Gasturbinenbrennkammer mit Zuleitungsöffnung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer mit zumindest einem Pilotbrenner und zumindest einem Hauptbrenner, welche zueinander axial und radial versetzt angeordnet sind, wobei die Brennkammer eine äußere und eine innere Flammrohrwand umfasst, in welchen jeweils Öffnungen zur Zuleitung von Luft ausgebildet sind, wobei der Hauptbrenner angrenzend an die äußere Flammrohrwand und der Pilotbrenner angrenzend an die innere Flammrohrwand angeordnet sind.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Gasturbinenbrennkammern bekannt, die beispielsweise als Ringbrennkammern ausgebildet sind. Zur Verringerung der Schadstoffemissionen von Gasturbinentriebwerken wurden Zweizonen-Brennkammern entwickelt, wobei eine Zone für die Verbrennung bei Leerlaufdrehzahl und Teillast und die andere Zone für den oberen Lastbereich ausgelegt sind. Somit ist es möglich, die entsprechende Schadstoffentwicklung optimal zu beeinflussen.

[0003] Der Stand der Technik zeigt somit Brennkammern mit gestufter Verbrennungsführung, bei denen eine Pilotstufe und eine Hauptstufe unterschiedliche Funktionen übernehmen. Beide Stufen können separat hinsichtlich ihrer durch ihre jeweiligen Betriebsbedingungen spezifischen Schadstoffentstehungsmechanismen optimiert werden. Der Hauptstufe kommt hierbei vornehmlich die Funktion zu, den Schadstoffausstoß der im Volllastbetrieb auftretenden Schadstoffe, wie etwa Stickoxide und Ruß, im Vergleich zu herkömmlichen Brennkammern zu reduzieren.

[0004] Die Verbrennungsführung in der Hauptstufe ist dabei so ausgebildet, dass das von den Hauptkraftstoffzerstäubern zunächst eingestellte Luft-Brennstoff-Verhältnis, bezogen auf das stöichiometrische Verhältnis durch Brennstoffüberschuss gekennzeichnet ist. Durch Zumischung von Luft wird das Gemisch in einen mageren, durch Luftüberschuss gekennzeichneten Verbrennungszustand überführt. Diese Zumischung bzw. das Ausmischen der halb verbrannten Gase mit der Mischluft muss möglichst intensiv erfolgen, damit ein homogen ausgemischter Zustand möglichst schnell eingestellt werden kann. Ein schneller Mischvorgang (Quenching) minimiert die Aufenthaltszeit des reagierenden Gases im Bereich der stöichiometrischen Verbrennung und wirkt dem Bildungsprozess des thermischen Stickoxids entgegen.

[0005] Aus oben genannten Gründen ist deshalb die geometrische Ausgestaltung der Mischluftöffnungen im Flammrohr der Brennkammer für das Schadstoffreduktionspotential einer Gasturbinenbrennkammer von zentraler Bedeutung.

[0006] Eine Gestaltung der Zumischöffnungen wird weiterhin durch die resultierende Temperaturverteilung am Brennkammeraustritt bzw. am Turbineneintritt bestimmt. Durch zu hohe Temperaturen sind Beschädigungen der Hochdruckturbine zu befürchten.

[0007] Die aus dem Stand der Technik bekannten Gasturbinenbrennkammern sind hinsichtlich der Reduzierung aller relevanten verbrennungsbedingten Schadstoffe ausgelegt. Eine Optimierung des Emissionsverhaltens der Brennkammer bei hohen Lastpunkten, wodurch sich vornehmlich eine Reduzierung des Stickoxidausstoßes ergibt, hat jedoch eine Erhöhung der Emissionen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid oder unverbrannter Kohlenwasserstoffe bei Leerlauf oder Teillast zur Folge.

[0008] Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Brennkammern in gestufter Bauweise bekannt. Derartige, auch als Zweizonen-Ringbrennkammern bezeichnete Brennkammern weisen einen äußeren und einen inneren Bereich auf. Einer der Bereiche ist für die Verbrennung bei Leerlauf und Teillast optimiert, während der andere Bereich für den oberen Lastbereich ausgelegt ist. Eine Reduzierung des Stickoxidausstoßes erfordert jedoch eine optimierte Zumischbelochung der Pilotstufe und der Hauptstufe. Die aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen lösen diese Aufgabe nicht oder nur bedingt.

[0009] Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, den Pilotbrenner und den Hauptbrenner entweder in einer Ebene oder auch in Umfangsrichtung versetzt zueinander anzuordnen.

[0010] Zumischbelochungen für Brennkammern üblicher Bauweise zeigen beispielsweise die EP 943 868 A2 und die EP 927 854 A1.

[0011] Die DE 197 20 402 A1 beschreibt eine axial gestufte Ringbrennkammer einer Gasturbine. Die Druckschrift beschreibt die Zuordnung einer Anzahl von Hauptbrennern zu einer Anzahl von Pilotbrennern. In den Brennkammerwandungen sind übliche Mischluftlöcher ausgebildet, die hinsichtlich ihrer Anzahl und ihrer Anordnung nicht weiter erläutert sind.

