein Kraftstoff-Zufuhrsystem, das von den Kraftstoff-Zufuhrsystemen für die F&sub1;- und F&sub2;-Kraftstoffdüsen unabhängig ist.
Ein Rohr 12a ist so am Rand der Fs-Kraftstoffdüse 12 angeordnet, daß es sich in die Stromabseite erstreckt, dadurch jeden Einfluß einer externen Turbulenz beseitigt und daher eine Ausnehmung zur Aufrechterhaltung der Flamme bildet.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist der Gasturbinen-Brenner ferner eine Düsenhalteplatte 8, einen Kanal 20 zur Verteilung des F&sub1;-Kraftstoffs, eine Luftverteilungsplatte 24, eine Leitung 26 zur Zufuhr des F&sub1;-Kraftstoffs und eine Leitung 28 zur Zufuhr des Fs-Kraftstoffs auf.
Als nächstes wird erläutert, wie die Fs-Kraftstoffdüse 12 während des Anfahrens der Gasturbine betrieben wird. Fig. 6 zeigt ein Muster der Kraftstoffzufuhr. Wenn die Gasturbine angefahren wird, wird der F&sub1;-Kraftstoff 1 (siehe Fig. 1) zugeführt und gezündet, um ein Kreuzfeuer (Punkt A) zu bewirken. Dann wird der Durchfluß des F&sub1;-Kraftstoffs stetig gesteigert, und wenn er sich einem Durchfluß nähert, der der Obergrenze für das Überspringen der Flamme entspricht, wird der Durchfluß des F&sub1;-Kraftstoffs konstant gehalten, und gleichzeitig wird die Zufuhr des Fs-Kraftstoffs m (siehe Fig. 1) eingeleitet (Punkt B). Aufgrund der Verbrennungsvorgänge durch die F&sub1;- und Fs-Kraftstoffdüsen wird die Gasturbine auf eine Drehzahl beschleunigt, bei der die Temperatur der von einem Kompressor in den Brenner zugeführten Verbrennungsluft hoch genug ist, um den Betrieb der Gasturbine nur durch die Verbrennung mit der F&sub1;-Kraftstoffdüse aufrecht zu erhalten. Wenn eine derartige Drehhahl erreicht ist, wird der Durchfluß des F&sub1;-Kraftstoffs 1 erhöht, und der Durchfluß des Fs- Kraftstoffs m wird vermindert (Punkt C). Der Durchfluß des Fs-Kraftstoffs m wird auf Null vermindert, bevor die Gasturbine ohne Last auf die Nenndrehzahl beschleunigt wird.
Die Figuren 7a und 7b veranschaulichen Details eines Beispiels des Aufbaus der Fs-Kraftstoffdüse 12. Diese Fs-Kraftstoffdüse 12 weist, als Vorrichtung zur Verbesserung der Möglichkeit, eine Flamme aufrecht zu erhalten, einen Luftwirbel- Erzeuger 44 auf, der ein Mundstück 42 mit acht Kraftstoffeinspritzkanälen umgibt. Der Außendurchmesser des Luftwirbel-Erzeugers 44 wird so gewählt, daß der Luftwirbel-Erzeuger 44 genau in das Innenrohr 10 paßt. Das Verbrennungsgas wird wie durch den Pfeil m dargestellt zugeführt und, wie durch Pfeile k dargestellt, in einem bestimmten Winkel zur Achse der Düse 12 eingespritzt. Pfeile e zeigen den Luftstrom an. Die Luft kühlt das Innenrohr 10 und wird veranlaßt, durch den Luftwirbel- Erzeuger 44 zu wirbeln, um zu diffundieren und sich mit dem Kraftstoff m zu vermischen. Das Innenrohr 10 ist von dem vom F&sub1;-Kraftstoff gebildeten Strom des Verbrennungsgases f umgeben, der Fs-Kraftstoff m kann jedoch an der Stromabseite des Luftwirbel-Erzeugers 44 und des Mundstücks 42 eine stabile Flamme aufrecht erhalten.
Das Zünden des Fs-Kraftstoffs m erfolgt automatisch durch das heiße Verbrennungsgas f aus der F&sub1;-Kraftstoffdüse, wenn die Zufuhr des Fs-Kraftstoffs m erfolgt.
Die Figuren 8a und 8b zeigen ein weiteres Beispiel der Fs-Kraftstoffdüse 12, die die Möglichkeit, eine Flamme aufrecht zu erhalten, verbessert. Bei dieser Fs- Kraftstoffdüse 12 ist anstelle des Luftwirbel-Erzeugers 44 ein Leitrohr 46 derart vorgesehen, daß es in das Innenrohr 10 paßt und dadurch unabbängig von dem vom F&sub1;-Kraftstoff gebildeten heißen Verbrennungsgas f, das die Fs-Kraftstoffdüse 12 umgibt, eine stabile Flamme des Fs-Kraftstoffs m bildet. Da insbesondere am äußeren Rand des Leitrohrs 46 kleine Wirbel 48 gebildet werden, dienen sie als Zündfeuer, das den von der Fs-Kraftstoffdüse 12 eingespritzten Kraftstoff k stetig zündet.
Wie oben beschrieben, erübrigt sich bei dem erfindungsgemäßen Gasturbinen-Brenner selbst bei der Anfahrbeschleunigung eine Steigerung des Durchflusses des Kraftstoffs, der einer Kraftstoffdüse zur Verbrennung in der Vorbrennkammer zugeführt wird, da in der Vorbrennkammer ein Innenrohr vorgesehen ist, das sich von der stromaufseitigen Wand der Vorbrennkammer zu deren Stromabseite erstreckt, und ferner im stromabseitigen Mundstück des Innenrohrs eine Kraftstoffdüse vorgesehen ist, die den Kraftstoff während einer Änderung der Drehzahl der Gasturbine einspritzt, d.h. es wird erreicht, daß die von dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis abhängige Verbrennung in der Vorbrennkammer nicht in den Übersprungsbereich gerät, so daß es möglich wird, die Flamme in der Vorbrennkammer stabil aufrecht zu erhalten und die Gasturbine in einer kurzen Zeitspanne anzufahren.

