[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
[0002] Eine derartige Gasturbinenbrennkammer ist aus der DE-OS 24 60 709 bekannt. Bei dieser
bekannten Gasturbinenbrennkammer sind die Zuströmquerschnitte für die Primärluft durch
einen den Primärluftöffnungen zugeordneten ersten Stellring und die Zuströmquerschnitte
für die Sekundärluft durch einen den Sekundärluftöffnungen zugeordneten zweiten Stellring
veränderbar. Die beiden in axialem Abstand zueinander das Flammrohr umschließenden
Stellringe sind durch Stangen zu einer gemeinsamen Verstelleinrichtung verbunden,
wobei sich die Stangen über den Umfang des Flammrohres verteilt in axialer Richtung
erstrecken. Durch axiales Verschieben dieser gemeinsamen Verstelleinrichtung kann
dann das Verhältnis von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge lastabhängig gesteuert
werden. Somit kann bei jeder Laständerung die Aufteilung der Gesamtluftmenge in Primärluftmenge
und Sekundärluftmenge an die zur Reduzierung der Emissionen erforderlichen Bedingungen
angepaßt werden. Andererseits ist jedoch bei der bekannten Gasturbinenbrennkammer
die zur Steuerung der Luftmengenverteilung erforderliche Verstelleinrichtung mit einem
erheblichen baulichen Aufwand verbunden. Außerdem ergibt sich durch die große Anzahl
der beweglichen Teile eine gewisse Störanfälligkeit der Verstelleinrichtung.
[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbinenbrennkammer
der eingangs genannten Art die Verstelleinrichtung so auszubilden, daß mit geringem
baulichen Aufwand eine gegen Störungen unempfindliche Steuerung der Luftmengenverteilung
ermöglicht wird.
[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 aufgeführten Merkmale gelöst.
[0005] Bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer besteht die Verstelleinrichtung
also nur noch aus einem einzigen das Flammrohr umschließenden Stellring, welcher sowohl
die den Primärluftöffnungen zugeordneten Primärluft-Steuerflächen als auch die den
Sekundärluftöffnungen zugeordneten Sekundärluft-Steuerflächen trägt. Diese einfache
und gegen Störungen unempfindliche Ausgestaltung der Verstelleinrichtung wird hierbei
dadurch ermöglicht, daß der axiale Abstand zwischen den Primärluftöffnungen und/oder
den Sekundäröffnungen durch axial am Flammrohr verlaufende Primärluftkanäle und/oder
Sekundärluftkanäle überbrückt wird.
[0006] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer
sind in den Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.
[0007] Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert.
[0008] Dabei zeigt:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Gasturbinenbrennkammer mit einem im Bereich
der Sekundärluftöffnungen angeordneten Stellring und am Flammrohr angeordneten Primärluftkanälen
in stark vereinfachter schematischer Darstellung,
Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Gasturbinenbrennkammer mit einem im Bereich
zwischen den Primärluftöffnungen und den Sekundärluftöffnungen angeordneten Stellring
sowie am Flammrohr angeordneten Primärluftkanälen und Sekundärluftkanälen in stark
vereinfachter schematischer Darstellung,
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer Gasturbinenbrennkammer mit einem im Bereich
der Primärluftöffnungen angeordneten Stellring und am Flammrohr angeordneten Sekundärluftkanälen
ebenfalls in stark vereinfachter schematischer Darstellung und
Fig. 5 die konstruktive Ausbildung eines im Bereich der Sekundärluftöffnungen angeordneten
Stellringes und der zugehörigen Primärluftkanäle.
