DE102011007562A1

DE102011007562A1 - Brennkammergehäuse und damit ausgerüstete Gasturbine

Info

Publication number: DE102011007562A1
Application number: DE102011007562A
Authority: DE
Inventors: Emil Aschenbruck; Reiner Brinkmann; Stefan Hoffmann
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2012-10-18
Also published as: WO2012143318A1; CA2833464A1; EP2699848A1; JP5678232B2; US20140144138A1; EP2699848B1; RU2544400C1; JP2014511991A

Abstract

Brennkammergehäuse (10) und damit ausgerüstete Gasturbine (1), wobei das Brennkammergehäuse ein Flammrohr (20) und ein Ummantelungsrohr (30) hat, welches das Flammrohr umgibt und welches in seiner Wandung eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (31) hat, über die außen auf das Ummantelungsrohr aufströmende Luft radial in einen zwischen dem Ummantelungsrohr und dem Flammrohr gebildeten Zwischenraum (40) eindringen kann. Durch die Erfindung wird eine gleichmäßigere Verteilung der einströmenden Luft um das Flammrohr gewährleistet. Dies wird u. a. dadurch erreicht, dass eine Mehrzahl von in dem Zwischenraum umfänglich der beiden Rohre verteilt angeordneten Leitrippen (50) vorgesehen sind, die sich jeweils radial zwischen Ummantelungsrohr und Flammrohr sowie parallel zu einer Längsrichtung (LR) der beiden Rohre erstrecken, so dass der Zwischenraum durch die Leitrippen in mehrere Längskanäle (41) unterteilt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennkammergehäuse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine mit einem solchen Brennkammergehäuse ausgerüstete Gasturbine.
Ein Brennkammergehäuse und eine Gasturbine der eingangsgenannten Art sind z. B. aus DE 10 2006 042 124 A1 bekannt. Das dort beschriebene Brennkammergehäuse ist Bestandteil einer Brennkammer der Gasturbine und weist ein Flammrohr und ein Ummantelungsrohr bzw. Prallgitter auf, welches das Flammrohr umgibt und welches in seiner Wandung eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen hat, über die außen auf das Ummantelungsrohr aufströmende komprimierte Luft radial in einen zwischen dem Ummantelungsrohr und dem Flammrohr gebildeten Zwischenraum eindringen kann.
Brennkammern werden als Einzelmodule oder als ringförmig angeordnete Einzelbrenner oder als Ringbrennkammern ausgeführt. Bis auf die Ringbrennkammern haben diese Typen immer ein innen liegendes, zylindrisch aufgebautes Flammrohr.
In einer wie oben genannten Gasturbine wird die Verbrennungsluft zunächst atmosphärisch angesaugt und dann in einem Kompressor eines Gasgenerators verdichtet. Der Kompressor kann radial oder axial ausgeführt sein. In der strömungsabwärts darauf folgenden Brennkammer wird die Verbrennungsluft dann stark umgelenkt, um eine Zuströmung in die Verbrennungszone zu erreichen. Mit anderen Worten wird die Verbrennungsluft zunächst der Brennkammer radial in den zwischen Ummantelungsrohr und Flammrohr gebildeten Zwischenraum zugeführt und anschließend umgelenkt, so dass eine axiale Zuströmung des Brenners stattfindet.
In dem Zwischenraum kommt es zu einer umfänglichen bzw. rotierenden Umströmung des meist kreiszylindrischen Flammrohrs, wodurch bezüglich der Druckverteilung bzw. Strömungsverteilung der Verbrennungsluft Staupunkte und Nachlaufdellen entstehen. Wenn bei einer solchen inhomogenen Massenstromverteilung die Strömung nun wie beschrieben zusätzlich stark umgelenkt wird, bleibt diese Inhomogenität erhalten. Dadurch werden stromabwärts liegende Bauteile ungleichmäßig gekühlt und es kommt in der Verbrennungszone zu Instabilitäten, weil der Luftanteil schwankt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennkammergehäuse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine damit ausgerüstete Gasturbine bereitzustellen, bei denen eine gleichmäßigere Verteilung der einströmenden Luft um das Flammrohr gewährleistet ist.
