Die Erfindung betrifft eine Brennkammer-Anordnung einer Gasturbine mit einer Vielzahl von ringförmig und wechsel- weise angeordneten Pilotbrennern und Hauptbrennern, die in eine ringförmige Brennkammer münden.

Zur Schadstoffreduzierung kann bei Gasturbinen mit einer sogenannten abgestuften Verbrennung gearbeitet werden. Ein Pilotbrenner wird dabei hinsichtlich optimaler Ver¬ brennung im Niedriglastbetrieb ausgelegt, um die Emissio¬ nen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen sowie Kohlen- monoxid zu minimieren, während der Hauptbrenner hinsicht¬ lich magerer Verbrennung und niedriger Verweilzeit im Hochlastbetrieb ausgelegt wird, um geringe Emissionen von Stickoxiden und Rauch zu erzielen. Bekannt sind drei grundsätzliche Methoden in der sogenannten abgestuften Verbrennung, bekannt als die "Axial-Staging-Method", die "Radial-Staging-Method" und die "Circumferential-Staging- Method". Letztere ist beispielsweise in der EP-A 04 01 529 gezeigt.

Die vorliegende Erfindung betrifft die "Circumferential- Staging-Method", und hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Brennkammer einfacher Bauart bei dennoch optimaler Ver¬ brennung aufzuzeigen. Dabei soll insbesondere der Pilot-

brenner im Niederlastbetrieb sowie im Anfahrbetrieb opti¬ miert werden und zusätzlich bei einem Wiederanfahren in großen Höhen eine bessere Zündung gewährleisten. Letz¬ teres ist für Gasturbinen von Flugzeugen von besonderer Bedeutung.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die kennzeichnenden Merk¬ male des ersten Patentanspruches vorgesehen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen beschreiben die ünteransprüche.

Erfindungsgemäß sind die Pilotbrenner als eigenständige Brennkammern ausgebildet, wodurch ein hoher Verbrennungs- Wirkungsgrad erreicht wird, wenn diese im Niederlastbe¬ trieb allein betrieben werden. Entsprechend den Merkmalen des ersten Anspruches besitzen diese Pilotbrenner ke¬ gelige Mischrohre mit einer einströmseitig angeordneten Brennstoffdüse und in einer bevorzugten Ausführungsform mit Primarluft-Verwirblern. In jedem Pilotbrenner wird Brennstoff über die Brennstoffdüse eingespritzt und mit der Primärluft vermengt. Die Verbrennung erfolgt zumin¬ dest teilweise innerhalb dieses Mischrohres, bevor das Brenngas in die eigentliche ringförmige Brennkammer der Gasturbine gelangt.

Im Hochlastbetrieb arbeiten zusätzlich die Hauptbrenner. Diese Hauptbrenner bestehen im wesentlichen aus Brenn- stoffdüsen, die direkt in die ringförmige Brennkammer der Brennkammer-Anordnung münden. In einer bevorzugten Aus¬ führungsform besitzt jeder Hauptbrenner zwei nebeneinan- der angeordnete Brennstoffdüsen. Hierbei bietet es sich an, diese beiden Brennstoffdüsen in radialer Richtung be¬ nachbart zwischen den Mischrohren der Pilotbrenner anzu¬ ordnen. Im wesentlichen liegen diese beiden Brenn¬ stoffdüsen der Brennstoff-Einspritzvorrichtung des Haupt- brenners somit in einer abströ seitigen Ebene der Pilot¬ brenner-Mischrohre. Dabei werden im Anfahrbetrieb sowie

im Niederlastbetrieb die Hauptbrenner nicht betrieben; vielmehr kann nur dann Brennstoff aus den Brennstoffdüsen dieser Hauptbrenner-Einspritzvorrichtung austreten und verbrannt werden, wenn der Brennstoffdruck einen durch ein entsprechendes Ventil vorgegebenen Grenzdruck über¬ schreitet.