[0009] Die Fig. 1, 3 und 4 zeigen jeweils eine Gasturbinenbrennkammer mit einem zylindrischen
Brennkammergehäuse 1, welches an seinem äußeren stirnseitigen Ende mit einer Abschlußhaube
2 versehen ist und an seinem inneren stirnseitigen Ende über einen Flansch 3 an das
Gehäuse einer in der Zeichnung nicht dargestellten Gasturbine angeflanscht werden
kann. Koaxial innerhalb des Brennkammergehäuses 1 ist ein Flammrohr 4 angeordnet,
in dessen äußeren stirnseitigen Bereich mindestens ein Brenner 5 einmündet und in
dessen Mantel im Bereich der Verbrennungszone Primärluftöffnungen 6 und im Bereich
der Vermischungszone Sekundärluftöffnungen 7 eingebracht sind. Die Primärluftöffnungen
6 und die Sekundärluftöffnungen 7 bilden dabei in axialem Abstand zueinander in Umfangsrichtung
des Flammrohres 4 verlaufende Lochreihen. Der zwischen dem Brennkammergehäuse 1 und
dem Flammrohr 4 gebildete Ringraum wird vom Verdichter der Gasturbine mit einer Gesamtluftmenge
beaufschlagt, welche in eine in die Verbrennungszone des Flammrohres 4 einzuleitende
Primärluftmenge und eine in die Vermischungszone des Flammrohres 4 einzuleitende Sekundärluftmenge
aufgeteilt wird. Die Primärluft gelangt dabei durch eine Dralleinrichtung 8 des Brenners
5 und durch die Primärluftöffnungen 6 in die Verbrennungszone, während die Sekundärluft
durch die Sekundärluftöffnugnen 7 in die Vermischungszone geführt wird.
[0010] Beim Betrieb der Gasturbine muß zur Verringerung der Stickoxydemission der Luftüberschuß
in der Verbrennungszone gesteigert werden. Bei gleicher Luftmengenverteilung würde
dies aber bei Teillast oder beim Leerlauf mit einer entsprechend reduzierten Brennstoffzufuhr
zum Ansteigen der N0
2- und CO-Emission und zu Flammeninstabilitäten führen. Aus diesem Grunde muß im Teillastgebiet
oder im Leerlauf auch die Luftmengenverteilung derart geändert werden, daß sich die
Primärluftmenge verringert und die Sekundärluftmenge erhöht. Für diese bei jeder Laständerung
vorzunehmende Änderung der Luftmengenverteilung sind bei den in den Fig. 1, 3 und
4 dargestellten Gasturbinenbrennkammern jeweils verschieden aufgebaute Verstelleinrichtungen
vorgesehen.
[0011] Bei der Gasturbinenbrennkammer gemäß Fig. 1 besteht die Verstelleinrichtung zur lastabhängigen
Steuerung des Verhältnisses von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge aus einem das
Flammrohr 4 im Bereich der Sekundärluftöffnungen 7 umschließenden Stellring S1, welcher
den Sekundärluftöffnungen 7 zugeordnete Öffnungen 9 aufweist und auf seiner den Primärluftöffnungen
6 zugewandten Seite queraxial zum Flammrohr 4 ausgerichtete Primärluft-Steuerflächen
PS1 trägt. Jede dieser Primärluft-Steuerflächen PS1 kann durch Drehung des Stellringes
S1 ganz oder teilweise vor die Öffnung eines Primärluftkanales Pk 1 geschwenkt werden,
welcher am Außenumfang des Flammrohres 4 befestigt ist und in axialer Richtung zu
der zugeordneten Primärluftöffnung 6 führt. Die zwischen den Öffnungen 9 liegenden
Bereiche am Innenumfang des Stellringes S1 wirken als Sekundärluft-Steuerflächen SS1,
durch welche bei einer entsprechenden Drehung des Stellringes S1 die Sekundärluftöffnungen
7 ganz oder teilweise verschließbar sind. Durch Drehung des Stellringes S1 kann also
über eine Veränderung der Zuströmquerschnitte für die Primärluft und für die Sekundärluft
eine Steuerung des Verhältnisses von Primärluft zu Sekundärluft bewirkt werden. Zur
Verdeutlichung dieser Steuerung sind die Zuströmquerschnitte für die Primärluft und
die Sekundärluft im oberen Teil des Schnittbildes der Fig. 1 geöffnet und im unteren
Teil geschlossen dargestellt, während in dem teilweisen Querschnitt der Fig. 2 eine
Stellung dargestellt ist, in welcher eine Primärluft-Steuerfläche PS1 die Öffnung
eines Primärluftkanales Pk1 teilweise verschließt.