Dies wird mit einem Brennkammergehäuse gemäß Anspruch 1 bzw. mit einer Gasturbine gemäß Anspruch 10 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Brennkammergehäuse, insbesondere für eine Gasturbine, bereitgestellt, welches ein bevorzugt kreiszylindrisches Flammrohr und ein bevorzugt kreiszylindrisches Ummantelungsrohr bzw. Prallgitter aufweist, welches das Flammrohr aufnimmt und umgibt und welches in seiner Wandung eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen hat, über die außen auf das Ummantelungsrohr aufströmende komprimierte Luft (Kühl- und Verbrennungsluft) radial in einen zwischen dem Ummantelungsrohr und dem Flammrohr gebildeten bevorzugt kreiszylinderförmigen Zwischenraum eindringen kann. Das erfindungsgemäße Brennkammergehäuse zeichnet sich aus durch eine Mehrzahl von in dem Zwischenraum umfänglich der beiden Rohre (Flammrohr und Ummantelungsrohr) verteilt angeordneten Leitrippen, die sich jeweils radial zwischen Ummantelungsrohr und Flammrohr sowie parallel zu und entlang einer Längsrichtung von Ummantelungsrohr und Flammrohr erstrecken, so dass der Zwischenraum durch die Leitrippen in mehrere sich bevorzugt im Wesentlichen über die gesamte mit Durchgangsöffnungen versehene Länge des Ummantelungsrohrs erstreckende Längskanäle mit bevorzugt jeweils kreisringsektorförmigem Querschnitt unterteilt ist.
Die quer zur Umströmungsrichtung der im Betriebsfall einströmenden Luft stehenden Leitrippen bewirken, dass die Umströmung des Flammrohrs unterbrochen bzw. verhindert wird. Dadurch kann sich die Luftströmung gleichmäßiger verteilen und die Kühlung des Flammrohres wird weniger gestört. Zusätzlich wird die Kühl- und Verbrennungsluft nach der Umlenkung von radialer auf axiale Strömung kanalförmig geführt, so dass die Zuströmung zu einer nachfolgenden Verbrennungszone homogen erfolgen kann.
Durch die optimierte Zuströmung der Luft kann in einer mit dem erfindungsgemäßen Brennkammergehäuse ausgebildeten Brennkammer einer Gasturbine ein besonders homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch gebildet werden, wodurch die Flamme beim Verbrennungsprozess stabil im Zentrum der Brennkammer bleibt. Eine Schieflage bzw. Fluktuation der Flamme würde einen lokalen Temperaturanstieg der umliegenden Bauteile bewirken und damit eine eventuelle Überbeanspruchung, was durch die Leitrippen verhindert wird.
Im Ergebnis werden mit der Verwendung des erfindungsgemäß ausgestalteten Brennkammergehäuses in einer Brennkammer einer Gasturbine Ungleichmäßigkeiten der Luftzufuhr minimiert, so dass ein Betrieb der Brennkammer mit maximaler Auslegungstemperatur uneingeschränkt erfolgen kann.
Bevorzugt sind gemäß der Erfindung die Leitrippen am Ummantelungsrohr angebracht. Außerdem erstreckt sich bevorzugt jede Leitrippe radial so, dass zwischen Leitrippe und Flammrohr ein Spalt gebildet ist.
Der Spalt ist vorteilhaft, um aufgrund unterschiedlicher Material- und Wärmeausdehnungseigenschaften mögliche Verzüge oder Spannungen zu vermeiden. Durch die Spalte hindurch auftretende Querströmungen können vernachlässigt werden, das sich die Strömung immer radial nach außen auf die Seite (Innenumfang des Ummantelungsrohrs) anlegt, an der auch die Strömungsleitrippen angebracht sind.
Bevorzugt sind gemäß der Erfindung die Leitrippen jeweils streifenförmig ausgebildet, wobei sich deren jeweilige Breite radial und deren jeweilige Länge axial bzw. in Längsrichtung von Ummantelungsrohr und Flammrohr erstrecken. Die Dickenabmessung der jeweiligen Leitrippen beträgt bevorzugt etwa 3 mm.
Bevorzugt sind gemäß der Erfindung die Leitrippen und die in der Wandung des Ummantelungsrohrs ausgebildeten Durchgangsöffnungen so angeordnet, dass die Leitrippen keine der Durchgangsöffnungen verschließen. Damit wird vorteilhaft eine optimale bzw. unbehinderte radiale Zuströmung der Luft in den Zwischenraum gewährleistet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die in dem Zwischenraum vorgesehene Anzahl von Leitrippen genau acht, wobei alle Leitrippen zueinander identisch ausgebildet sind.
Bevorzugt sind gemäß der Erfindung die Leitrippen mit unterschiedlichem umfänglichen Winkelabstand voneinander in dem Zwischenraum angeordnet. Der Winkelabstand variiert bevorzugt in einem Bereich von etwa 28 Grad bis etwa 126 Grad.