[0012] Eine weitere Ausgestaltung einer axial gestuften Doppelring-Brennkammer einer Gasturbine zeigt die WO 96/27766 A1. Auch bei dieser Druckschrift sind Öffnungen beziehungsweise Löcher für Mischluftstrahlen dargestellt, die jedoch ebenfalls, ähnlich wie bei der oben genannten DE 197 20 402 A1 hinsichtlich ihrer Ausgestaltung und Anordnung nicht näher erläutert sind. Aus der DE 28 38 258 A1 ist eine Brennkammeranordnung vorbekannt, bei welcher zumindest ein Pilotbrenner und zumindest ein Hauptbrenner vorgesehen sind. Sowohl an der äußeren, als auch an der inneren Brennkammerwand sind Öffnungen ausgebildet, die in Form von Düsen ausgestaltet sind. Im Unterschied zur vorliegenden Konstruktion sind jedoch zwei zueinander parallele Brennzonen vorgesehen, die sich erst relativ spät in einer gemeinsamen Zone vereinen. Insofern liegen Strömungs- und Verbrennungsverhältnisse vor, die sich grundsätzlich von der vorliegenden Erfindung unterscheiden.

[0013] Die den nächstkommenden Stand der Technik bildende US-A-4 246 758 beschreibt eine Gasturbinenbrennkammer mit einem Hauptbrenner und einem Pilotbrenner. In den Wandungen, welche sich direkt an die Brennstoffdüsen anschließen, sind jeweils Öffnungen vorgesehen. Die äußere Flammrohrwand weist, ebenso wie die innere Flammrohrwand, nochmals eine Reihe von Ausnehmungen auf, deren räumliche Anordnung im Einzelnen nicht weiter dargestellt ist.

[0014] Die US-A-5 642 621 zeigt einen Aufbau von Öffnungen, bei welchen die Lotzonenlöcher und Mischzonenlöcher vorgesehen sind, die jeweils einreihig angeordnet sind.

[0015] Eine weitere Ausgestaltung zeigt die EP-A-0 913 645. Dabei ist an den äußeren und an den inneren Flammrohrwänden jeweils eine Vielzahl von Luftöffnungen vorgesehen, die in unterschiedlichen Anordnungen positioniert sind.

[0016] Eine weitere Ausgestaltung einer nicht-gestuften Brennkammer zeigt die US-A-5 284 019. Auch hierbei sind in den Brennkammerwandungen unterschiedlichste Anordnungen von Lufteinlässen vorgesehen.

[0017] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Gasturbinenbrennkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und kostengünstiger Herstellbarkeit hinsichtlich des Schadstoffausstoßes bei unterschiedlichen Lastbereichen optimiert ist.

[0018] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen.

[0019] Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die äußere Flammrohrwand mit einer ersten Anordnung von Öffnungen versehen ist, und dass in der inneren Flammrohrwand eine zweite Anordnung von Öffnungen ausgebildet ist.

[0020] Die erfindungsgemäße Gasturbinenbrennkammer zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Durch die beschriebene Anordnung der Mischluftöffnungen wird erreicht, dass bei unterschiedlichsten Betriebsbedingungen stets eine optimale Verbrennung erfolgen kann, sodass der Schadstoffausstoß ganz erheblich reduziert werden kann.

[0021] Die erfindungsgemäße Anordnung der Öffnungen hinsichtlich ihrer axialen Position, hinsichtlich ihrer Größe sowie hinsichtlich der Staffelung der einzelnen Anordnungen oder Lochreihen als auch hinsichtlich der Zuordnung der Anordnungen von Mischluftöffnungen der äußeren und der inneren Flammrohrwand führt somit zu einer optimalen Verbrennung und zu einer Verringerung der Schadstoffemissionen.

[0022] Erfindungsgemäß ist es möglich, die erste Anordnung von Öffnungen einreihig oder doppelreihig auszubilden, wobei im letzteren Fall die Öffnungen der zweiten Reihe mittig oder außermittig und nach hinten zu den Zwischenbereichen der Öffnungen der ersten Reihe angeordnet sein können. In beiden Fällen ergibt sich eine Optimierung der Zuführung von Mischluft.

[0023] In einer günstigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Anordnung von Öffnungen in der inneren Flammrohrwand einreihig ausgebildet ist, wobei die Öffnungen mittig oder außermittig in dem Zwischenbereich der ersten Reihe von Öffnungen der ersten Anordnung der äußeren Flammrohrwand angeordnet sind.