Claims

1. Gasturbinen-Brenner mit

- einer in einem abstromseitigen Teil eines Brennrohrs (7) angeordneten Hauptbrennkammer (2),

- einem in der Hauptbrennkammer (2) vorgesehenen Luft- und Kraftstoff-Zufuhrsystem (a, n, 5, 18) vom Vormisch-Verbrennungstyp,

- einer in einem aufstromseitigen Teil eines Brennrohrs (7) angeordneten Vorbrennkammer (1),

- einem in dieser Vorbrennkammer (1) angeordneten Luft- und Kraftstoff-Zufuhrsystem (a, c, 3, 20) vom Diffusions-Verbrennungstyp und

- einem im zentralen Teil der Vorbrennkammer (1) vorgesehenen Innenrohr (10), das sich von der stromaufseitigen Endwand (8) bis in die Nähe des abstromseitigen Endes der Vorbrennkammer (1) erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, daß

- zur Vergrößerung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses beim Anfahrbetrieb der Gasturbine ein zusätzliches und gesondert gesteuertes Luft-Kraftstoff-Zufuhrsystem (d, m, 12, 12a) vom Diffusions-Verbrennungstyp vorgesehen ist, das eine am abstromseitigen Ende des Innenrohrs 10 angeordnete zusätzliche Kraftstoffdüse (12) aufweist.

2. Gasturbinen-Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr (12a) am Umfangsrand der zusätzlichen Kraftstoffdüse (12) angeordnet ist, das sich zur Abstromseite erstreckt und eine Ausnehmung zur Aufrechterhaltung der Flamme bildet.

3. Gasturbinen-Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kraftstoffdüse (12) ein Mundstück mit mehreren Kraftstoffeinspritzöffnungen aufweist.

4. Gasturbinen-Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kraftstoffdüse (12) von einem in das Innenrohr (10) eingebauten Luftwirbel-Erzeuger (44) umgeben ist.

5. Gasturbinen-Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kraftstoffdüse (12) mit einem in den abstromseitigen Teil des Innenrohrs (10) eingesetzten Leitrohr (46) versehen ist.

6. Gasturbinen-Brenner nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der stromaufseitige Endteil der zusätzlichen Kraftstoffdüse (12) in einer Düsenhalteplatte (8) befestigt ist, die einen Kanal (20) zur Verteilung des Brenngases auf die verschiedenen Kraftstoffdüsen (3) in der Vorbrennkammer (1) enthält und mit separaten Kraftstoffzufuhrstutzen (26, 28) versehen ist, die zu dem Verteilungskanal (20) und zu der zusätzlichen Kraftstoffdüse (12) führen.

7. Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinen-Brenners, bei welchem

- die Gasturbine während des Anfahrbetriebs durch das in einer Vorbrennkammer (1) mittels eines ersten Luft- und Kraftstoff-Systems vom Diffusions-Verbrennungstyp erzeugte heiße Verbrennungsgas (f) angetrieben und beschleunigt wird,

- die Gasturbine während des Lastbetriebs durch heißes Verbrennungsgas (h) angetrieben wird, das in einer stromab der Vorbrennkammer (1) angeordneten Hauptbrennkammer (2) mittels eines zweiten Luft-Kraftstoff-Zufuhrsystems vom Vormisch-Verbrennungstyp erzeugt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- während der Beschleunigung des Anfahrbetriebs eine zusätzliche Menge an heißem Verbrennungsgas am abstromseitigen Endteil der Vorbrennkammer mittels eines dritten Luft-Kraftstoff-Systems vom Diffusions-Verbrennungstyp erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Menge an heißem Verbrennungsgas während einer Zeitspanne erzeugt wird, in welcher die Gasturbine von 20 bis 60 % ihrer Drehzahl beschleunigt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffdurchfluß im dritten Luft-Kraftstoff-Zufuhrsystem in Abhängigkeit von der Gasturbinen-Drehzahl gesteuert wird.