CH359323A

CH359323A - Brennkammer für hohe Wärmebelastung, insbesondere für Verbrennung heizwertarmer, gasförmiger Brennstoffe in Gasturbineanlagen

Info

Publication number: CH359323A
Authority: CH
Inventors: Schoerner Christian
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1957-10-12
Filing date: 1958-05-22
Publication date: 1961-12-31

Description

<Desc/Clms Page number 1>
Brennkammer für hohe Wärmebelastung, insbesondere für Verbrennung heizwertarmer, gasförmiger Brennstoffe in Gasturbinenanlagen Es ist bekannt, dass man auch bei der Verbrennung in Brennkammern Gas und Luft nur bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten mischen und abbrennen kann, wenn eine stabile Brennzone bzw. Flamme entstehen soll.

Dies gilt vor allem für gasförmige Brennstoffe mit mässiger Zündgeschwindig- keit. Ferner ist die Unterbringung ausreichender Ausströmquerschnitte an der Stirnseite einer Brennkammer namentlich dann schwierig, wenn der Heizwert des Brenngases niedrig ist, und daher relativ grosse Brenngasmengen zur Erzielung der geforderten Heizleistung zugeführt werden müssen.

Die Zuordnung von möglichst wenig Primärluft, gegebenenfalls unter dem theoretischen Minimum, sichert zwar eine stabile Brennzone selbst bei wechselnder Belastung, erfordert aber eine sehr genaue räumliche Zuteilung dieser geringen Primärluftmengen an die aufgeteilten Brenngasstrahlen. Für den Betrieb in Gasturbinenanlagen ist schliesslich noch der Gesamtdruckverlust der Brennkammer bedeutungsvoll, weshalb zur Erreichung einer günstigen Verteilung von Brennluft und -gas sowie zur Führung der während der Verbrennung und späteren Temperaturabsenkung mittels Sekundär- und Mischluft beteiligten Gasmassen innerhalb der Brennkam- mer ein Strömungszustand angestrebt wird,

der bei wenig Eigenwiderstand ein ausgeglichenes Temperaturfeld im Treibgas am Ausgang der Brennkammer ergibt.

Man hat daher schon Brennkammern vorgeschlagen, in denen die Verweilzeit zur Mischung der Verbrennungspartner bzw. der zusätzlichen Mischluft durch eine Drallbewegung dieser Gasmassen verlängert wird. Bei einem bekannten Gasbrenner z. B. sind in einem Kreisring abwechselnd Gas- und Luftkammern bzw. -düsen angeordnet, aus denen Gas und Luft in Umfangsrichtung der Brennkammer und schräg zu ihrer Achse ausströmen. Die Düsen münden hier etwa tangential in den Brennraum, und es sind keinerlei besondere Ablenk- oder Prallflä- chen vorgesehen.

Die Abmessungen des Verbrennungsraumes und die Schräglage der Düsen sind derart gewählt, dass der Brennraum vom Gasstrom vollkommen ausgefüllt wird, so dass die Gasdüsen auf die Luftdüsen und umgekehrt, die Luftdüsen auf die Gasdüsen, Saugwirkungen ausüben. Hierdurch soll der Rückschlag von Gas in die Luftdüsen bzw. von Luft in die Gasdüsen vermieden werden.

Die Mischung des Gases mit der Luft kann also erst im Brennraum selbst stattfinden. In Anwendung dieses bekannten Gasbrenners bei einer Gasturbinenbrenn- kammer hat diese Anordnung nicht nur den Nachteil der grösseren Baulänge, sondern es besteht vornehmlich bei Verbrennung von Gasen mit mässiger Zündgeschwindigkeit die Gefahr des Abreissens der Flamme bei höherer Durchsatzleistung.

Ausserdem ist es bekannt, dass man mittels sogenannter Ablenk- oder Prallflächen die Mischung von Gasen intensivieren und die Flamme stabilisieren kann.

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Brennkammer für hohe Wärmebelastung, bei der der Brenner aus in einem Kreisring abwechselnd angeordneten Gas- und Luftkammern besteht, aus denen die Verbrennungspartner in Umfangsrichtung der Brennkammer und schräg zu ihrer Achse ausströmen. Erfindungsgemäss werden die Austrittsöffnungen der Luft- und Gaskammern paarweise zusammengefasst und vor jedem Paar dieser Öffnungen eine Ablenk- fläche angeordnet, welche die austretenden Luft- und Gasströme gemeinsam in die angestrebte Richtung umlenkt.

Eine besonders günstige Verteilung

von Brenngas und Luft kann man erreichen, wenn die Ablenkflächen derart schräg zur Brennkammer- achse angeordnet sind, dass sie auf Erzeugenden eines Rotationshyperboloids oder eines Kegels liegen. Ferner kann man das Flammenbild noch dadurch verändern, dass die Ablenkflächen gewellt oder gezahnt werden.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten einer Brenn- kammer nach der Erfindung sollen an Hand des im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels erläutert werden. Die hierzu gehörigen Zeichnungen zeigen in: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Gasbrenn- kammer mit einer zentral angeordneten Hilfs- oder Nebenbrennkammer zur Verbrennung flüssigen Brennstoffs, Fig. 2 einen Schnitt längs Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 den Gasbrenner mit aufgeschnittenem Gaszuführungskanal in perspektivischer Darstellung.