Während im Niederlastbetrieb nur die Pilotbrenner arbei¬ ten, findet im Hochlastbetrieb sowohl an den Hauptbren- nern als auch an den Pilotbrenner eine Verbrennung statt. Dabei wird der Brennstoff derart auf die vorhandenen Brennstoffdüsen aufgeteilt, daß der maximal mögliche Querschnitt der ringförmigen Gasturbinen-Brennkammer be¬ deckt wird. In Summe wird das stöchometrische Verhältnis hinsichtlich optimaler Verbrennung im Anfahr- und Nieder¬ lastbetrieb sowie hinsichtlich einer mageren Verbrennung und niedriger Verweilzeit im Hochlastbetrieb eingestellt. Erreichbar ist dies durch eine optimierte Zuteilung von Luft und Brennstoff. Weiter optimieren läßt sich das stöchometrische Verhältnis in den beiden Stufen dieser abgestuften Verbrennung, wenn insbesondere für die Haupt¬ brenner Brennstoffdüsen zum Einsatz kommen, die einen sich seitlich erweiternden Brennstoff-Kegelstrahl erzeu¬ gen. Diese Brennstoffstrahlen können mit Luftströmen ver- mischt werden, die über Löcher in der Außenwand und/oder Innenwand der ringförmigen Gasturbinen-Brennkammer eintreten. Beispielsweise stoßen über die Außenwand eintretende Luftströme mit einem Brennstoffstrahl einer oberen Brennstoffdüse zusammen und vermischen sich mit diesem, während Luftströme, die über die Innenwand eintreten, mit den Brennstoffstrahlen unterer Brennstoffdüsen zusammenwirken. Die Vermischung der Luft¬ ströme mit den Brennstoffstrahlen ergibt im Hauptbrenner bei Hochlastbetrieb ein mageres stöchometrisches Gemisch.

In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die ringför¬ mige Brennkammer Innenwände und Außenwände sowie einen ringförmigen Brennerkopf, der zwischen den stromaufseiti- gen Enden der Innen- und Außenwand liegt. Eine Stirnwand verbindet die Stoßstelle zwischen der ringförmigen Außen¬ wand und dem äußeren Abschnitt des Brennerkopfes mit der Stoßstelle zwischen der ringförmigen Innenwand und dem inneren Abschnitt des Brennerkopfes und bildet dabei eine Trennstelle, die das heiße Gas innerhalb der ringförmigen Brennkammer von der Luft im Brennerkopf trennt. Die Stirnwand ist mit Hitzeschild-Segmenten versehen, die ge¬ meinsam mit der Innenwand und Außenwand die ringförmige Brennkammer begrenzen.

Im Außenbereich des ringförmigen Brennerkopfes sind die Pilotbrenner-Mischrohre vorgesehen, die stromaufseitig eine Eintrittsöffnung besitzen und stromabseitig in die ringförmige Brennkammer münden. In der Eintrittsöffnung jedes Mischrohres können die bereits genannten Primärluft-Verwirbler vorgesehen sein, die Primärluft in die ringförmige Brennkammer einführen. Koaxial zu diesen Primärluft-Verwirbler kann eine Brennstoffeinspritzdüse angeordnet sein, um über die Eintrittsöffnung dieses kegeligen Mischrohres Kraftstoff in die ringförmige Brennkammer einzuführen. Koaxial zu jedem Mischrohr kann stromab der Primärluft-Verwirbler ein Leitkonus vorgesehen sein, der vom Mischrohr beabstandet ist und somit eine ringförmige Kammer bildet, die umfangsseitig Kühlluft-Eintrittsöffnungen aufweist, um so durch verstärkte Konvektion die Hitze vom Mischrohr abzuführen. Der Leitkonus kann sich stromabseitig bis zur ringförmigen Brennkammer erstrecken und an der oben genannten Stirnwand befestigt sein, wobei Kühlluft radial durch einen Spalt zwischen dem Hitzeschild und dem Mischrohr in die ringförmige Brennkammer gelangen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Sektor in der Stirnwand zwischen zwei Mischrohren zwei in radialer Richtung nebeneinanderliegende Öffnungen aufweisen, die koaxial mit einer Dichtungsanordnung versehen sind, um zwei Brennstoffdüsen einer Hauptbrenner-Einspritz¬ vorrichtung aufzunehmen. Die Mischrohre sind bevorzugt soweit voneinander beabstandet, daß eine Flamme, die in einem dieser Mischrohre gezündet hat, auf die benachbar¬ ten Mischrohre überspringen kann, um ein gutes "light round" in der ringförmigen Brennkammer bei Anfahrbetrieb und Niederlastbetrieb zu ermöglichen. Bei diesen Be- triebszuständen gibt die zwei Brennstoffdüsen aufweisende Hauptbrenner-Einspritzvorrichtung, die zwischen den stromabseitigen Enden der Mischrohre angeordnet ist, un- ter Einfluß eines vorgesehenen Steuerventiles nämlich keinen Brennstoff ab.

