BRENNERANORDNUNG FÜR DIE RINGFÖRMIGE BRENNKAMMER EINER GASTURBINE

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] 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.

[0002] Eine solche Brenneranordnung ist z.B. aus der Druckschrift EP-A1-0 597 138 bekannt.

STAND DER TECHNIK

[0003] 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. F. Joos et al. "Development of the sequential combustion system for the GT24/GT26 gas turbine family", ABB review 4, 1998, S. 4-16 (1998)). Die Brenner sind bei diesen Gasturbinen/Brennkammern durch entsprechende Zugangsöffnungen in dem äusseren Turbinengehäuse herausziehbar.

[0004] 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 EP-A1-0 597 138 gezeigt ist. In der dort dargestellten Form (mit parallel orientierten Brennerpaaren) kann eine solche zweireihige Anordnung nur realisiert werden, weil die Brenner nicht nach aussen, sondern in die Brennkammer hinein herausziehbar sind. Die Brennkammer muss dazu gross genug sein und durch eine spezielles Mannloch von aussen zugänglich sein (siehe die Fig. 2 der EP-A1-0 597138 und die zugehörige Beschreibung). Die Öffnungen für die Brennstoffzuleitungen im Turbinengehäuse können in diesem Fall klein ausgebildet werden.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] US-A-5,829,967 offenbart eine Brennkammer mit zweistufiger Verbrennung. Sie weist einen Primärbrenner der Vormischbauart auf, bei denen innerhalb eines Vormischraumes der Ober Düsen eingespritzte Brennstoff vorgängig der Zündung mit der Brennluft intensiv vermischt wird. Die Primärbrenner sind flammenstabilisierend ausgebildet, d.h. ohne mechanischen Flammenhalter. Sie sind mit tangentialer Einströmung der Brennluft in den Vormischraum versehen. Stromabwärts einer Vorbrennkammer sind Sekundärbrenner angeordnet, die als nicht selbstgängige Vormischbrenner ausgebildet sind. Auch die US-A-3,724,207 offenbart eine Brennkammer.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] Bevorzugt ist dabei eine "symmetrische" Brenneranordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die beiden Brenner eines Brennerpaares auf beiden Seiten der

[0012] 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.

[0013] Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUR

[0014] 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.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0015] 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 EP-A1-0 597138 dargestellt ist. Der Kopfraum 27 ist nach aussen (zum Plenum 12) durch ein Brennkammergehäuse 18 abgeschlossen. In dem Brennkammergehäuse 18 sind für die Brenner 14, 15 entsprechende Öffnungen vorgesehen, durch welche die Brenner 14, 15 nach aussen herausziehbar sind. An den Brennern 14,15 selbst sind Flansche 19, 20 angeordnet, mit welchen die Brenner 14,15 am Brenngehäuse 18 festgeschraubt sind, und welche gleichzeitig die Öffnungen verschliessen. Im weiter aussen liegenden äusseren Turbinengehäuse 13 sind ebenfalls Öffnungen 21, 22 vorgesehen, durch welche die Brenner 14,15 direkt und ganz nach aussen gezogen werden können.

[0016] 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°.

[0017] 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.

[0018] Insgesamt ergeben sich mit der Erfindung die folgenden Effekte und Vorteile:

• Zwischen den Brennerreihen ist ausreichend Platz vorhanden, um die zugehörigen Flansche mit den Gehäusen bzw. Trägern zu verschrauben.
• Die geneigte Anordnung der Brenner <14,15> führt zu einem grösseren Abstand der Zugangsöffnungen im äusseren Turbinengehäuse. Hierdurch wird die Konzentration mechanischer Spannungen im Bereich der Öffnungsverteilung abgebaut.
• Im Vormischbetrieb wird die Mischung zwischen der unteren (inneren) und oberen (äusseren) Brennerreihe intensiviert.
• Der Abstand zwischen den Flammen und den inneren und äusseren Auskleidungssegmenten wird vergrössert. Dadurch wird die lokale thermische Belastung der Segmente verringert.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0019] 

10

Gasturbine

11

Brennkammer

12

Plenum

13

(äusseres) Turbinengehäuse

14,15

Brenner (Doppelkegelbrenner)

16

Primäbrennzone der Brennkammer 11

17

Brennerachse

18

Brennkammergehäuse

19,20

Flansch

21,22

Öffnung

23,24,26

Zwischenbereich

25

Mittelachse (Brennkammerquerschnitt)

27

Kopfraum

28

Flamme

29

Auskleidungssegment (innen)

30

Auskleidungssegment (aussen)

α

Winkel

Ansprüche

1. Brenneranordnung für die ringförmige Brennkammer (11) einer Gasturbine (10), bei welcher Brenneranordnung eine Mehrzahl von Brennern (14, 15) in einer Brennkammerwand auf konzentrischen Ringen jeweils paarweise in radialer Richtung übereinander liegend angeordnet sind, wobei durch die Brenner (14, 15) eine Primärbrennzone (16) der Brennkammer (11) befeuerbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Brenner (14, 15) eines Brennerpaares von der Parallelstellung abweichend derart ausgerichtet sind, dass ihre Brennerachsen (17) in Strömungsrichtung aufeinander zu laufen.

2. Brenneranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Brenner (14, 15) eines Brennerpaares auf beiden Seiten der Mittelachse (25) des Brennkammerquerschnitts angeordnet sind, und dass die Brennerachsen (17) der beiden Brenner (14, 15) mit der Mittelachse (25) jeweils einen Winkel (α) einschliessen, der grösser als 0° und kleiner als 90° ist.

3. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brenner (14, 15) in einem Kopfraum (27) der Brennkammer (11) angeordnet sind, welcher von einem Brennkammergehäuse (18) umschlossen ist, und dass in dem Brennkammergehäuse (18) Öffnungen vorgesehen sind, durch welche die Brenner (14, 15) nach aussen herausnehmbar sind, und welche bei eingesetzten Brennern durch an den Brennem (14, 15) angebrachte Flansche (19, 20) verschlossen sind.

4. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennkammer (11) innerhalb eines äusseren Turbinengehäuses (13) angeordnet ist, und dass in dem äusseren Turbinengehäuse (13) Öffnungen (21, 22) vorgesehen sind, durch welche die Brenner (14,15) aus dem Turbinengehäuse (13) herausnehmbar sind.

Claims

1. Burner arrangement for the annular combustion chamber (11) of a gas turbine (10), in which burner arrangement a plurality of burners (14, 15) are arranged above one another in a combustion chamber wall, in each case in pairs in the radial direction on concentric rings, it being possible for a primary combustion zone (16) of the combustion chamber (11) to be fired by the burners (14, 15), characterized in that the two burners (14, 15) in a pair of burners are oriented out of the parallel position, in such a manner that their burner axes (17) converge in the direction of flow.

2. Burner arrangement according to Claim 1, characterized in that the two burners (14, 15) belonging to a pair of burners are arranged on both sides of the center axis (25) of the combustion chamber cross section, and in that the burner axes (17) of the two burners (14, 15) each include an angle (α) of greater than 0° and less than 90° with the center axis (25).

3. Burner arrangement according to either of Claims 1 and 2, characterized in that the burners (14, 15) are arranged in a head space (27) of the combustion chamber (11), which is surrounded by a combustion-chamber casing (18), and in that there are openings in the combustion-chamber casing (18), through which the burners (14, 15) can be removed outward and which are closed by flanges (19, 20) arranged on the burners (14, 15) when the burners are fitted.

4. Burner arrangement according to either of Claims 1 and 2, characterized in that the combustion chamber (11) is arranged inside an outer turbine casing (13), and in that in the outer turbine casing (13) there are openings (21, 22) through which the burners (14, 15) can be removed from the turbine casing (13).

Revendications

1. Ensemble de brûleurs pour la chambre de combustion annulaire (11) d'une turbine à gaz (10), dans lequel ensemble de brûleurs, une pluralité de brûleurs (14, 15) sont disposés dans une paroi de chambre de combustion sur des anneaux concentriques à chaque fois par paire les uns au-dessus des autres dans la direction radiale, une zone de combustion primaire (16) de la chambre de combustion (11) pouvant être allumée par les brûleurs (14, 15),
caractérisé en ce que
les deux brûleurs (14, 15) d'une paire de brûleurs sont orientés en s'écartant de la position parallèle de telle sorte que leurs axes de brûleurs (17) convergent l'un vers l'autre dans la direction d'écoulement.

2. Ensemble de brûleurs selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
les deux brûleurs (14, 15) d'une paire de brûleurs sont disposés de part et d'autre de l'axe médian (25) de la section transversale de la chambre de combustion, et en ce que les axes de brûleurs (17) des deux brûleurs (14, 15) forment avec l'axe médian (25) à chaque fois un angle (α) qui est supérieur à 0° et inférieur à 90°.

3. Ensemble de brûleurs selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce que
les brûleurs (14, 15) sont disposés dans un espace de tête (27) de la chambre de combustion (11) qui est entouré par un carter (18) de la chambre de combustion, et en ce que des ouvertures sont prévues dans le carter (18) de la chambre de combustion, à travers lesquelles les brûleurs (14, 15) peuvent être ressortis vers l'extérieur, et qui sont fermées par des brides (19, 20) montées sur les brûleurs (14, 15) lorsque les brûleurs sont insérés.

4. Ensemble de brûleurs selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce que
la chambre de combustion (11) est disposée à l'intérieur d'un carter de turbine extérieur (13), et en ce que des ouvertures (21, 22) sont prévues à l'intérieur du carter de turbine extérieur (13), à travers lesquelles les brûleurs (14, 15) peuvent être ressortis hors du carter de turbine (13).

Zeichnung