In dem Brennkammergehäuse, bestehend aus dem zylindrischen Mantel 1, dem oberen Boden 2 und dem unteren Boden 3 mit Auslassstutzen 4, sind die mit mehreren Reihen von Bohrungen 5 für die Zuführung von Sekundär- und Mischluft versehene Brennmuffel 6, der Gasbrenner 7 sowie eine Neben- brennkammer 8 für Ölverbrennung zentrisch angeordnet. Zwischen dem Gehäuse und der Brennmuf- fel 6 ist ein Zwischenraum 9 belassen, in dem sich die durch den Stutzen 10 eingeführte Luft auf die verschiedenen Öffnungen entlang den .eingezeichneten Pfeilen verteilen kann, und der zugleich zur Verminderung von Wärmeverlusten beiträgt.

Der Gasbrenner 7 besteht aus im Kreisring abwechselnd angeordneten Gaskammern 11 und Luftkammern 12. Diese Kammern werden begrenzt (siehe Fig. 2) von etwa radial liegenden Blechwänden 13, kegeligen Wänden 14, einer Ringwand 15 und einer Diagonalwand 16. Die Primärluft für Gasverbrennung gelangt aus dem Ringraum 17 durch die Öffnungen 18 der Ringwand 15 in die Luftkammern 12. Das Brenngas wird in einem die Kammern 11, 12 umschliessenden Verteilkanal 19, dem es durch den Einlassstutzen 20 zugeführt wird, auf die Gaskammern 11 verteilt, weshalb diese in radial auswärtiger Richtung offen, die Luftkammern 12 hingegen mit etwa dreieckigen Wandteilen 21 (Fig. 3) abgedeckt sind.

Die schlitzartigen Austrittsöffnungen 22 bzw. 23 der Gas- und Luftkammern 11 bzw. 12 liegen dicht nebeneinander, da sie nur von der diagonalen Wand 16 getrennt sind. Im Vergleich zu bekannten Gasbrennern sind sie also paarweise zusammengefasst, und vor jedem Paar solcher Öffnungen 22, 23 ist eine Ablenkfläche 24 angebracht, welche die austretenden Luft und Gasströme gemeinsam in die angestrebte Umfangsrichtung umlenkt.

Über die entweder konische oder hyperbolische Mantelfläche des Brenners 7 gleichmässig verteilt treten also mehrere Luft-Gas-Gemischbänder oder -strahlen in Umfangsrichtung und schräg zur Kammerachse in den Brennraum ein, so dass sich das Strömungsbild einer ziemlich geordneten schrauben- linienförmigen DraZströmung ergibt. Sie werden von den heissen Feuergasen gezündet, und auf dem weiteren Weg zur Ausgangsöffnung des Stutzens 4 wird durch Mischung mit der durch die Öffnungen 5 einströmenden Sekundär- und Mischluft die voll- ständige Verbrennung der brennbaren Bestandteile des Gemisches sowie die Absenkung der Temperatur auf die für den Betrieb der Gasturbine gewünschte Höhe erzielt.

Die Austrittsöffnungen der Gas- und Luftkammern sind zweckmässig so angeordnet, dass die Austrittsöffnungen 22 der Gaskammern 11 im Strömungsschatten der durch die Öffnungen 23 ausströmenden Primärluft liegen (Rücksprung y in Abb. 2). Die zwischen diesen beiden Öffnungen bestehende Druckdifferenz bestimmt dann die Zuteilung von Brenngas an den Primärluftstrom. Die Öffnungen 22 und 23 können als schmale Schlitze, gegebenenfalls unterbrochen von kurzen Stegen, oder von einer Reihe dicht beieinanderliegender Bohrungen gebildet sein. Ferner kann das Flammenbild dadurch ver- ändert werden, dass man die Breite t der Öffnungen 23 und/oder die Breite d der Öffnungen 22 auch längs der Schlitze verschieden gross bemisst.

Wegen der hohen thermischen Beanspruchung der Ablenkfläche 24 empfiehlt es sich, diese aus einem hitzebeständigen Werkstoff herzustellen und auswechselbar anzuordnen. Zwecks Regelung der Brennkammer können mindestens einige Gaskammern 11 auch abschaltbar sein, z. B. mittels Klappen, Schiebern und dergleichen.

Der mittlere freie Raum des kreisringförmigen Gasbrenners 7 eignet sich vorzüglich für die an sich bekannte Unterbringung einer Hilfsbrennkammer für Öl, die mit 8 bezeichnet ist. Die zentral angeordnete Öldüse 25, umgeben von Drallschaufeln 26, befindet sich am oberen Ende der Hilfskammer 8, deren Muffel 27 mit den Öffnungen 28 den Luftraum 17 radial einwärts begrenzt. Der Drehschieber 29 dient zur Regelung der Primärluftmenge für die Ölverbrennung.

