Ringbrennkammer mit Ringbrenner für Gasturbinen

Abstract

 Der Ringbrenner der Ringbrennkammer ist durch radiale und durch in Umfangsrichtung verlaufende Plattenkanäle (19,20 bzw. 21,22) oder durch radiale Plattenkanäle (36) und Längsrohre (34), Radialrohre (38) sowie Ringrohre (39) wabenförmig in eine grosse Zahl achsparalleler Kanäle für die Verbrennungsluft unterteilt, in die aus Düsen (23, 24; 37) in den Begrenzungswänden Brenngas eingeführt wird. Am Brenneraustritt sind über den Stirnflächenbereich der Plattenkanäle bzw. Rohre Flammenhalterdüsen vorgesehen. Für den Betrieb als Dualbrenner mit gasfofmigen und flüssigen Brennstoffen werden vor dem Brennereintritt Brennstoffdüsen vorgesehen.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ringbrennkammer mit Ringbrenner für Gasturbinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Gegenüber Einzelbrennkammern haben Ringbrennkammern u.a. den Vorteil einer kompakteren Bauweise der Gasturbinen.

[0003] Der Druckverlust, den eine Ringbrennkammer herkömmlicher Bauart verursacht, liegt jedoch eher über demjenigen einer Einzelbrennkammer. Beiden gemeinsam ist aber, dass die Temperaturverteilung vor der Turbine nicht befriedigt.

[0004] Die heute üblichen Brenner für Ringbrennkammern bestehen aus einer relativ kleinen Anzahl von über den Umfang der Ringbrennkammer verteilten Einzelbrennern, im allgemeinen 10 bis 20, in Ausnahmefällen bis zu 48. Die Temperaturverteilung im Gasstrom am Eintritt in die Turbine ist daher, wie schon gesagt, nicht so gleichmässig wie es wünschenswert wäre, insbesondere bei einer geringen Anzahl von Einzelbrennern. Dazu kommt, dass bei diesen Brennern eine zufriedenstellende Flammenstabilisierung eine grosse Rezirkulationszone benötigt, die mit Drallerzeugern oder Flammenhaltern grosser Blockierung erzeugt wird, die zu den Druckverlusten in der Brennkammer beitragen.

[0005] Nachteilig ist bei solchen konventionellen Brennern ferner, dass zumindest in der Zündzone des Brennstoff/Luft-Gemisches stöchiometrische Verhältnisse und damit örtlich hohe Flammentemperaturen herrschen, was die Bildung unerwünschter Stickoxide begünstigt. Der gesamte Luftdurchsatz durch den Brenner ist dabei, abgesehen vom Kühlluftstrom für die Brennkammerwandung, aufgeteilt in einen Primärluftstrom, der durch die Brennzone strömt, und in einen oder mehrere Mischluftströme, die nach dem Brenneraustritt weiter stromabwärts mit den Verbrennungsgasen gut vermischt und verwirbelt werden müssen, wozu grosse Geschwindigkeiten mit entsprechend grossen Druckverlusten erforderlich sind.

[0006] Mit der vorliegenden, im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definierten Ringbrennkammer mit Ringbrenner sollen die vorerwähnten Nachteile der bekannten Bauarten von Ringbrennkammern mit Einzelbrennern vermieden werden.

[0007] Die der Erfindung zugrundeliegende Konzeption besteht darin, dass bereits vor der Zündzone eine sehr gute, innige Vermischung der Luft mit dem gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff stattfinden soll, was niedrigere Temperaturspitzen, eine gleichmässigere Temperaturverteilung vor der Gasturbine und eine verminderte Stickoxidbildung zur Folge hat. Durch eine entsprechend gewählte Luftgeschwindigkeit werden dabei Rückzündungen vermieden. Ausserdem entfallen dadurch die üblichen, stark widerstandserhöhenden Elemente zur Erzeugung von Turbulenz oder einer Rückströmung, so dass auch die damit verbundenen Druckverluste vermieden werden.

[0008] Die erfindungsgemässe Ringbrennkammer mit Ringbrenner soll ausserdem vom Prinzip her sowohl für gasförmige als auch für flüssige Brennstoffe sowie für den gleichzeitigen Betrieb mit gasförmigen und flüssigen Brennstoffen eingerichtet werden können.

