Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik der Gasturbinen. Sie betrifft eine Brenneranordnung für die ringförmige Brennkammer einer Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Brenneranordnung ist z.B. aus der Druckschrift
In der heutigen Zeit gehören ringförmige Low-NOx-(EV-)Brennkammem (EV = Environmental) für Gasturbinen mit einer einzigen Reihe von Brennern zur bewährten Technologie (siehe z.B.
Andere Gasturbinen haben in der ringförmigen Brennkammer eine doppelreihige Anordnung von Brennern, wie dies beispielsweise in den Fig. 1 und 3 der eingangs genannten Druckschrift
Nachteilig ist bei der bekannten zweireihigen Brenneranordnung der für einen Brennerwechsel notwendige, konstruktiv aufwendige Zugang zur Brennkammer über entsprechende Mannlöcher. Nachteilig ist auch der bei dieser Lösung zeitaufwendige Vorgang des Brennerwechsels. Das Vorsehen von Zugangsöffnungen im Turbinengehäuse, durch weiche die Brenner einfach nach draussen herausgezogen werden können, wirft jedoch hinsichtlich der mechanischen Integrität des Turbinengehäuses Probleme auf. Das Turbinengehäuse muss bestimmten mechanischen Anforderungen genügen und sollte sich unter Druck und thermischer Belastung nicht deformieren oder reissen. Daher muss ein minimaler Abstand zwischen derartigen Zugangsöffnungen im äusseren Turbinengehäuse beachtet werden. Dies ist gerade bei doppelreihigen Brenneranordnungen von grosser Bedeutung.
Es ist weiterhin bei jeder Brennkammer wünschenswert, dass sich die Heissgasse in der Primärzone gut vermischen. Gerade bei doppel- oder höherreihigen Brenneranordnungen müssen daher Wege gefunden werden, um eine Vermischung zu erhalten, die selbst bei Teillastbetrieb, bei dem die Brenner abgestuft betrieben werden, ausreichend ist.
Schliesslich ist zu beachten, dass die Brenner "hot spots" an den inneren Auskleidungen der Brennkammer erzeugen, wo das aus den Brennern ausströmende Heissgas auf die Wände trifft.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine doppelreihige Brenneranordnung für ringförmige Brennkammern zu schaffen, welche ohne Beeinträchtigung der mechanischen Integrität des Turbinengehäuses ein direktes Herausziehen der Brenner durch das Turbinengehäuse nach aussen ermöglicht, die Mischung der Heissgase in der Brennkammer verbessert und die thermische Belastung an den Wänden der Brennkammer reduziert.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die Brenner in den beiden Brennerreihen mit ihren Brennerachsen nicht länger parallel zueinander auszurichten, sondern in Strömungsrichtung aufeinander zulaufen zu lassen. Hierdurch ergibt sich entgegen der Strömungsrichtung zum äusseren Turbinengehäuse hin ein zunehmender (lateraler) Abstand zwischen den Brennerachsen, der bei entsprechenden Zugangsöffnungen für die Brenner im äusseren Turbinengehäuse zu einem grösseren Abstand und damit zu einer deutlich verringerten mechanischen Schwächung des Gehäuses führt. Da die Brennerachsen in der Brennkammer aufeinander zu laufen, treten auch die von den Brennern in den Brennraum ausgestossenen Gase stärker in Wechselwirkung, was zu einer verbesserten Mischung führt. Gleichzeitig ergibt sich durch die Neigung der Brenner aufeinander zu eine reduzierter Aufprall der heissen Brennergase auf die aussenliegenden Brennkammerwände, so dass deren thermische Belastung sinkt.
Bevorzugt ist dabei eine "symmetrische" Brenneranordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die beiden Brenner eines Brennerpaares auf beiden Seiten der
Mittelachse des Brennkammerquerschnitts angeordnet sind, und dass die Brennerachsen der beiden Brenner mit der Mittelachse jeweils einen Winkel (α) einschliessen, der grösser als 0° und kleiner als 90° ist.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in einem Ausschnitt den Schnitt durch eine Gasturbine mit einer ringförmigen Brennkammer und einer zweireihigen Brenneranordnung gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In der Figur ist ein Schnitt durch die Brennkammer einer Gasturbine 10 mit einer Brenneranordnung gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Gasturbine 10, von der nur ein oberhalb der Turbinenachse liegender Ausschnitt gezeigt ist, hat ein äusseres Turbinengehäuse 13, welches ein mit komprimierter Luft gefülltes Plenum 12 und eine zwischen Verdichterteil und Turbinenteil angeordnete Brennkammer 11 umschliesst. Die Brennkammer 11 ist im bezug auf die Turbinenachse ringförmig ausgebildet In ihrem eintrittsseitigen Kopfraum 27 sind in zwei Reihen übereinander Brenner 14, 15 angeordnet, die in bekannter Weise als Doppelkegelbrenner ausgebildet sind, in die Brennkammer 11 münden und eine Primärbrennzone in befeuern. Zwischem den Brennerreihen erstreckt sich ein Zwischen bereich 26. Die Brenner 14, 15 bilden koaxiale Ringe, wie dies ähnlich (allerdings mit wechselndem Versatz) in Fig. 3 der
Wesentlich ist nun, dass die paarweise übereinander angeordneten Brenner 14, 15 mit ihren Brennerachsen 17 nicht länger parallel zueinander orientiert sind, sondern derart gegeneinander geneigt eingebaut sind, dass die Brennerachse 17 in Strömungsrichtung (in der Figur nach links) aufeinander zu laufen. Bevorzugt ist diese Neigung symmetrisch zur Mittelachse 25 des Brennkammerquerschnitts ausgebildet Jeder Brenner 14, 5 ist mit seiner Brennerachse 17 um denselben Winkel α aus der Mittelachse 25 heraus geneigt. In dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel α etwa 5°. Allgemein ist er grösser als 0° und kleiner als 90°.
Durch die Neigung der Brenner 14,15 gegeneinander verbreitern sich die Zwischenbereiche 23, 24 zwischen den Öffnungen im Brennkammergehäuse 18 und den Öffnungen 21, 22 im äusseren Turbinengehäuse 13, wodurch Platz für Befestigungsmittel bereitgestellt und die mechanische Stabilität der Gehäuse wesentlich erhöht wird. Durch die Neigung erhöht sich auch die Wechselwirkung zwischen den Flammen 28 der benachbarten Brenner 14,15, was zu einer besseren Vermischung der heissen Gase führt. Schliesslich treffen die Flammen 28 inder Primärbrenn-zone 16 wegen der Neigung der Brenner 14,15 weniger stark auf die inneren und äusseren Auskleidungssegmente 29 und 30 der Brennkammer 11, wodurch die thermische Belastung dieser Segmente deutlich reduziert wird.
Insgesamt ergeben sich mit der Erfindung die folgenden Effekte und Vorteile:
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