[0024] Alternativ hierzu kann die zweite Anordnung von Öffnungen in der inneren Flammrohrwand auch zweireihig ausgebildet sein, wobei dann die Öffnungen der ersten Reihe mittig oder außermittig zu den Zwischenbereichen der ersten Reihe von Öffnungen der ersten Anordnung angeordnet sind und wobei die Öffnungen der zweiten Reihe mittig oder außermittig zu den Zwischenbereichen der zweiten Reihe von Öffnungen der ersten Anordnung angeordnet sind.

[0025] Besonders günstige Verbrennungsverhältnisse ergeben sich, wenn der Abstand t1 der Mittelpunkte der Öffnungen der ersten Reihe und der Abstand t2 der Mittelpunkte der Öffnungen der zweiten Reihe der ersten Anordnung in der äußeren Flammrohrwand von einer stromaufwärtigen Wand eines Flammrohrs des Hauptbrenners (Ebene Hauptbrenneraustritt) zu der Höhe h des Flammrohrs folgenden Beziehungen genügen:
t1/h = 0,4 (minimaler Abstand);
t2/h = 1,2 (maximaler Abstand).

[0026] Erfindungsgemäß können die jeweiligen Öffnungen kreisrund oder nicht-kreisrund ausgebildet sein.

[0027] Weiterhin ist es möglich, die Öffnungen entweder als einfache Löcher auszugestalten oder sie als gezogene Löcher mit einem in die Brennkammer weisenden Rand auszubilden oder mit einem rohrförmigen, in die Brennkammer weisenden Ansatz zu versehen.

[0028] Zur Verbesserung der Verbrennungsverhältnisse kann es weiterhin günstig sein, wenn die Austrittsachsen der Öffnungen der inneren Flammrohrwand so ausgerichtet sind, dass sie auf einen Bereich der Brennkammer treffen, der durch den Schnittpunkt der Hauptbrennerachse mit der Hauptbrenneraustrittsebene und des Schnittpunkts der Achse der Anordnung von Öffnungen mit der äußeren Flammrohrwand begrenzt wird.

[0029] In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Durchmesser der Öffnungen in einem Bereich von 0,12 ≤ d/h ≤ 0,3 liegt, wobei h die Flammrohrhöhe des Hauptbrenners ist und wobei der Durchmesser d entweder der Durchmesser einer kreisrunden Öffnung oder aber der hydraulische Durchmesser einer nicht-kreisförmigen Öffnung ist.

[0030] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschreiben. Dabei zeigt:

Fig. 1

eine vereinfachte, schematische AxialschnittAnsicht einer erfindungsgemäßen Brennkammer,

Fig. 2

eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Belochung der äußeren Flammrohrwand,

Fig. 3

eine Seiten-Schnittansicht, analog Fig. 1, mit Angabe der Bemessungswerte der Flammrohrhöhe und der Lage der Öffnungen der äußeren Flammrohrwand,

Fig. 4

eine Schnittansicht, ähnlich den Figuren 1 und 3, in welcher die Lagen der Öffnungen der inneren Flammrohrwand dargestellt sind,

Fig. 5

eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der inneren Flammrohrwand in Abwandlung zu der Darstellung gemäß Fig. 4,

Fig. 6

verschiedene Ausgestaltungsformen der Öffnungen in der Flammrohrwand,

Fig. 7

ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Belochung, analog der Darstellung gemäß Fig. 2,

Fig. 8

eine axiale Seitenansicht eines Teilbereichs der Ringbrennkammer mit Darstellung der Luftaustrittsströmungen, und

Fig. 9

eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der Belochung, analog der Darstellung in den Fig. 2 und 7.

[0031] Die Fig. 1 zeigt eine axiale Schnitt-Ansicht durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkammer 1. Es ist die gestufte Anordnung eines Pilotbrenners 2, der für Leerlauf, Teillast und auch Volllast zum Einsatz kommt, sowie eines Hauptbrenners 3, der insbesondere für Volllastbetrieb zum Einsatz kommt, dargestellt. Die Brennkammer 1 weist eine äußere Flammrohrwand 4 sowie eine innere Flammrohrwand 5 auf und ist, wie sich beispielsweise aus der Fig. 8 ersehen lässt, als Ringbrennkammer ausgebildet. Die Mittelachse der mehreren, am Umfang verteilten Hauptbrenner 3 ist jeweils mit dem Bezugszeichen 18 versehen. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet die Wand eines Flammrohres 15 des Hauptbrenners 3.

[0032] In Fig. 1 ist eine dem Pilotbrenner 2 zugeordnete beziehungsweise nachgeordnete Pilotzone 20 dargestellt, während das Bezugszeichen 3 eine Haupt- und Mischzone 30 bezeichnet, die dem Hauptbrenner zugeordnet ist.

[0033] Mit X ist in Fig. 1 die Blickrichtung der Belochung gemäß den Fig. 2, 7 und 9 bezeichnet. Zur Verdeutlichung sind in Fig. 1 der Austrittspunkt der Achse 18 des Hauptbrenners 3 mit A, die Durchtrittsbereiche der Öffnungen der äußeren Flammrohrwand 4 mit B und C sowie die Durchtrittsrichtung der Öffnungen der inneren Flammrohrwand 5 mit D bezeichnet.