Bevorzugt weisen gemäß der Erfindung die Leitrippen eine erste Gruppe von Leitrippen und eine zweite Gruppe von Leitrippen auf, wobei die erste Gruppe von Leitrippen bezüglich ihres gegenseitigen umfänglichen Winkelabstands in einem vorbestimmten ersten Anordnungsmuster angeordnet sind, und wobei die zweite Gruppe von Leitrippen bezüglich ihres gegenseitigen umfänglichen Winkelabstands in einem zweiten Anordnungsmuster angeordnet sind, welches eine Spiegelung des ersten Anordnungsmusters an einer Symmetrieachse des Flammrohrs darstellt. Die Symmetrieachse erstreckt sich bevorzugt im Querschnitt gesehen durch den Mittelpunkt des Flammrohrs.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Gasturbine mit einem Brennkammergehäuse gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination bereitgestellt.
Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung – soweit dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert sein können.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
1 zeigt eine perspektivische teilweise gebrochene Ansicht eines Brennkammergehäuses einer Brennkammer einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Stirnansicht des Brennkammergehäuses von 1, jedoch ohne Flammrohr.
3 zeigt eine Schnittansicht des Brennkammergehäuses von 1, gesehen entlang einer Linie A-A in 2.
4 zeigt in zwei Querschnittsansichten einen Vergleich der Luftströmungs- und Druckverteilungen in dem Brennkammergehäuse von 1 mit und ohne Leitrippen.
Nun wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine Gasturbine 1 (nicht vollständig dargestellt) mit einem Brennkammergehäuse 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Das Brennkammergehäuse 10 der Gasturbine 1 weist ein kreiszylindrisches Flammrohr 20 und ein kreiszylindrisches Ummantelungsrohr bzw. Prallgitter 30 auf, welches das Flammrohr 20 aufnimmt und umgibt und welches in seiner Wandung eine Mehrzahl von gleichmäßig um den Umfang herum verteilten Durchgangsöffnungen 31 hat, über die außenumfänglich auf das Ummantelungsrohr 30 aufströmende durch einen Kompressor (nicht gezeigt) der Gasturbine 1 komprimierte Luft (Kühl- und Verbrennungsluft) radial in einen zwischen dem Ummantelungsrohr 30 und dem Flammrohr 20 gebildeten kreiszylinderförmigen Zwischenraum 40 eindringen kann.
In dem Zwischenraum 40 sind eine Mehrzahl (hier genau acht) von umfänglich der beiden Rohre (Flammrohr 20 und Ummantelungsrohr 30) verteilt angeordneten identischen Leitrippen 50 vorgesehen, die sich jeweils radial zwischen Ummantelungsrohr 30 und Flammrohr 20 sowie parallel zu und entlang einer Längsrichtung LR von Ummantelungsrohr 30 und Flammrohr 20 erstrecken, so dass der Zwischenraum 40 durch die Leitrippen 50 in mehrere sich im Wesentlichen über die gesamte mit Durchgangsöffnungen 31 versehene Länge des Ummantelungsrohrs 30 erstreckende Längskanäle 41 mit jeweils kreisringsektorförmigem Querschnitt unterteilt ist.
Die Leitrippen 50 verhindern zuverlässig, dass die im Betrisbsfall über die Durchgangsöffnungen 31 radial einströmende Luft im Zwischenraum 40 eine umfängliche bzw. um das Flammrohr 20 rotierende Strömungskomponente erhält. Dadurch kann sich die Luftströmung gleichmäßiger um das Flammrohr 20 verteilen und die Kühlung des Flammrohres 20 wird verbessert. Zusätzlich wird die Luft nach der Umlenkung (durch das Auftreffen auf das Flammrohr 20) von radialer auf axiale Strömung kanalisiert in den Längskanälen 41 geführt, so dass die Zuströmung zu einer nachfolgenden Verbrennungszone (nicht gezeigt) homogen erfolgen kann.
Die Leitrippen 50 sind am Innenumfang des Ummantelungsrohr 30 angebracht (z. B. angeschweißt), wobei sich jede Leitrippe 50 radial so erstreckt, dass zwischen Leitrippe 50 und Flammrohr 20 ein Spalt S gebildet ist. Der Spalt S hat gerade eine solche radiale Weite, dass im Betrieb der Gasturbine 1 unterschiedliche wärmebedingte Materialausdehnungen von Flammrohr 20, Ummantelungsrohr 30 und Leitrippen 50 ohne unter Druck Aufsetzen der Leitrippen 50 auf dem Flammrohr 20 kompensiert werden können.
Die Leitrippen 50 sind jeweils in Form eines Blechstreifens ausgebildet, wobei sich deren jeweilige Breite radial und deren jeweilige Länge axial bzw. in Längsrichtung LR von Ummantelungsrohr 30 und Flammrohr 20 erstrecken. Die Dickenabmessung der jeweiligen Leitrippen 50 beträgt dabei etwa 3 mm.