Im vorderen Bereich können die Außenwand sowie die Innen¬ wand Lufteintrittsöffnungen bzw. Luftmischdüsen auf ei- sen, um den aus den Mischrohren austretenden Gasen sowie den bei Hochlastbetrieb über die Einspritzvorrichtung zu¬ geführten Brennstoffdämpfen Luft beizumengen. Diese Luft¬ eintrittsöffnungen bzw. Luftmischdüsen können den jeweiligen Anforderungen entsprechend unterschiedlich ausgebildet sein. Intensiv wirkende Luftmischdüsen, die es der zugeführten Luft ermöglichen, die vorliegenden Gas- bzw. Brennstoffdämp e intensivst zu durchdringen, ^{^} sind beispielsweise in Reihe mit den Pilotbrenner- Mischrohren angeordnet. Diese intensiv wirkenden Luftmischdüsen erzielen eine starke Recirculation während der Zündphase und minimieren dabei die Rauchemissionen, während Lufteintrittsöffnungen mit demgegenüber geringerer Durchdringung stromab jeder Hauptbrenner-Ein¬ spritzvorrichtung vorgesehen sein können, um örtlich ein mageres Gemisch sowie eine niedrige Verweilzeit bei Hochlastbetrieb zu erzielen.

Wenn im Anfahrbetrieb sowie im Niederlastbetrieb über diese Hauptbrenner-Einspritzvorrichtung kein Brennstoff zugeführt wird, so dienen die diesen zugeordneten Luft- eintrittsöffnungen lediglich dazu, die aus den Pilotbrenner-Mischrohren austretenden Brenngase zu ver¬ dünnen.

In das Innere der Pilotbrenner-Mischrohre wird Brennstoff durch eine Brennstoffdüse eingebracht und vermischt sich mit der verwirbelten Primärluft. Dieses Gebiet, in dem die Verbrennung stattfindet und in dem sich die Flamme stromab in die ringförmige Brennkammer ausbreitet, wird als Pilotstufe bezeichnet. Der Abschnitt unmittelbar stromab der zwei Brennstoffdüsen aufweisenden Hauptbrenner-Einspritzvorrichtung, wo sich bevorzugt dampfförmige Brennstoff-Kegelstrahlen mit zugeführten Luftströmen vermischen und wo ebenfalls deren Verbrennung erfolgt, wird als Hauptstufe bezeichnet. In verschiedenen Betriebspunkten wird unterschiedlich Brennstoff und Luft zugeführt, wobei die Auslegung jeweils entsprechend den Anforderungen im Anfahrbetrieb und Niedriglastbetrieb bzw. im Hochlastbetrieb optimiert werden kann. Insbeson¬ dere die dem Hauptbrenner zugeordneten Brennstoffdüsen können dabei einen im wesentlichen elliptischen Brenn¬ stoffkegel mit einem großen Öffnungswinkel erzeugen, der dann sowohl von der oberen als auch von der unteren Brennstoffdüse abgegeben wird und mit den Luftströmen, die über die Eintrittsöffnungen in der Innen- und Außen- wand eintreten, zusammentrifft. Auf diese Weise kann das stöchometrische Verhältnis sehr mager gehalten werden.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

Figur 1 einen Querschnitt durch eine Gasturbine mit einer erfindungsgemäß gestalteten Brennkammer- Anordnung,

Figur 2 einen vergrößerten Schnitt durch das stro aufseitige Ende dieser Brennkammeranord¬ nung gemäß Figur 1 längs eines sogenannten Pilotbrenners,

Figur 3 einen ähnlichen Schnitt wie Figur 2 durch einen Hauptbrenner,

Figur 4 eine Teilansicht gemäß den Pfeilen A-A bzw. B-

B aus den Figuren 2, 3, die die Brennstoff- Einspritzcharakteristik von Pilotbrennern und

Hauptbrennern zeigt.

Figur 5 stellt exemplarisch einen Ausschnitt aus einer

Abwicklung der ringförmigen Brennkammer dar, wobei der Niederlastbetrieb dargestellt ist, während

Figur 6 diese Abwicklung exemplarisch bei Hochlastbe¬ trieb zeigt.

In Figur 1 bezeichnet die Bezugsziffer 10 eine Gastur¬ bine, die ein von einem Turbinenrad 18 angetriebenes Ver- dichterrad 12 besitzt, sowie einen Hochdruckverdichter 20, der von einer Hochdruckturbine 22 angetrieben wird. Bestandteil dieser Gasturbine 10 ist ferner eine ringförmige Brennkammer-Anordnung 24 mit einer Vielzahl von im wesentlichen gleichweit voneinander beabstandeten, ringförmig angeordneten Brennstoff-

Einspritzvorrichtungen 26. Der vom Verdichterrad 12 geförderte Luftstrom wird in der Brennkammer-Anordnung 24 verbrannt und treibt als Abgasstrom die Turbinen 14, 18

und 22 an und wird schließlich durch eine Abgasdüse 28 abgeführt.