[0034] Die Fig. 2 zeigt in der Ansicht X (Blickrichtung X gemäß Fig. 1) die Anordnung von Öffnungen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, die in der äußeren Flammrohrwand 4 ausgebildet sind. Die Fig. 2 zeigt eine erste Anordnung 6 von Öffnungen, die doppelreihig ausgebildet ist. Die Öffnungen der ersten Reihe sind mit 8, die Öffnungen der zweiten Reihe mit 9 bezeichnet. Die Öffnungen sind jeweils kreisrund. Die Öffnungen 9 der zweiten Reihe sind mittig in dem Zwischenbereich zwischen den Öffnungen 8 angeordnet. Gestrichelt sind Öffnungen 11 der inneren Flammrohrwand 5 dargestellt. Durch die Projektion erscheinen diese Öffnungen oval oder elliptisch, sie sind jedoch als runde Öffnungen ausgebildet. Die Öffnungen 11 sind in Fig. 2 sowie den weiteren Figuren zur Verdeutlichung "hinter" den Öffnungen 8 bzw. 9 dargestellt. Sie können jedoch auch "unterhalb" der Öffnungen der äußeren Flammrohrwand 4 liegen. Die äußere Flammrohrwand 4 weist somit eine zweireihige Zumischbelochung auf. Der Lochdurchmesser der Öffnungen 8 der ersten Reihe und der Öffnungen 9 der zweiten Reihe der ersten Anordnung 6 können entweder untereinander gleich oder unterschiedlich groß sein. Die Zuordnung beider Reihen ist um den Abstand a versetzt, das heißt die Lochachsen beider Reihen fluchten, stromabwärts gesehen nicht bzw. liegen nicht in einer Ebene eines Längsschnitts durch die Brennkammer. Die gegenüberliegende Belochungsreihe an der inneren Flammrohrwand ist bei dem Ausführungsbeispiel einreihig und derart gestaltet, dass die Staffelung der Lochachsen fluchtend zu den Hauptbrennerachsen 18 zu liegen kommt bzw. in einer Ebene zu den Hauptbrennerachsen liegt.

[0035] Es ist darauf hinzuweisen, dass der Begriff "fluchtend" nicht erfindungsgemäß doppelt so viele Lochachsen (oder gemeinsame Vielfache) wie Hauptbrenner angeordnet werden können. Der Lochdurchmesser der Öffnungen 11 dieser zweiten Anordnung 7 von Öffnungen in der inneren Flammrohrwand 5 kann jeweils gleich oder unterschiedlich groß sein. Die Zuordnung der Öffnungen der inneren Flammrohrwand 5 zu der äußeren Flammrohrwand 4 ist bei dem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass die Lochachsen entweder fluchtend oder versetzt zu der ersten Reihe von Öffnungen 8 oder der zweiten Reihe von Öffnungen 9 der äußeren Flammrohrwand 4 angeordnet sind.

[0036] Die Fig. 3 zeigt die Lage der ersten Anordnung 6 von Öffnungen 8 bzw. 9 der äußeren Flammrohrwand 4. Es ergibt sich somit die axiale, stromabwärtige Lage der Öffnungen. Der Wert t gibt jeweils den Abstand der Öffnungen auf der äußeren Flammrohrwand 4 zur Wand 14 des Flammrohrs 15 bzw. zur Hauptbrenneraustrittsebene 19 an. Der Abstand t ist somit der Abstand der Achsen der Ausnehmungen. Weiterhin zeigt die Fig. 3 die Flammrohrhöhe h, welche die Höhe des Flammrohres der Hauptverbrennungszone ist. Der minimale Abstand der ersten, stromaufwärtigen Anordnung 6 von Öffnungen 8 (siehe Fig. 2) beträgt mindestens t1/h = 0,4, der maximale Abstand der zweiten, stromabwärtigen Reihe von Öffnungen 9 beträgt höchstens t2/h = 1,2.