[0012] Bei der Gasturbinenbrennkammer gemäß Fig. 3 besteht die Verstelleinrichtung zur lastabhängigen
Steuerung des Verhältnisses von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge aus einem das
Flammrohr 4 umschließenden Stellring S2, welcher den Primärluftöffnungen 6 zugeordnete
Primärluft- Steuerflächen PS2 sowie den Sekundärluftöffnungen 7 zugeordnete Sekundärluft-Steuerflächen
SS2 trägt. Der Stellring S2 ist dabei in einem zwischen den Primärluftöffnungen 6
und den Sekundärluftöffnungen 7 liegenden Bereich angeordnet. Der axiale Abstand zwischen
den Primärluftöffnungen 6 und den zugeordneten Primärluft-Steuerflächen PS2 ist durch
axial am Flammrohr 4 verlaufende Primärluftkanäle Pk2 überbrückt, während der axiale
Abstand zwischen den Sekundärluftöffnungen 7 und den zugeordneten Sekundärluft-Steuerflächen
SS2 durch axial am Flammrohr 4 verlaufende Sekundärluftkanäle Sk2 überbrückt ist.
Zur Verdeutlichung der Steuerung der Luftmengenverteilung durch den Stellring S2 sind
die Zuströmquerschnitte für die Primärluft und die Sekundärluft im oberen Teil des
Schnittbildes der Fig. 3 geöffnet und im unteren Teil geschlossen dargestellt.
[0013] Bei der Gasturbinenbrennkammer gemäß Fig. 4 besteht die Verstelleinrichtung zur lastabhängigen
Steuerung des Verhältnisses von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge aus einem das
Flammrohr 4 im Bereich der Primärluftöffnungen 6 umschließenden Stellring S3, welcher
den Primärluftöffnungen 6 zugeordnete Öffnungen 10 aufweist und auf seiner den Sekundärluftöffnugnen
? zugewandten Seite queraxial zum Flammrohr 4 ausgerichtete Sekundärluft-Steuerflächen
SS3 trägt. Die zwischen den Öffnungen 10 liegenden Bereiche am Innenumfang des Stellringes
S3 wirken als Primärluft-Steuerflächen PS3, durch welche bei einer entsprechenden
Drehung des Stellringes S3 die Primärluftöffnungen 6 ganz oder teilweise verschließbar
sind. Die Sekundärluft-Steuerflächen SS3 können durch Drehung des Stellringes S 3
ganz oder teilweise vor die Öffnungen von Sekundärluftkanälen Sk3 geschwenkt werden,
welche am Außenumfang des Flammrohres 4 befestigt sind und in axialer Richtung zu
den zugeordneten Sekundärluftöffnungen 7 führen. Zur Verdeutlichung der Steuerung
der Luftmengenverteilung durch den Stellring S3 sind die Zuströmquerschnitte für die
Primärluft und die Sekundärluft im oberen Teil des Schnittbildes der Fig. 4 geöffnet
und im unteren Teil geschlossen dargestellt.
[0014] Die in Fig. 4 dargestellte Ausbildung der Verstelleinrichtung ist dann besonders
günstig, wenn die vom Verdichter zugeführte Gesamtluftmenge auf der Seite des Brenners
5 in den zwischen dem Brennergehäuse 1 und dem Flammrohr 4 gebildeten Ringraum eingeleitet
wird und die Öffnungen der Sekundärluftkanäle Sk3 ohne Umlenkung des Luftstromes beaufschlagbar
sind. In diesem Fall wird die in Fig. 4 strichpunktiert dargestellte Abschlußhaube
2 durch ein diffusorartiges Einlaßteil 20 ersetzt, wobei die Zufuhr der Gesamtluftmenge
durch einen Pfeil L angedeutet ist.
[0015] Die in Fig. 1 dargestellte Ausbildung der Verstelleinrichtung ist dann besonders
günstig, wenn - wie im dargestellten Fall - die vom Verdichter zugeführte Gesamtluftmenge
auf der dem Brenner 5 gegenüberliegenden Seite der Brennkammer zugeführt wird und
die Öffnungen der Primärluftkanäle Pk1 ohne Umlenkung des Luftstromes beaufschlagbar
sind. Diese Voraussetzungen sollen in entsprechender Weise auch bei der in Fig. 5
dargestellten Ausbildung einer Verstelleinrichtung vorliegen.
