DE102006048842A1

DE102006048842A1 - Bypasssystem einer Brennkammer

Info

Publication number: DE102006048842A1
Application number: DE102006048842A
Authority: DE
Inventors: Emil Aschenbruck; Reiner Brinkmann; Jaman El Masalme
Original assignee: MAN Turbo AG
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2026-10-14
Also published as: DE102006048842B4

Abstract

Brennkammer (12) für eine Gasturbine mit einem Flammrohr (6), das in Strömungsrichtung eines Brennstoff-Luft-Gemisches eine Verbrennungszone (19) und eine nachprimäre Verbrennungszone (19) ausbildet, wobei im Bereich der nachprimären Verbrennungszone mindestens eine Bypasseintrittsöffnung (14) vorgesehen ist, um eine zu der mindestens einen Bypasseintrittsöffnung (14) führenden Bypassleitung (7), die an der Bypasseintrittsöffnung (14) angeordnet ist, komprimierte Luft in das Flammrohr (6) zu leiten. Das Flammrohr (6) ist einstückig und an der Eintrittsseite des Brennstoff-Luft-Gemisches fest gelagert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bypasssystem für eine Brennkammer einer Turbine. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Kompensation der Wärmeausdehnung eines Flammrohres einer Gasturbinenbrennkammer im Übergangsbereich vom Bypasssystem zum Flammrohr.
Die für den Verbrennungsprozess in Gasturbinen notwendige Luft wird im Eintrittsbereich eines Flammrohres der Verbrennung zugeführt. Um den Emissionsausstoß von Stickstoffen (NO_x) gering zu halten, wird der Verbrennung mehr Luft zugeführt, als für die Verbrennung selbst notwendig wäre. Abhängig von den Leistungsanforderungen an die Gasturbine und anderen Betriebsbedingungen schwankt die Menge der zugeführten Luft. Damit das Brennstoff/Luft Gemisch über einen möglichst großen Betriebsbereich nahezu konstant und damit die NO_x Emission niedrig gehalten werden kann, ist es notwendig, die Luftzufuhr zur Verbrennung zu steuern bzw. zu regeln. Ein weitere Vorteil dieser Steuerung ist, dass zusätzliche Verluste, wie sie z.B. durch das Abblasen der zuvor komprimierten Luft entstehen, vermieden werden.
Die Regelung erfolgt, indem die vom Verdichterbereich der Gasturbine zugeführte komprimierte Luft in zwei Strömungen aufgeteilt wird. Ein Teilstrom steht der Verbrennung zur Verfügung, ein weiterer wird in eine nachprimäre Verbrennungszone in das Flammrohr eingebracht. Über ein Regelorgan wird die Durchtlussmenge von Luft gesteuert, die nicht der Verbrennung zugeführt wird. Der konstruktive Aufbau des Umleitens von aus dem Verdichterbereich zugeführter Luft wird Bypasssystem genannt.
Aus dem Stand der Technik DE 42 38 602 C2 ist ein derartiges Bypasssystem bekannt. Das Bypassrohr des Bypasssystems tritt in ein sogenanntes Mischrohr ein, das mit dem Flammrohr verbunden ist. Mischrohr und Flammrohr sind über eine entsprechende Befestigungsvorrichtung miteinander verbunden, wobei durch die Trennung von Mischrohr und Flammrohr erreicht wird, dass die Wärmeausdehnung, der das Flammrohr unterliegt, nicht auf das Mischrohr übertragen wird. Dies ist notwendig, da ansonsten das in das Mischrohr mündende Bypassrohr durch die Wärmeausdehnung beschädigt würde.
Der Stand der Technik weist demnach den Nachteil auf, dass im Innern der Brennkammer stets zumindest ein Flammrohr und ein Mischrohr vorgesehen werden müssen, die über aufwendige Halterungsmechanismen gekoppelt werden müssen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Flammrohr an seiner Eintrittsseite fest gelagert ist und auf der Seite, an der die Bypassleitung in das Mischrohr eintritt, eine Loslagerung vorliegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, ein Bypasssystem, insbesondere für an der Eintrittsseite des Flammrohres fest gelagerte Systeme bereit zustellen, wobei die Wärmeausdehnung des Flammrohres auf zuverlässige und kostengünstige Weise kompensiert werden soll.