Die Luftöffnungen der Hilfsbrennkammer 8 können nun bei reinem Gasbetrieb auch für die Zufuhr von Sekundär- und Mischluft verwendet werden. Um für diesen Fall eine gute Durchmi- schung des aus der Hilfskammer 8 einströmenden kalten Luftanteils mit den heissen Brenngasen zu erhalten, empfiehlt es sich, den Drallströmungen in den verschiedenen Zuteilzonen verschiedene Steigungen und/oder Richtungen zu geben. Umgekehrt können auch bei reinem Ölbetrieb die Luftkammern 12 des Gasbrenners für die Zweitluftzuführung verwendet werden. Für diese Betriebsweise können ferner auch die Gaskammern 11 für die Zuführung von Verbrennungsluft benützt werden, um z. B. kurzzeitig Überlast decken zu können.

Zu diesem Zweck ist nur vor den Gaseinlassstutzen 20 ein Dreiwegehahn 30 zu schalten, das einerseits die Gasleitung

31 und anderseits die Luftleitung 32 mit dem Einlassstutzen 30 verbindet.

Claims

PATENTANSPRUCH Brennkammer für hohe Wärmebelastung, insbesondere für die Verbrennung heizwertarmer Gase in Gasturbinenanlagen, bei der der Brenner aus in einem Kreisring abwechselnd angeordneten Gas- und Luftkammern besteht, aus denen die Verbrennungspartner in Umfangsrichtung der Brennkam- mer und schräg zu ihrer Achse ausströmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (23, 22) der Luft- und Gaskammern (12, 11) paarweise zusammengefasst sind und dass vor jedem Paar von Öffnungen eine Ablenkfläche (24) angebracht ist, welche die austretenden Luft- und Gasströme gemeinsam in die angestrebte Richtung umlenkt. UNTERANSPRÜCHE 1.

Brennkammer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkflächen derart schräg zur Brennkammerachse angeordnet sind, dass sie auf Erzeugenden eines Rotationshyperboloids liegen. z. Brennkammer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkflächen derart schräg zur Brennkammerachse angeordnet sind, dass sie auf Erzeugenden eines Kegels liegen. 3. Brennkammer nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkflächen gewellt sind. 4. Brennkammer nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkflächen gezahnt sind. 5.

Brennkammer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (22) der Gaskammern (11) im Strömungsschatten der aus den Luftkammern (12) ausströmenden Verbrennungsluft liegen. 6. Brennkammer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (23, 22) der Luft- und Gaskammern als schmale Schlitze ausgebildet sind. 7. Brennkammer nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzartigen Austrittsöffnungen der Gaskammern von Stegen unterbrochen sind, wobei die freien Durchströmquer- schnitte dieser Öffnungen in Längsrichtung der Schlitze verschieden gross bemessen sind. B.

Brennkammer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen der Gas- kammern von einer Reihe nahe beieinander liegender Bohrungen gebildet sind, wobei die freien Durchströmquerschnitte dieser Öffnungen in Richtung der Reihe verschieden gross bemessen sind. 9. Brennkammer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkflächen auswechselbar angebracht sind und aus hitzebeständigem Werkstoff bestehen. 10. Brennkammer nach Patentanspruch, daduch gekennzeichnet, dass mindestens einzelne Gaskammern für Regelungszwecke abschaltbar sind. 11.

Brennkammer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass koaxial um den Brenner ein ringförmiger Verteilerkanal (19) für das Brenngas angeordnet ist, mit dem die Gaskammern (11) durch Öffnungen verbunden sind, wohingegen die Luftkammern (12) durch rückwärtige öffnun- gen (18) mit einem axial hinter dem Brenner liegenden Luftzuführungsraum (17) in Verbindung stehen. 12. Brennkammer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in dem vom Gasbrenner umschlossenen zentralen Raum eine Hilfs- brennkammer (8) für Verbrennung eines anderen, z. B. flüssigen, Brennstoffs angeordnet ist. 13.

Brennkammer nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hil'fsbrennkammer (8) mit einem Steuerorgan (29) zur Regelung der Primärluft versehen ist. 14. Brennkammer nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftwege für die Zufuhr des gerade nicht verfügbaren Brennstoffes zur Zufuhr von Zweitluft für den gerade verfügbaren Brennstoff dienen. 15. Brennkammer nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallerzeugungsmit- tel in den beiden Zuteilzonen der verschiedenen Brennstoffe den Drallströmungen verschiedene Steigungen erteilen. 16.

Brennkammer nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallerzeugungs- mittel in den beiden Zuteilzonen der verschiedenen Brennstoffe den Drallströmungen verschiedene Richtungen erteilen. 17. Brennkammer nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei reiner Ölverbrennung zur kurzzeitigen Deckung von Überlast die Organe für Brenngaszufuhr für die Zufuhr weiterer Verbrennungs- und Mischluft eingerichtet sind.