Die Brennkammer-Anordnung 24 ist auf die "Circumferential-Staging-Method" hin ausgelegt und be¬ sitzt unter anderem ringförmig angeordnete Pilotbrenner 1, von denen einer detailliert in Figur 2 gezeigt ist. Dabei besitzt die Brennkammer-Anordnung 24 ein ringförmi¬ ges Flammrohr 29, das in einem ringförmigen Gehäuse 31 angeordnet ist. Das Flammrohr 29 weist eine Innenwand 30, eine Außenwand 32 sowie einen Brennkopf 34 auf, der durch eine Stirnwand 38 abgetrennt ist. ümfangsmäßig angeordnet sind in diesem Brennerkopf 34 kegelige Mischrohre 36, die die jeweiligen Pilotbrenner 1 bilden und die an ihrem stromaufseitigen Ende 37 eine Öffnung besitzen, während sie mit ihren stromabseitigen Ende in die ringförmige Brennkammer 33 der Gasturbine 10 münden. Eine Dichtungs¬ anordnung 40 in der stromaufseitigen Öffnung 37 besitzt koaxial zueinander verlaufende innere und äußere Wände 44 und 48 und nimmt unter anderem Primärluft-Verwirbler 46 sowie je eine Brennstoff-Einspritzvorrichtung 26 auf. Über die Primärluft-Verwirbler 46 kann Primärluft in das Mischrohr 36 und letztendlich in die Brennkammer 33 ge¬ langen, während die Brennstoff-EinspritzVorrichtungen 26 über die koaxial zur ringförmigen inneren Wand 44 der Dichtungsanordnung 40 sowie koaxial zu den Primarluft- Verwirblern 46 angeordneten Brennstoffdüsen 58 Brennstoff in das Mischrohr 36 durch die Öffnung 37 zuführen.

Koaxial zu jedem kegeligen Mischrohr 36 ist ein Leitkonus 50 angeordnet, der stromab der Dichtungsanordnung 40 be¬ ginnt und vom Mischrohr 36 beabstandet ist, um eine Ringkammer 56 für Kühlluft zu bilden und somit die äußere Oberfläche 52 des Mischrohres 36 zu kühlen. Jeder Leitko- nus 50 erstreckt sich mit seinem stromabseitigen Ende bis in die ringförmige Brennkammer 33 und stützt sich an der

Stirnwand 38 ab, während jedes Mischrohr 36 im Endbereich eine sich in radialer Richtung erstreckende Flanke 54 aufweist. Befestigt sind die Leitkonusse 50 mit ihren stromaufseitigen Enden an den Mischrohren 36.

Bei Betrieb der Pilotbrenner 1 gelangt Brennstoff aus den einzelnen Brennstoffdüsen 58 über die einzelnen Misch¬ rohre 36 letztendlich in die ringförmige Brennkammer 33. Gleichzeitig gelangt Primärluft vom Hochdruckverdichter 20 über die Primärluft-Verwirbler 46 ebenfalls in die Mischrohre 36 und letztendlich in das ringförmige Flamm¬ rohr 29. Diese Primärluft wird beim Passieren der Primär¬ luft-Verwirbler 36 verwirbelt, so daß sie sich in optima¬ ler Weise mit dem aus der Brennstoffdüse 58 austretenden Brennstoff vermischen kann, bevor sich dieses Gemisch im Inneren des Mischrohres 36 entzündet und zumindest teil¬ weise verbrannt wird, von wo aus dieses brennende bzw. verbrannte Gemisch schließlich in die ringförmige Brenn¬ kammer 33 gelangt.

In Figur 3 ist ein Schnitt durch den stromaufseitigen Endbereich der Brennkammer-Anordnung 24 längs eines Hauptbrenners 2 gemäß der "Circumferential-Staging- Method" gezeigt. Dieser Schnitt führt durch einen Sektor des Brennerkopfes 34 zwischen zwei Mischrohren 36 zweier Pilotbrenner 1. Wie ersichtlich sind zwei in radialer Richtung nebeneinander angeordnete Öffnungen in der Stirnwand 38 vorgesehen, in der jeweils eine eine Öffnung 61 aufweisende Durchgangstülle 62 angeordnet ist. Diese Durchgangstüllen 62 nehmen dabei Brennstoffdüsen 66, 66• einer Einspritzvorrichtung 64 auf. Eine Vielzahl derartiger Einspritzvorrichtungen 64 fördern über die Brennstoffdüsen 66, 66* Brennstoff in die ringförmige Brennkammer 33, wenn der vorhandene Brennstoffdruck einen Grenzdruck eines nicht gezeigten Steuerventiles

überschreitet, d.h. wenn die einzelnen Hauptbrenner 2 arbeiten sollen.