Die Aufgabe wird durch Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Brennkammer für eine Gasturbine vor, die im Innern ein Flammrohr aufweist. Das Flammrohr bildet in Strömungsrichtung des Brennstoff-Luft-Gemisches im Flammrohr eine Verbrennungszone und eine nachprimäre Verbrennungszone aus. Über eine Leitungsverbindung mit dem Kompressorbereich der Gasturbine wird der Brennkammer Luft zugeführt. Eine Bypassleitung zweigt von dem Luftzufuhrkanal ab und mündet in die nachprimäre Verbrennungszone des Flammrohres. Dazu ist im Bereich der nachprimären Verbrennungszone des Flammrohres mindestens eine Bypasseintrittsöffnung vorgesehen.
Da im Vergleich zum Stand der Technik nunmehr das Flammrohr auch die nachprimäre Verbrennungszone aufweist, d.h. keine zwei Bauteile in Form von Flammrohr und Mischrohr vorliegen, wirkt sich die Wärmeausdehnung des Flammrohres unmittelbar auch auf den Bereich des Flammrohres aus, der im Innern die nach primäre Verbrennungszone ausbildet. Erfindungsgemäß ist daher die Bypasseintrittsöffnung so ausgebildet, dass bei Wärmeausdehnung des Flammrohrs die Verbindung mit der Bypassleitung aufrecht erhalten bleibt. In einer weitergehenden Ausführungsform kann die Durchflussmenge komprimierter Luft aus der Bypassleitung in das Flammrohr durch mindestens eine Bypasseintrittsöffnung gesteuert werden.
Eine Form der Steuerung ist, die Wärmeausdehnung des Flammrohres so zu kompensieren, dass die Durchflussmenge von der Bypassleitung in das Flammrohr konstant gehalten wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Bypassleitung in die Bypasseintrittsöffnung mündet, wobei die Bypasseintrittsöffnung in Längsrichtung des Flammrohres als Langloch ausgebildet ist. Im kalten Zustand befindet sich die Bypassleitung in der Bypasseintrittsöffnung auf der Seite des Langloches, die der Austrittsseite des Flammrohres zugewandt ist. Die Wärmeausdehnung des Flammrohres verschiebt nun das Langloch in Richtung der Austrittsseite des Flammrohres entlang der weitgehend stationär bleibenden Bypassleitung.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung erläutert. Zur Erläuterung werden Zeichnungen verwendet. Es zeigt:
1a eine schematische Ansicht einer Gasturbinenbrennkammer;
1b eine Querschnittsansicht B-B durch die Brennkammer mit Bypassleitungen und Bypassöffnungen;
2 eine Detailansicht des Schnittes A-A aus 1b;
3 eine perspektivische Ansicht von außen auf das Flammrohr, wobei Bypassleitung und Bypasseintrittsöffnung dargestellt sind;
4 eine schematische Querschnittsansicht durch das Flammrohr, die verdeutlicht, wie Bypassleitung und Bypasseintrittsöffnung zueinander angeordnet sind;
5 eine Draufsicht entsprechend 2 gemäß einer der beiden Ausführungsformen der Erfindung;
6 eine schematische Querschnittsansicht entsprechend 4 gemäß einer der beiden Ausführungsformen der Erfindung.
1a zeigt eine Brennkammer einer Gasturbine mit einem Ringraum 1, der radial außerhalb eines Zwischenraumes 2 liegt, der zwischen einer Zwischenwand 5 und dem Flammrohr 6 angeordnet ist. Über den Luftzufuhrkanal 21 gelangt die komprimierte Luft aus dem Verdichterbereich in den Ringraum 1. Die Bypassleitung 7, die den Ringraum 1 und die Verbindungsleitung 23 aufweist und vom Luftzufuhrkanal 21 abzweigt, mündet in die Bypasseintrittsöffnungen 14. Die Verbindungsleitungen 23 überbrücken jeweils den Zwischenraum 2. Neben den Bypasseintrittsöffnungen sind auch Mischluftöffnungen 22 vorgesehen. Es ist aber vorstellbar, dass die Mischluftöffnungen 22 durch entsprechend groß ausgebildete Bypasseintrittsöffnungen 14 ersetzt werden. Das Flammrohr 6 bildet in Strömungsrichtung des Brennstoff-Luft-Gemisches eine Mischzone 16, eine vorprimäre Verbrennungszone 17, eine Verbrennungszone 18, eine nachprimäre Verbrennungszone 19 und eine Übergangszone 20 aus. Mischluftöffnungen 22 und Bypasseintrittsöffnungen 14 münden in die nachprimären Verbrennungszone 19.
In 1b ist die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt dargestellt. 1b ist eine schematische Querschnittsansicht entlang des Schnittes B-B in 1a. Die in 1a gezeigten Mischluftöffnungen 22 sind in 1b nicht dargestellt. Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Ringraum, der radial außerhalb des Flammrohres angeordnet ist, um die Bypassleitung 7 an mehreren Enden in das Flammrohr 6 münden zu lassen. Die mehreren Enden der Bypassleitung 7 münden z.B. in einem Abstand von etwa 120° in das Flammrohr 6. Das Flammrohr 6 weist eine dem Ende der Bypassleitung 7 entsprechende Anzahl von Bypasseintrittsöffnungen 14 auf. Die Bypasseintrittsöffnungen 14 sind derart ausgebildet, dass jeweils ein Ende der Bypassleitung 7, d.h. das Ende der Verbindungsleitung 23, aufgenommen wird. Die Anzahl der Enden der Bypassleitung bzw. der Anzahl der Bypasseintrittsöffnungen 14 ist nicht auf drei eingeschränkt, sondern kann entsprechend verringert oder erhöht werden.