[0037] Die Fig. 4 zeigt unterschiedliche Positionen der Öffnungen 11 bis 13 der ersten und der zweiten Reihe von zweiten Anordnungen 7 der inneren Flammrohrwand 5. Als Alternative zeigt die Fig. 5 eine geänderte Ausgestaltung der inneren Flammrohrwand 5 in analoger Darstellung der "Positionen". Die Austrittsachsen der Öffnungen 11, 12, 13 der inneren Flammrohrwand 5 sind so ausgerichtet, dass sie auf einen Bereich der Brennkammer treffen, der durch den Schnittpunkt A der Hauptbrennerachse 18 mit der Hauptbrenneraustrittsebene 19 und den Schnittpunkt C der Achse der Anordnung 6 von Öffnungen 8 bis 10 der äußeren Flammrohrwand 4 begrenzt wird. Die maximale stromaufwärtige Ausrichtung ist somit durch eine auf die Eintrittsebene der Hauptbrennerachse 18 gerichtete Mittelachse der Ausnehmungen 11 bis 13 (Punkt A) begrenzt. Die maximale stromabwärtige Ausrichtung der Öffnungen 11 bis 13 der inneren Flammrohrwand 5 ist durch eine auf die Austrittsebene der zweiten stromabwärtigen Reihe von 8 bis 10 der äußeren Flammrohrwand 4 (Punkt C) begrenzt. Die Fig. 4 zeigt drei "Positionen" der Öffnungen 11 bis 13 der inneren Flammrohrwand 5 in beispielhafter Darstellung. Es versteht sich, dass die Flammrohrwand 5 zum einen unterschiedliche Konturverläufe haben kann (siehe Unterschiede der Fig. 4 und 5) sowie zusätzliche "Positionen" der Öffnungen in dem angegebenen Bereich. Die angegebenen "Positionen" der Öffnungen 11 bis 13 liegen somit allesamt im Bereich der Hauptzone des Hauptbrenners 3, während sich die Austrittsrichtungen der Öffnungen nicht in den Bereich der Pilotzone des Pilotbrenners 2 erstrecken.

[0038] In Fig. 6 sind unterschiedliche Ausgestaltungen der Öffnungen 8 bis 13 angegeben. In dem linken Ausführungsbeispiel weist die Öffnung einen rohrförmigen Ansatz 17 auf, der sich in die Brennkammer erstreckt, die Öffnung ist somit "chuted". In der mittleren Ausgestaltungsform der Fig. 6 ist ein einfaches, kreisrundes Loch ausgebildet (plain). Demgegenüber weist die rechte Ausgestaltungsvariante der Fig. 6 eine gezogenen Ausführung (plunged) auf, mit einem sich in Richtung der Brennkammer erstreckenden Rand 16. Es versteht sich, dass die Öffnungen kreisrund oder nicht-kreisförmig sein können. Die Größe der Öffnungen ist für sämtliche in der Erfindung beschriebenen Öffnungen durch einen Bereich von 0,12 ≤ d/h ≤ 0,3 begrenzt. d entspricht hierbei dem Durchmesser einer kreisförmigen Öffnung oder aber dem hydraulischen Durchmesser einer nicht-kreisförmigen Öffnung. h ist die Flammrohrhöhe des Hauptbrenners (siehe Fig. 3).

[0039] Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform, bei welcher in der äußeren Flammrohrwand nur eine Reihe von Öffnungen 10 ausgebildet ist, während die innere Flammrohrwand eine zweite, einreihige Anordnung von Öffnungen 11 umfasst. Die Öffnungen sind kreisrund ausgebildet, erscheinen in der gestrichelten Darstellung der Fig. 7 jedoch als Ellipsen, bedingt durch die Blickrichtung der "Ansicht X". In der äußeren Flammrohrwand 4 ist somit eine einreihige Zumischbelochung ausgebildet, wobei der Durchmesser der Öffnungen 10 innerhalb der Reihe gleich oder unterschiedlich groß sein kann. Die zweite Anordnung 7 von Öffnungen 11 der inneren Flammrohrwand 5 ist einreihig ausgebildet und so angeordnet, dass die Lochachsen jeweils versetzt gestaffelt zu den Lochachsen der Öffnungen 10 der äußeren Flammrohrwand 4 liegen. Dies bedeutet, dass die Achsen der Öffnungen 11 der inneren Flammrohrwand 5 und die Achsen der Öffnungen 10 der äußeren Flammrohrwand 4 miteinander "kämmen". Die Durchmesser der Öffnungen 11 der inneren Flammrohrwand 5 können gleich oder unterschiedlich groß sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es unerheblich, ob alle oder bestimmte Lochachsen der Öffnungen 11 der inneren Flammrohrwand 5 oder der Öffnungen 10 der äußeren Flammrohrwand 4 in Ebenen der Hauptbrenner 3 liegen oder nicht.

[0040] Die Fig. 8 zeigt eine axiale Teil-Schnittansicht der erfindungsgemäßen Brennkammer. Zur Verdeutlichung der Richtung der Luftströmungen, die durch die äußere Flammrohrwand 4 bzw. durch die innere Flammrohrwand 5 eintreten, sind jeweils Dreifach-Pfeile eingezeichnet, das Bezugszeichen 22 zeigt die Luftströmungen durch die äußere Flammrohrwand, während das Bezugszeichen 21 Luftströmungen von der inneren Flammrohrwand 5 darstellt. Hieraus ergibt sich, dass die einzelnen Mischluftstrahlen miteinander kämmen.