[0009] Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 einen schematischen Ausschnitt aus einer Gasturbine mit einer erfindungsgemässen Ringbrennkammer/ Ringbrenner-Kombination,

Fig. 2 eine Vorderansicht auf einen Sektor eines Ringbrenners als Bestandteil der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 einen Radialschnitt gemäss dem Schnittverlauf III-III von Fig. 2,

Fig. 4 einen Radialschnitt durch einen mit Gas und mit flüssigem Brennstoff betreibbaren Dualringbrenner gemäss der Erfindung, die

Fig. 5 bis 7 in schematischer Form die wirksamen Brennzonen des Dualringbrenners nach Fig. 4 bei verschiedenen Lastzuständen,

Fig. 8 einen Radialschnitt durch einen Sektor einer weiteren Ausführungsform eines für Gasbetrieb vorgesehenen Ringbrenners, und die

Fig. 9 einen Querschnitt gemäss dem in Fig. 8 eingetragenen Schnittverlauf IX - IX.

[0010] Aus Fig. 1 geht die Anordnung einer erfindungsgemässen Ringbrennkammer mit Ringbrenner innerhalb einer ansonsten konventionellen Gasturbine hervor. Die Kombination Brennkammer 2 und Brenner 3 ist hier mit 1 bezeichnet und besitzt ein gemeinsames Gehäuse. Praktisch werden die Brennkammer 2 und der Brenner 3 getrennte Bauteile sein, insbesondere bei grösseren Einheiten, da bei diesen, wie unten dargelegt wird, der Ringbrenner 3 vorzugsweise aus Sektoren zusammengesetzt ist. Die Verbrennungsluft wird, abgesehen von einer geringen Kühlluftmenge,die an Abzapfstellen 4, 5 und 6 zur Kühlung des Wellenkanals und des Gehäuses abgezweigt wird, vom Verdichter 7 durch einen Kreisringdiffusor 8, der sich vor dem Ringbrenner 3 zu einem Stossdiffusor 9 erweitert, in den Brenner 3 gefördert, wo sie mit dem Brenngas oder zusätzlich zum Brenngas noch mit einem zerstäubten flüssigen Brennstoff über den ganzen Kanalquerschnitt gleichmässig innig vermischt wird. Am Brenneraustritt entzündet sich das Brenngemisch und die Verbrennungsgase gelangen durch die Brennkammer 2, wo ihnen die vor dem Brenner abgezweigte Kühlluft zugeführt wird, zur Arbeitsleistung in die Turbine 10. Im Kreisringdiffusor 8 ist eine ringförmige Stolperleiste 11 vorgesehen, die als Turbulenzerzeuger dient und damit eine etwa gleichmässige Geschwindigkeitsverteilung über die Höhe des Diffusorkanals bewirkt.

[0011] Die Brennkammer 2 kann als Folge der noch zu erläuternden vorteilhaften Eigenschaften des Ringbrenners als im wesentlichen glatter Kanal gemäss Fig. l ohne die sonst üblichen Einbauten zur Verwirbelung des Brenngemisches ausgeführt werden. Die Beschreibung der Erfindung beschränkt sich daher im folgenden auf den Ringbrenner allein, der, wie schon erwähnt, im allgemeinen als ein von der Ringbrennkammer getrennter Bauteil ausgeführt wird.

[0012] Der Ringbrenner 3 wird vorzugsweise, insbesondere bei grösseren Einheiten, aus Kreisringsektoren zusammengesetzt. Die Anzahl solcher Sektoren wird im allgemeinen von der Grösse des Brenners abhängen. Der in den Fig. 2 und 3 in Ansicht und in einem Radialschnitt dargestellte Sektor 12 überdeckt 22,5⁰, d.h., dass der zugehörige ganze Brenner aus 16 solcher Sektoren besteht. Den äussersten Teil des Sektors bildet der Gasverteilerkastm13, der, wie Fig. 3 zeigt, durch ein Trennschott 14 in eine Hauptgaskammer 15 und eine Zündgaskammer 16 unterteilt ist, denen das Gas durch die Gaszuleitungen 17 und 18 zugeführt wird. Diese beiden Gaszuleitungen zweigen ihrerseits von einer nicht dargestellten Sammelleitung ab. Vom Gasverteilerkasten 13 zweigen von den beiden Gaskammern 15 und 16 radiale Plattenkanäle 19 bzw. 20 ab, die von in Umfangsrichtung verlaufenden Plattenkanälen 21 bzw. 22 senkrecht geschnitten werden. Die Plattenkanäle 19 bis 22 bilden ein mit dem Gasverteilerkasten 13 kommunizierendes, gitterartiges Kanalnetz, das Waben von angenähert quadratischem Querschnitt begrenzt, in die während des Betriebes aus Düsen 23, 24, die in allen Kanalwandungen vorgesehen sind, Gas einströmt. Aus Fig. 3 geht hervor, dass sowohl für das Hauptgas als auch für das Zündgas für jede Wabe je eine Reihe von in einer Ebene liegenden Düsen vorgesehen ist. Es könnten aber natürlich auch, je nach Brennerleistung, zwei oder mehr solcher Düsenreihen vorgesehen sein, die entweder in Strömungsrichtung fluchtend oder gestaffelt hintereinander angeordnet sein können.