[0016] Fig. 5 zeigt ein im Längsschnitt nur teilweise dargestelltes Flammrohr 40, mit einer
hochtemperaturbeständigen Innenauskleidung 41, mit in die Verbrennungszone einmündenden
Primärluftöffnungen 60 und mit in axialem Abstand dazu in die Vermischungszone einmündenden
Sekundärluftöffnungen 70. Dabei ist die Verbrennungszone durch die Kontur einer Brennerflamme
F angedeutet, während die durch die Primärluftöffnungen 60 zugeführte Primärluft durch
einen Pfeil P, die heißen Verbrennungsgase durch einen Pfeil V und die durch die Sekundärluftöffnungen
70 zugeführte Sekundärluft durch einen Pfeil S angedeutet sind.
[0017] Die Verstelleinrichtung zur lastabhängigen Steuerung des Verhältnisses von Primärluftmenge
zu Sekundärluftmenge besteht aus einem das Flammrohr 40 im Bereich der Sekundärluftöffnungen
70 mit Abstand umschließenden Stellring S10, welcher den Primärluftöffnungen 60 zugeordnete
Primärluft-Steuerflächen PS10 und den Sekundärluftöffnungen 70 zugeordnete Sekundärluft-Steuerflächen
SS10 trägt. Die queraxial zum Flammrohr 40 ausgerichteten und am Innenumfang des Stellringes
S10 befestigten Primärluft- Steuerflächen PS10 können durch Drehung des Stellringes
810 ganz oder teilweise vor die Öffnung eines Primärluftkanals Pk10 geschwenkt werden,
welcher am Außenumfang des Flammrohres 40 befestigt ist und in axialer Richtung zu
der zugeordneten Primärluftöffnung 60 führt. Die sich in Umfangsrichtung des Flammrohres
40 erstreckenden und am Innenumfang des Stellringes S10 über Distanzrohre 11 befestigten
Sekundärluft-Steuerflächen SS10 können durch Drehung des Stellringes S10 ganz oder
teilweise vor die zugeordneten Sekundärluftöffnungen 70 geschwenkt werden.
[0018] Die Zuströmquerschnitte für die Primärluft P und die Zuströmquerschnitte für die
Sekundärluft S können auch durch axiale Verschiebung des Stellringes S10 oder durch
eine Kombination von Drehung und axialer Verschiebung verändert werden.
[0019] Um eine Überhitzung der Sekundärluft-Steuerflächen SS10 zu vermeiden, sind sie mit
einer Vielzahl von Kühlluftbohrungen 12 versehen, durch welche aber nur eine geringe
Luftmenge in das Flammrohr 40 gelangt. Der im Querschnitt polygonal ausgebildete Stellring
S10 ist am Flammrohr 40 rollend gelagert, was zur Vereinfachung der zeichnerischen
Darstellung nicht ersichtlich ist. Die Steuerung der Luftmengenverteilung durch Drehung
des Stellringes S10 ist durch einen Doppelpfeil D angedeutet. Aus der Zeichnung ist
ferner ersichtlich, daß durch den polygonalen Querschnitt des Stellringes S10 der
zwischen seinem Innenumfang und dem Außenumfang des Flammrohres 40 für die Zufuhr
der Primärluft P bzw. der Sekundärluft S zur Verfügung stehende Raum vergrößert wird.
[0020] Die Primärluftsteuerflächen PS10 und die Sekundärluft-steuerflächen SS10 sind an
dem Stellring S10 derart angeordnet, daß bei einer Steigerung der Turbinenlast und
einer entsprechenden Verdrehung des Stellringes S10 zunächst die Zuströmquerschnitte
für die Sekundärluft S teilweise verschlossen werden, bevor die Öffnung der Zuströmquerschnitte
für die Primärluft P beginnt. Durch diese Maßnahme kann bei einer Steigerung der Turbinenlast
zunächst der durch die Dralleinrichtung des Brenners zugeführte Primärluftanteil erhöht
werden.