[0041] In Fig. 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung der Öffnungen gezeigt. Die Anordnung ist analog der Darstellung gemäß Fig. 7, wobei die erste Anordnung 6 von Öffnungen der äußeren Flammrohrwand 4 ebenso doppelreihig ausgebildet ist, wie die zweite Anordnung 7 von Öffnungen der inneren Flammrohrwand 5. Auch hier wiederum sind die Öffnungen 13 der zweiten Reihe sowie die Öffnungen 12 der ersten Reihe der zweiten Anordnung 7 von Öffnungen der inneren Flammrohrwand 5 elliptisch dargestellt, da Fig. 9 eine Ansicht in Blickrichtung X zeigt. Es ergeben sich somit gegenüberliegende Reihen von Öffnungen, die hinsichtlich ihrer Anordnung miteinander kämmen.

[0042] Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ergeben sich im Rahmen der Erfindung, wie in den Ansprüchen engegeben, vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen:

[0043] Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer mit zumindest einem Pilotbrenner 2 und zumindest einem Hauptbrenner 3, welche zueinander axial und radial versetzt angeordnet sind, wobei die Brennkammer 1 eine äußere 4 und eine innere 5 Flammrohrwand umfasst, in welchen jeweils Öffnungen zur Zuleitung von Luft ausgebildet sind, wobei der Hauptbrenner 3 an die äußere Flammrohrwand 4 und der Pilotbrenner 2 angrenzend an die innere Flammrohrwand 5 angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Flammrohrwand 4 mit einer ersten Anordnung 6 von Öffnungen versehen ist und dass in der inneren Flammrohrwand 5 eine zweite Anordnung 7 von Öffnungen ausgebildet ist, welche hinter der ersten Anordnung 6 angeordnet ist. (Fig. 1).

Bezugszeichenliste

[0044] 

1

Brennkammer

2

Pilotbrenner

3

Hauptbrenner

4

äußere Flammrohrwand

5

innere Flammrohrwand

6

erste Anordnung von Öffnungen in äußerer Flammrohrwand 4

7

zweite Anordnung von Öffnungen in innerer Flammrohrwand 5

8

Öffnungen der ersten Reihe der ersten Anordnung 6

9

Öffnungen der zweiten Reihe der ersten Anordnung 6

10

Öffnungen der ersten Anordnung 6

11

Öffnungen der zweiten Anordnung 7

12

Öffnungen der erste Reihe der zweiten Anordnung 7

13

Öffnungen der zweiten Reihe der zweiten Anordnung 7

14

Wand des Flammrohrs 15 des Hauptbrenners 3

15

Flammrohr des Hauptbrenners 3

16

Rand

17

rohrförmiger Ansatz

18

Achse des Hauptbrenners 3

19

Hauptbrenneraustrittsebene

20

Pilotzone

21

Luftstrahl von innen

22

Luftstrahl von außen

30

Haupt- und Mischzone

A

Schnittpunkt der Hauptbrennerachse mit Wand 14

B

Schnittpunkt der Lochachse der ersten Reihe der ersten Anordnung 8 mit der Innenwandseite der äußeren Flammrohrwand 15

c

Schnittpunkt der Lochachse der zweiten Reihe der ersten Anordnung 9 mit der Innenwandseite der äußeren Flammrohrwand 15

D

Schnittpunkt der Lochachse der ersten Reihe der zweiten Anordnung 7 mit der Innenwandseite der inneren Flammrohrwand 15

X

Ansicht auf Außenwand der äußeren Flammrohres

Ansprüche

1. Gasturbinenbrennkammer mit zumindest einer einem Pilotbrenner (2) zugeordneten separaten Pilotzone (20) und zumindest einer einem Hauptbrenner (3) zugeordneten gemeinsamen Haupt- und Mischzone (30), welche zueinander axial und radial versetzt angeordnet sind, wobei die gemeinsame Haupt- und Mischzone (30) eine äußere (4) und eine innere (5) Flammrohrwand umfasst, in welchen jeweils Öffnungen zur Zuleitung von Luft ausgebildet sind, wobei der Hauptbrenner (3) an die äußere Flammrohrwand (4) und der Pilotbrenner (2) angrenzend an die innere Flammrohrwand (5) angeordnet sind, wobei die äußere Flammrohrwand (4) mit einer ersten Anordnung (6) von einreihigen Öffnungen der gemeinsamen Haupt- und Mischzone (30) versehen ist und dass in der inneren Flammrohrwand (5) eine zweite Anordnung (7) von einreihigen Öffnungen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (11) mittig oder außermittig zu dem Zwischenbereich der ersten Reihe von Öffnungen (8) der ersten Anordnung (6) der äußeren Flammrohrwand (4) angeordnet sind, dass der Abstand t1 der Mittelpunkte der Öffnungen (8) der ersten Reihe und der Abstand t2 der Mittelpunkte der Öffnungen (9) der zweiten Reihe der ersten Anordnung (6) in der äußeren Flammrohrwand (4) von einer stromaufwärtigen Wand (14) eines Flammrohres (15) des Hauptbrenners (3) (Ebene Hauptbrenneraustritt) zu der Höhe h des Flammrohres (15) folgenden Beziehungen genügen:
t1/h = 0,4 (minimaler Abstand)
t2/h = 1,2 (maximaler Abstand), und
dass die Austrittsachse der Öffnungen (11, 12, 13) der inneren Flammrohrwand (5) so ausgebildet ist, dass sie auf einen Bereich der Brennkammer treffen, der durch den Schnittpunkt (A) der Hauptbrennerachse (18) mit der Hauptbrenneraustrittsebene (19) und den Schnittpunkt (C) der Achse der Anordnung (6) von Öffnungen (8, 9, 10) mit der äußeren Flammrohrwand (4) begrenzt wird.