[0013] Bei der dargestellten Ausführung bestehen bei den zwei mittleren Wabenreihen alle vier Begrenzungen aus den Plattenkanälen 19 bzw. 20, während bei der äussersten und der innersten Wabenreihe die radial äussere bzw. radial innere Begrenzung von Abschirmblechen 25 bzw. 26 gebildet wird.

[0014] In diese beiden Wabenreihen wird also nur aus zwei radialen und aus einem in Umfangsrichtung verlaufenden Plattenkanal Gas zugeführt..

[0015] Am Brenneraustritt, d.h., am vorderen Ende aller Plattenkanäle für das Zündgas s-ind Flammenhalter 27 vorgesehen, die bei den zwei mittleren Wabenreihen den aus Fig. 2 ersichtlichen doppeltrapezförmigen Umriss aufweisen. Zur Wahrung der Uebersichtlichkeit ist die vollständige Vorderansicht dieser Flammenhalter nur für zwei mittlere und zwei äussere Waben eingezeichnet.

[0016] Wie Fig. 3 zeigt, ist der Querschnitt der Flammenhalter U-förmig, wobei im Steg Flarnmenhalterdüsen 28 und im schlitzförmigen Austrittskanal vor den Flamnenhalterdüsen Prallplatten 29 vorgesehen sind, die in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise gegeneinander versetzt sind, um eine gute Verwirbelung des austretenden Gasstrahles für die Stützflamme zu erzielen.

[0017] Zum Anfahren des Brenners wird die Stützflamme gezündet, die dann das gleichzeitig aus den Zündgasdüsen 24 ausströmende Gas am Brenneraustritt entzündet. Da sowohl die Zündgasdüsen 24 als auch die Flammenhalterdüsen 28 von der _Zünd- gaskammer gespeist werden, ist der Gasstrom für die Stützflamme etwa proportional dem Gasstrom aus den Zündgasdüsen, mit dem die Turbine im Leerlauf und eventuell bei Schwachlast betrieben werden kann. Für höhere Leistung wird aus den Hauptgasdüsen 23 Hauptgas zugeschaltet.

[0018] Durch die vielen, gleichmässig über den inneren Umfang der Wabenkanäle verteilten Gasdüsen 23 und 24 in Verbindung mit dem langen Mischungsweg bis zum Brenneraustritt findet bereits vor dem Brenneraustritt auch ohne Verwirbelung eine sehr gute Vermischung des Gases mit der Luft statt, so dass bei kleinem Druckabfall eine sehr gute, über den ganzen Brennerquerschnitt gleichmässige Verbrennung mit grossem Luftüberschuss stattfindet. Dementsprechend ausgeglichen ist auch die Temperaturbeaufschlagung der Turbine durch die Verbrennungsgase, denen in der Brennkammer lediglich noch in der Randzone die an den Abzapfstellen 4, 5 und 6 entnommene Kühlluft durch Schlitze 30 in der Brennkammerwand zugeführt wird.

[0019] Die Fig. 4 zeigt einen Radialschnitt durch einen Sektor eines mit flüssigem und gasförmigem Brennstoff betreibbaren Dualbrenners. Dieser besitzt zusätzlich zu den Elementen des für seinen Gasbetrieb vorgesehenen Brenners vor dem Brenneraustritt in einer radialen Reihe angeordnete Brennstoffdüsen 31, die über Brennstoffleitungen 32 reihen- oder gruppenweise, je nach Lastzustand, zusätzlich zum Gas zugeschaltet oder aber allein, nachdem der Brenner mit dem Zündgas über die Leerlaufleistung hochgefahren worden ist, das zum Betrieb unter Last erforderliche Verbrennungsgas liefern, wobei das Zündgas abgeschaltet werden kann, da die Flammenstabilisierung dann durch die am Brenneraustritt infolge der Wirbeln herrschende Rückströmzone bewirkt wird.

[0020] Die Achsen der Brennstoffdüsen 31 fluchten mit den Schnittlinien der radialen und der sich in Umfangsrichtung erstrekkenden Plattenkanäle, so dass der Brennstoffstrahl an den Kreuzungspunkten der Platten in jeweils vier Wabenkanälen hinein zerstäubt wird.