Das Ende der Bypassleitung 7, d.h. zwischen der Verbindungsleitung 23 und dem Flammrohr 6, ist jeweils ein Verbindungsleitungskühlspalt 8 ausgebildet. Durch den Verbindungsleitungskühlspalt 8 fließt eine Luftströmung 11, die von einem Zwischenraum 2 in das Flammrohr strömt. Die Luftströmung 11 ist ein Teil der Luftströmung, die nach Kühlung des Flammrohres unter anderem durch Prallkühlen in Richtung der Mischluftöffnungen 22 strömt. Der Zwischenraum 2 ist zwischen dem Flammrohr 6 und einer Zwischenwand 5 ausgebildet, wobei die Zwischenwand 5 eine radial innen liegende Wand des Ringraumes 1 darstellt. Das Außengehäuse 4 stellt die radial außen liegende Wand des Ringraumes 1 dar. Die Bypassleitung 7, bzw. genauer gesagt, die Verbindungsleitung 23 der Bypassleitung 7 ist in der Bypasseintrittsöffnung 14 angeordnet, wie in 2 anhand der Detailzeichnung A-A gezeigt. Die Bypasseintrittsöffnung 14 ist hier als Langloch ausgebildet, in das die Bypassleitung 7 bzw. die Verbindungsleitung 23 mündet. Bezugszeichen 7 bezeichnet die Bypassleitung in einem Zustand, in dem die Wärmeausdehnung des Flammrohres noch nicht stattgefunden hat. Bezugszeichen 9 (gestrichelte Linie) bezeichnet die Verbindungsleitung mit relativ zur Bypasseintrittsöffnung 14 veränderter Position, d.h. in einem Zustand, in dem das Flammrohr 6 die erwartete Wärmeausdehnung vollzogen hat. Zwischen Bypassleitung 7 und Bypasseintrittsöffnung 14 ist stets ein Verbindungsleitungskühlspalt 8 gleichen Flächeninhalts ausgebildet. Anhand der 2 kann nachvollzogen werden, wie die Bypassleitungseintrittsöffnung 14 entlang der Bypassleitung 7 in Längsrichtung des Flammrohres 6 im Rahmen der Wärmeausdehnung wandert. Der Verbindungsleitungskühlspalt 8 weist dabei vorzugsweise immer den gleichen Flächeninhalt auf.
3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ebenfalls anhand des Doppelpfeiles in Längsrichtung des Flammrohres 6 wie das Flammrohr 6 gegenüber der Bypassleitung 7 eine Relativbewegung durchführt.
4 zeigt anhand einer schematischen Querschnittsansicht die Anordnung von Bypassleitung 7 zu Bypasseintrittsöffnung 14. Obwohl in 4 dargestellt ist, dass die Bypassleitung 7 bündig mit der Innenwandung des Flammrohres 6 abschließt, sind auch Ausführungsformen denkbar, die im Innern des Flammrohres hervorstehen oder oberhalb der Innenwandung des Flammrohres enden.
6 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung endet die Bypassleitung 7 bereits oberhalb des Flammrohres 6 und damit auch oberhalb der Bypasseintrittsöffnung 14. Der Abstand zwischen dem der Bypasseintrittsöffnung 14 zugewandten Ende der Bypassleitung 7 und der Außenwand des Flammrohres 6 muß so gewählt werden, dass auch bei Ausdehnen des Flammrohres 6 in radialer Richtung die Bypassleitung 7 nicht beschädigt wird.
Bei einer Anordnung der Bypassleitung 7 zum Flammrohr 6 gemäß 6 ist es gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung möglich, die Bypasseintrittsöffnungen 14 gemäß 5 auszubilden. In 5 sind anstelle einer Bypasseintrittsöffnung je Verbindungsleitung 23 eine Vielzahl von Bypasseintrittsöffnungen 14 je Verbindungsleitung 23 ausgebildet.
In 5 sind die Bypasseintrittsöffnungen 14 als gleichförmige Bohrungen ausgebildet. Die Bypasseintrittsöffnungen 14 können allerdings auch verschieden groß und/oder verschieden beabstandet ausgebildet sein. Somit kann die Bypasseintrittsöffnung 14 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung die Durchflussmenge in das Flammrohr bereits durch die Wärmeausdehnung des Flammrohres selbst gesteuert werden. Ein Teil der Steuerung der Durchflussmenge zum Verbrennungsprozess kann somit abhängig vom Wärmeausdehnungszustand der Gasturbine erfolgen.