2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anordnung (6) von Öffnungen doppelreihig ausgebildet ist, wobei die Öffnungen (9) der zweiten Reihe mittig oder außermittig und nach hinten zu dem Zwischenbereich der Öffnungen (8) der ersten Reihe angeordnet sind.

3. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Anordnung (7) von Öffnungen der inneren Flammrohrwand (5) zweireihig ausgebildet ist, wobei die Öffnungen (12) der ersten Reihe mittig oder außermittig zu den Zwischenbereichen der ersten Reihe von Öffnungen (8) der ersten Anordnung (6) angeordnet sind und wobei die Öffnungen (13) der zweiten Reihe mittig oder außermittig zu den Zwischenbereichen der ersten Reihe von Öffnungen (9) der ersten Anordnung (6) angeordnet sind.

4. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (8 bis 13) kreisrund ausgebildet sind.

5. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (8 bis 13) nicht-kreisrund ausgebildet sind.

6. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (8 bis 13) als einfache Löcher ausgebildet sind.

7. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (8 bis 13) als gezogene Löcher mit einem geringen, in die Brennkammer (1) weisenden Rand (16) ausgebildet sind.

8. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (8 bis 13) einen rohrförmigen, in die Brennkammer (1) weisenden Ansatz (17) aufweisen.

9. Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser d der Öffnungen (8 bis 10; 11 bis 13) in einem Bereich von 0,12 ≤ d/h ≤ 0,3 liegt, wobei h die Flammrohrhöhe des Hauptbrenners ist.

Claims

1. Gas-turbine combustion chamber with at least one separate pilot zone (20) associated with a pilot burner (2) and with at least one common main and dilution zone (30) associated with a main burner (3), which are axially and radially offset relative to each other, said common main and dilution zone (30) comprising an outer flame-tube wall (4) and an inner flame-tube wall (5) each provided with ports for the introduction of air, with said main burner (3) being located at the outer flame-tube wall (4) and with said pilot burner (2) being located at the inner flame-tube wall (5), with the outer flame-tube wall (4) being provided with a first arrangement (6) of single-row ports of the common main and dilution zone (30), and with the inner flame-tube wall (5) being provided with a second arrangement (7) of single-row ports, characterized in that the ports (11) are located either on-center or off-center to the interspace of the first row of ports (8) of the first arrangement (6) of the outer flame-tube wall (4), in that the following relationships are satisfied by the distance t1 of the centres of the ports (8) of the first row and by the distance t2 of the centres of the ports (9) of the second row of the first arrangement (6) in the outer flame-tube wall (4) from an upstream wall (14) of a flame tube (15) of the main burner (3) (main burner exit plain) to the height h of the flame tube (15):
t1/h = 0.4 (minimum distance)
t2/h = 1.2 (maximum distance), and
in that the exit axis of the ports (11, 12, 13) of the inner flame-tube wall (5) is directed such that they meet with an area of the combustion chamber, which is limited by the intersection (A) of the main burner axis (18) with the main burner exit plane (19) and by the intersection (C) of the axis of the arrangement (6) of ports (8, 9, 10) with the outer flame-tube wall (4).

2. Gas turbine combustion chamber in accordance with Claim 1, characterized in that the first arrangement (6) of ports is provided as double row, with the ports (9) of the second row being located either on-center or off-center and rearwards of the interspace of the ports (8) of the first row.

3. Gas-turbine combustion chamber in accordance with one of the Claims 1 to 2, characterized in that the second arrangement (7) of ports of the inner flame-tube wall (5) is provided as double row, with the ports (12) of the first row being located either on-center or off-centre to the interspaces of the first row of ports (8) of the first arrangement (6) and with the ports (13) of the second row being located on-centre or off-centre to the interspaces of the first row of ports (9) of the first arrangement (6).

4. Gas-turbine combustion chamber in accordance with one of the Claims 1 to 3, characterized in that the ports (8 to 13) are circular.

5. Gas-turbine combustion chamber in accordance with one of the Claims 1 to 4, characterized in that the ports (8 to 13) are non-circular

6. Gas-turbine combustion chamber in accordance with one of the Claims 1 to 5, characterized in that the ports (8 to 13) are plain holes.