[0021] Die Drehung des Stellringes S10 kann mittels eines motorischen, pneumatischen oder
hydraulischen Antriebes erfolgen, welcher außerhalb des Brennkammergehäuses angeordnet
und über ein entsprechendes Gestänge an einer Stelle des Stellringes S10 angelenkt
ist.
1. Gasturbinenbrennkammer mit folgenden Merkmalen:
a) das Flammrohr weist in die Verbrennungszone einmündende Primärluftöffnungen und
in axialem Abstand dazu in die Vermischungszone einmündende Sekundärluftöffnungen
auf,
b) die Zuströmquerschnitte für die Primärluft sind durch den Primärluftöffnungen zugeordnete
Primärluft-Steuerflächen veränderbar,
c) die Zuströmquerschnitte für die Sekundärluft sind durch den Sekundärluftöffnungen
zugeordnete Sekundärluft-Steuerflächen veränderbar,
d) das Verhältnis von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge ist durch eine gemeinsame
Verstelleinrichtung der Primärluft-Steuerflächen und der Sekundärluft-Steuerflächen
lastabhängig steuerbar,
dadurch gekennzeichnet, daß
e) die Verstelleinrichtung aus einem einzigen, das Flammrohr (4, 40) umschließenden
Stellring (S1;S2;S3;S10) besteht, welcher sowohl die Primärluft-Steuerflächen (PS1;
PS2; PS3;PS10) als auch die Sekundärluft-Steuerflächen (SS1; SS2; SS3; SS10) trägt,
f) der axiale Abstand zwischen den Primärluftöffnungen (6; 60) und/oder den Sekundärluftöffnungen
(7; 70) und den zugeordneten Steuerflächen (SS1; SS2; SS3; SS10; PS1; PS2; PS3; PS10)
durch axial am Flammrohr (4; 40) verlaufende Primärluftkanäle (Pkl; Pk2; Pk10) und/oder
Sekundärluftkanäle (Sk2; Sk3) überbrückt ist.
2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring
(S1; S2; S3; S10) zur Steuerung des Verhältnisses von Primärluftmenge zu Sekundärluftmenge
um das Flammrohr (4; 40) drehbar und/oder axial verschiebbar ist.
3. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluft-Steuerflächen
(PS1; PS2; PS3; PS10) und die Sekundärluft-Steuerflächen (SS1; SS2; SS3; SS10) derart
an dem Stellring (S1; S2; S3; S10) angeordnet sind, daß bei Bewegung des Stellringes
(S1; S2; S3; S10) in der einen Richtung die Zuströmquerschnitte für die Primärluft
(P) fortschreitend vergrößert und die Zuströmquerschnitte für die Sekundärluft (S)
fortschreitend verringert werden und umgekehrt.
4. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluft-Steuerflächen
(PS10) und die Sekundärluft-Steuerflächen (SS10) derart an dem Stellring (S10) angeordnet
sind, daß bei Bewegung des Stellringes (S10) in der einen Richtung zunächst die Zuströmquerschnitte
für die Sekundärluft teilweise verschlossen werden, bevor die Öffnung der Zuströmquerschnitte
für die Primärluft beginnt.
5. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Primärluftkanäle (PS1; PS2; PS3; PS10) und/oder Sekundärluftkanäle (SS1; SS2; SS3; SS10) am Außenumfang des Flammrohres (4, 40) angebracht sind.
6. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stellring (S10) das Flammrohr (40) mit Abstand umschließt und daß die Primärluft-Steuerflächen
(PS10) und die Sekundärluft-Steuerflächen (SS10) am Innenumfang des Stellringes (S10)
befestigt sind.
7. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring
(S10) im Querschnitt polygonal ausgebildet ist.
8. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Primärluft-Steuerflächen (PS10) queraxial zum Flammrohr (40) angeordnet sind.
9. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die den Sekundärluftöffnungen (70) unmittelbar zugeordneten Sekundärluft-Steuerflächen
(SS10) sich in Umfangsrichtung des Flammrohres (40) erstrecken.
10. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,daß in die Sekundärluft-Steuerflächen
(SS10) eine Vielzahl von Kühlluftbohrungen (12) eingebracht ist.