Figur 4 zeigt einen Ausschnitt einer Ansicht auf die ein- zelnen Brennstoffdüsen, betrachtet aus Richtung der Brennkammer 33. Hier erkennt man den besonderen Vorteil von speziell gestalteten Brennstoffdüsen 66, 66' der Hauptbrenner-EinspritzVorrichtung 64. Gezeigt sind in dieser Figurendarstellung die sich durch kegelförmige Aufweitung ergebenden Brennstoffstrahlen bzw. Brennge¬ mischstrahlen, wobei neben den Pilotbrennern 1 auch die Hauptbrenner 2 arbeiten; in diesem Stadium wird die Brennkammer-Anordnung 24 bzw. die Gasturbine 10 somit im Hochlastbetrieb gefahren. Das brennende bzw. verbrannte Gas aus den Pilotbrennern 1 bzw. den Mischrohren 36 ge¬ langt dabei ebenso wie die Brennstoffstrahlen der Brenn¬ stoffdüsen 66, 66* in die ringförmige Brennkammer 33. Die Brennstoffstrahlen sowohl der oberen Düse 66 als auch der unteren Düse 66• des Auftrenners 2 erzeugen dabei jeweils einen elliptischen Brennstoffkegel. Diese dampfförmigen Brennstoffkegel werden mit Luftströmen vermengt, die über Lufteintrittsöffnungen 70 sowohl in der Innenwand 30 als auch in der Außenwand 32 in die Brennkammer 33 gelangen, sowie mit weiteren Luftströmen, die über zentral angeord- nete Düsen 68 in der Stirnwand 38 zugeführt werden. Ferner erkennt man mit der BezugsZiffer 72 bezeichnete intensiv wirkende Luftmischdüsen, die es der über sie zu¬ geführten Luft ermöglichen, die aus den Pilotbrennern 1 bzw. den Mischrohren 36 austretenden Gas- bzw. Brenn- stoffdämpfe intensivst zu durchdringen.

Ein Teilstück einer Abwicklung dieser Brennkammer-Anord¬ nung 24 zeigen die Figuren 5 und 6. In Figur 5 ist der Niederlastbetrieb dargestellt. Dabei gelangt Brennstoff lediglich über die Brennstoff-Einspritzvorrichtungen 26 der einzelnen Pilotbrenner 1 in die Brennkammer 33. Hin-

gegen sind die Hauptbrenner 2 im Niederlastbetrieb gemäß Figur 5 nicht in Betrieb, d.h. über deren Einspritzvor¬ richtung 64 wird kein Brennstoff zugeführt. Die Flammausbreitung in der gesamten Brennkammer-Anordnung 24, die im wesentlichen aus den Mischrohren 36 sowie der ringförmigen Brennkammer 33 besteht, ist hier als sogenannte Primärzone 3 sowie als Sekundärzone 4 dargestellt. Die Primärzone 3 befindet sich größtenteils innerhalb der Mischrohre 36 sowie im Austrittsbereich der intensiv wirkenden Luftmischdüsen 72, während die Sekundärzone 4 vorrangig durch den Bereich der ringförmigen Brennkammer 33 zwischen den einander gegen¬ überliegenden Lufteintrittsöffnungen 70 in der Außenwand 32 sowie der Innenwand 30 beschrieben ist.

Figur 6 zeigt eine Figur 5 entsprechende Abwicklung, d.h. exemplarisch die einzelnen Verbrennungszonen, wenn sowohl die Pilotbrenner 1 als auch die Hauptbrenner 2 bei Hoch¬ lastbetrieb arbeiten. Brennstoff gelangt dann sowohl über die Brennstoff-Einspritzvorrichtungen 26 als auch über die zwei Brennstoffdüsen aufweisenden Einspritzvorrich¬ tungen 64 in die Brennkammer 33. Die Primärzone 3 der Pi¬ lotbrenner 1 bleibt im wesentlichen dieselbe wie im Niederlastbetrieb gemäß Figur 5, während der Bereich um die Lufteintrittsöffnungen 70 herum die Primärzone 3 ¹ der Hauptbrenner 2 wird.