7. Gas-turbine combustion chamber in accordance with one of the Claims 1 to 6, characterized in that the ports (8 to 13) are plunged holes with a small rim (16) extending into the combustion chamber (1).

8. Gas-turbine combustion chamber in accordance with one of the Claims 1 to 7, characterized in that the ports (8 to 13) are provided with a tubular chute (17) extending into the combustion chamber (1).

9. Gas-turbine combustion chamber in accordance with one of the Claims 1 to 8, characterized in that the diameter d of the ports (8 to 10; 11 to 13) lies in a range of 0.12 ≤ d/h ≤ 0.3, where h is the flame-tube height of the main burner.

Revendications

1. Chambre de combustion de turbine à gaz avec au moins une zone pilote (20) distincte, associée à un brûleur pilote (2), et au moins une zone principale et de mixtion (30) commune, associée à un brûleur principal (3), qui sont décalées l'une par rapport à l'autre dans les sens axial et radial, sachant que la zone principale et de mixtion (30) commune comprend une paroi extérieure (4) de tube à flamme et une paroi intérieure (5) de tube à flamme dans lesquelles sont pratiqués des orifices destinés à amener de l'air, que le brûleur principal (3) est adjacent à la paroi extérieure (4) du tube à flamme et que le brûleur pilote (2) est adjacent à la paroi intérieure (5) du tube à flamme, que la paroi extérieure (4) du tube à flamme est munie d'un premier arrangement (6) d'orifices sur une rangée de la zone principale et de mixtion (30) commune et qu'un second arrangement (7) d'orifices est formé sur une rangée dans la paroi intérieure (5) du tube à flamme, caractérisée en ce que les orifices (11) sont disposés de façon centrée ou excentrée par rapport à la zone intermédiaire de la première rangée d'orifices (8) du premier arrangement (6) de la paroi extérieure (4) du tube à flamme, que la distance t1 des centres des orifices (8) de la première rangée et la distance t2 des centres des orifices (9) de la second rangée du premier arrangement (6) dans la paroi extérieure (4) de tube à flamme par rapport à une paroi amont (14) d'un tube à flamme (15) du brûleur principal (3) (plan de sortie du brûleur principal) et la hauteur h du tube à flamme (15) satisfont aux relations suivantes:
t1/h = 0,4 (distance mini.)
t2/h =1,2 (distance maxi.), et
que les axes de sortie des orifices (11, 12, 13) de la paroi intérieure (5) de tube à flamme sont orientés de sorte, qu'ils passent par une zone de la chambre de combustion limitée par le point d'intersection (A) de l'axe du brûleur principal (18) avec le plan de sortie du brûleur principal (19), et par le point d'intersection (C) de l'axe de l'arrangement (6) d'orifices (8, 9, 10) avec la paroi extérieure (4) de tube à flamme.

2. Chambre de combustion de turbine à gaz selon la revendication nº 1, caractérisée en ce que le premier arrangement (6) d'orifices est formé sur deux rangées, sachant que les orifices (9) de la deuxième rangée sont disposés de façon centrée ou excentrée et vers l'arrière par rapport à la zone intermédiaire des orifices (8) de la première rangée.

3. Chambre de combustion de turbine à gaz selon une des revendications nº 1 ou 2, caractérisée en ce que le second arrangement (7) d'orifices de la paroi intérieure (5) de tube à flamme est formé sur deux rangées, que les orifices (12) de la première rangée sont disposés de façon centrée ou excentrée par rapport aux zones intermédiaires de la première rangée d'orifices (8) du premier arrangement (6) et que les orifices (13) de la deuxième rangée sont disposés de façon centrée ou excentrée par rapport aux zones intermédiaires de la première rangée d'orifices (9) du premier arrangement (6).

4. Chambre de combustion de turbine à gaz selon une des revendications nº 1 à 3, caractérisée en ce que les orifices (8 à 13) sont circulaires.

5. Chambre de combustion de turbine à gaz selon une des revendications nº 1 à 4, caractérisée en ce que les orifices (8 à 13) sont non circulaires.

6. Chambre de combustion de turbine à gaz selon une des revendications nº 1 à 5, caractérisée en ce que les orifices (8 à 13) sont des ouvertures simples.

7. Chambre de combustion de turbine à gaz selon une des revendications nº 1 à 6, caractérisée en ce que les orifices (8 à 13) sont des ouvertures étirées avec un petit bord (16) s'étendant en direction de la chambre de combustion (1).

8. Chambre de combustion de turbine à gaz selon une des revendications nº 1 à 7, caractérisée en ce que les orifices (8 à 13) sont pourvus d'un appendice tubulaire (17) qui s'étend dans la chambre de combustion (1).

9. Chambre de combustion de turbine à gaz selon une des revendications nº 1 à 8, caractérisée en ce que le diamètre d des orifices (8 à 10, 11 à 13) se situe dans une plage de 0,12 ≤ d/h ≤ 0,3, h étant la hauteur du tube à flamme du brûleur principal.

Zeichnung