[0021] Die Fig. 5 bis 7 zeigen schematisch diese Aufteilung der Brennstoffstrahlen und die bei verschiedenen Lastzuständen aktiven Brennstoffdüsen, und zwar die Fig. 5 bei Leerlauf, die Fig. 6 bei einer Teillast und die Fig. 7 bei Volllast. Für Teillast sind in bekannter Weise je nach Einzelfall verschiedene Kombinationen von aktiven Brennstoffdüsen möglich.

[0022] Bei der in der Fig. 8 und 9 dargestellten Variante eines Brenners für ausschliesslichen Gasbetrieb dient das über die Zündgaskammer 32, Zündgaskanäle 33 und von letzteren abzweigenden Längsrohren 34 einem am Brenneraustritt vorgesehenen Rohrgitternetz zugeführte Zündgas nur zur Flammenstabilisierung. Die Turbine wird über den ganzen Lastbereich ausschliesslich durch Hauptgas betrieben, das aus der Hauptgaskammer 35 in radiale Plattenkanäle 36 und aus diesen durch Hauptgasdüsen 37 in die von benachbarten Plattenkanälen 36 gebildeten Luftkanälen gelangt. Die zur Turbinenachse parallelen Längsrohre 34 münden in das erwähnte Rohrgitternetz an den Knoten, die von sich kreuzenden Radialrohren 38 und Ringrohren 39 gebildet werden. Sowohl die Radialrohre 38 als auch die Ringrohre 39 sind mit je zwei Reihen von Flammenhalterdüsen 40 bzw. 41 versehen, deren Achsen zur Durchströmungsrichtung des Brenners unter einem spitzen Winkel geneigt sind.

[0023] Das Rohrgitternetz dieser Ausführungsform bildet zwar keine geschlossen begrenzten Kanäle wie bei den Ausführungen nach den Fig. 2 bis 4, infolge der dichten Verteilung der Hauptgasdüsen 37 über die Kanalhöhe und insgesamt über den Brennerquerschnitt ist aber ebenfalls eine gute, gleichmässige Vermischung von Gas und Luft mit den eingangs beschriebenen Vorteilen gewährleistet.

Ansprüche

1. Ringbrennkammer mit Ringbrenner für Gasturbinen, mit über den Umfang,des im wesentlichen kreisringzylindrischen Eintrittsquerschnittes der Ringbrennkammer in regelmässiger Verteilung angeordneten Brennerelementen
, gekennzeichnet durch sich radial und in Umfangsrichtung erstreckende Gaskanäle (19, 20, 21, 22; 36, 38 39), die ein zusammenhängendes,unter sich leitend verbundenes,gitterartiges Kanalsystem bilden, und dass die Gaskanäle (19, 20, 21, 22; 36, 38, 39) Reihen von Düsen (23, 24, 28; 40, 41) aufweisen, die parallel zur Längserstreckung der genannten Gaskanäle angeordnet sind.

2. Ringbrennkammer mit Ringbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskanäle als
Plattenkanäle (19, 20, 21, 22) ausgebildet sind, die Wabenkanäle von annähernd quadratischem Querschnitt für die Mischung des Gases mit der Verbrennungsluft begrenzen, dass ein Teil der Gaskanäle (19, 21) für die Zuführung von Hauptgas und die übrigen Gaskanäle (20, 22) für die Zuführung von Zündgas ausgebildet sind, und dass die am Brenneraustritt der Plattenkanäle für das Zündgas vorgesehenen Düsen als Flammenhalterdüsen (28) mit davor angeordneten Prallplatten (29) ausgebildet sind.

3. Ringbrennkammer mit Ringbrenner nach Anspruch 2 zur Verwendung als Dualringbrenner, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ebene vor dem Brennereintritt Brennstoffdüsen (31) für flüssige Brennstoffe vorgesehen sind, wobei die Düsenachsen mit den Achsen der von den radialen und sich in in Umfangsrichtung erstreckenden Plattenkanälen (19, 20, 21, 22) gebildeten Knoten fluchten.

4. Ringbrennkammer mit Ringbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptgaskanäle als radiale Plattenkanäle (36) ausgeführt sind, dass für die Zuführung des Zündgases radiale Zündgaskanäle (33), Längsrohre (34), Radialrohre (38) und Ringrohre (39) vorgesehen und dass die Düsen in den Radialrohren (38) und in den Ringrohren (39) als Flammenhalterdüsen (40, 41) ausgebildet sind.

5. Ringbrennkammer mit Ringbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringbrenner in Kreisringsektoren unterteilt ist.

Zeichnung