1: Ringraum
2: Zwischenraum
3: Flammrohrinnenraum
4: Außengehäuse
5: Zwischenwand
6: Flammrohr
7: Bypassleitung
8: Verbindungsleitungskühlspalt
9: Verbindungsleitung mit veränderter Position
10: Bypassluftströmung
11: Luftströmung
12: Brennkammer
13: Flammrohrabschnitt im Bereich der Verbrennungszone
14: Bypasseintrittsöffnung
15: Flammrohrabschnitt der nachprimären Verbrennungszone
16: Mischzone
17: vorprimäre Verbrennungszone
18: Verbrennungszone
19: nachprimäre Verbrennungszone
20: Übergangszone
21: Luftzufuhrkanal
22: Mischluftöffnung
23: Verbindungsleitung

Claims

Brennkammer (12) für eine Gasturbine mit einem Flammrohr (6), das in Strömungsrichtung eines Brennstoff-Luft-Gemisches eine Verbrennungszone (18) und eine nachprimäre Verbrennungszone (19) ausbildet, wobei das Flammrohr einstückig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der nachprimären Verbrennungszone (19) mindestens eine Bypasseintrittsöffnung (14) vorgesehen ist, um über eine zu der mindestens einen Bypasseintrittsöffnung (14) führenden Bypassleitung (7), die an der Bypasseintrittsöffnung (14) angeordnet ist, komprimierte Luft in das Flammrohr (6) zu leiten.
Brennkammer (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammrohr (6) an einer Eintrittsseite des Brennstoff-Luft-Gemisches mittels eines Festlagers an der Brennkammer (12) gelagert ist.
Brennkammer (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bypasseintrittsöffnung (14) derart ausgebildet ist, dass bei Wärmeausdehnung des Flammrohrs (6) eine Durchflussmenge komprimierter Luft aus der Bypassleitung (7) in das Flammrohr (6) durch die mindestens eine Bypasseintrittsöffnung (14) gesteuert wird.
Brennkammer (12) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge komprimierter Luft aus der Bypassleitung (7) bei Wärmeausdehnung des Flammrohrs (6) durch die mindestens eine Bypasseintrittsöffnung (14) bei unveränderten Betriebsbedingungen konstant gehalten wird.
Brennkammer (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der Bypasseintrittsöffnung (14) gelegenes Ende der Bypassleitung (7) in der Bypasseintrittsöffnung (14) angeordnet ist.
Brennkammer (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsleitungskühlspalt (8), der sich zwischen einer Verbindungsleitung (23) der Bypassleitung (7) und dem Flammrohr (6) ausbil det, bei jedem Wärmedehnungszustand des Flammrohrs (6) den gleichen Flächeninhalt aufweist.
Brennkammer (12) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Bypasseintrittsöffnung (14) die Wärmeausdehnung des Flammrohrs (6) kompensiert, sodass das an der Bypasseintrittsöffnung (14) gelegenes Ende der Bypassleitung (7) in seiner Lage nicht beeinträchtigt wird.
Brennkammer (12) nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypasseintrittsöffnung (14) in Längsrichtung des Flammrohrs (6) länger als eine Querschnittslänge der Bypassleitung (7) in Längsrichtung des Flammrohrs (6) ist.
Brennkammer (12) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das an der Bypasseintrittsöffnung (14) gelegene Ende der Bypassleitung (7) im kalten Zustand in einem stromabwärtigen Ende der Bypasseintrittsöffnung (14) angeordnet ist.
Brennkammer (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypasseintrittsöffnung (14) als Langloch oder Oval in Längsrichtung des Flammrohrs (6) ausgebildet ist.
Brennkammer (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der Bypasseintrittsöffnung (14) gelegenes Ende der Bypassleitung (7) außerhalb der mindestens einen Bypasseintrittsöffnung (14) angeordnet ist.
Brennkammer (12) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Bypasseintrittsöffnungen (14) gegenüber einer Verbindungsleitung (23) der Bypassleitung (7) vorgesehen sind.
Brennkammer (12) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Vielzahl von Bypasseintrittsöffnungen (14) variiert.
Brennkammer (12) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Bypasseintrittsöffnungen (14) mit unterschiedlichem Abstand zueinander angeordnet sind.