Wie insbesondere aus 3 (linke Hälfte der Figur) ersichtlich, sind die Leitrippen 50 und die in der Wandung des Ummantelungsrohrs 30 ausgebildeten Durchgangsöffnungen 31 so angeordnet, dass die Leitrippen 50 keine der Durchgangsöffnungen 31 verschließen.
Wie insbesondere aus den 1 und 2 ersichtlich, sind die Leitrippen 50 mit unterschiedlichem umfänglichen Winkelabstand voneinander in dem Zwischenraum 40 angeordnet.
Die Leitrippen 50 weisen dabei eine erste Gruppe von Leitrippen 50 (die in 2 links einer Symmetrieachse Y des Flammrohrs 20 angeordnet sind) und eine zweite Gruppe von Leitrippen 50 (die in 2 rechts der Symmetrieachse Y angeordnet sind) auf. Gemäß der gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind die erste Gruppe von Leitrippen 50 bezüglich ihres gegenseitigen umfänglichen Winkelabstands in einem vorbestimmten ersten Anordnungsmuster angeordnet, wobei die zweite Gruppe von Leitrippen 50 bezüglich ihres gegenseitigen umfänglichen Winkelabstands in einem zweiten Anordnungsmuster angeordnet sind, welches eine Spiegelung des ersten Anordnungsmusters an der Symmetrieachse Y darstellt.
Gemäß der in 2 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung ist das vorbestimmte erste Anordnungsmuster der ersten Gruppe von Leitrippen 50 definiert durch die Winkelmaße: a = 27 Grad, b = 1,8 Grad, c = 34,2 Grad und d = 59,4 Grad. Das zweite Anordnungsmuster der zweiten Gruppe von Leitrippen 50 ist definiert durch die Winkelmaße: a' = 27 Grad, b' = 1,8 Grad, c' = 34,2 Grad und d' = 59,4 Grad.
Mit anderen Worten ergibt sich gemäß 2 in jeder Gruppe von Leitrippen 50 eine Kombination von Winkelabständen zwischen den Leitrippen 50 von 28,2 Grad, 32,4 Grad und 25,2 Grad, wobei die beiden Gruppen von Leitrippen 50 einen Winkelabstand von 61,2 Grad (in 2 unten) bzw. 126 Grad (in 2 oben) haben.
Gemäß nicht dargestellten anderen Ausführungsformen der Erfindung könnten das erste und das zweite Anordnungsmuster auch vollkommen unterschiedlich sein. Die spezielle Realisierung des ersten und zweiten Anordnungsmusters bzw. des jeweiligen Winkelabstands der Leitrippen 50 kann von der jeweiligen z. B. dimensionalen und/oder förmlichen Ausgestaltung der Gasturbine 1 abhängen und damit gemäß den dort auftretenden speziellen Strömungsverhältnissen anpassbar sein.
In 4 ist in zwei Querschnittsansichten ein Vergleich der Luftströmungs- und Druckverteilungen in dem Brennkammergehäuse 10 gezeigt, wobei das Brennkammergehäuse gemäß der in 4 oberen Darstellung ohne Leitrippen 50 und das Brennkammergehäuse gemäß der in 4 unteren Darstellung gemäß der Erfindung mit Leitrippen 50 ausgeführt ist.
Wie aus der oberen Darstellung von 4 ersichtlich, stellen sich ohne Leitrippen 50 im Betrieb der Gasturbine 1 aufgrund der umfangsmäßigen Umströmung des Flammrohrs 20 in dem Zwischenraum 40 inhomogene Luftströmungs- und Druckverhältnisse ein.
Wie aus der unteren Darstellung von 4 ersichtlich, stellen sich mit den quer zur Umströmungsrichtung der einströmenden Luft stehenden Leitrippen 50 im Betrieb der Gasturbine 1 aufgrund des damit erzielten Unterbindens der umfangsmäßigen Umströmung des Flammrohrs 20 in dem Zwischenraum 40 im Wesentlichen homogene Luftströmungs- und Druckverhältnisse ein, womit eine gleichmäßige Verteilung der einströmenden Luft um das Flammrohr 20 erreicht und die Kühlung des Flammrohres 20 verbessert wird. Zusätzlich wird die Luft nach der Umlenkung von radialer auf axiale Strömung kanalförmig geführt, so dass die Zuströmung zur nachfolgenden Verbrennungszone homogen erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Gasturbine
10: Brennkammergehäuse
20: Flammrohr
30: Ummantelungsrohr
31: Durchgangsöffnungen
40: Zwischenraum
41: Längskanal
50: Leitrippe
S: Spalt
LR: Längsrichtung
Y: Symmetrieachse
a, b, c, d: Winkelmaß
a', b', c', d': Winkelmaß

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006042124 A1 [0002]

Claims

Brennkammergehäuse (10) mit: einem Flammrohr (20), und einem Ummantelungsrohr (30), welches das Flammrohr (20) umgibt und welches in seiner Wandung eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (31) hat, über die außen auf das Ummantelungsrohr (30) aufströmende Luft radial in einen zwischen dem Ummantelungsrohr (30) und dem Flammrohr (20) gebildeten Zwischenraum (40) eindringen kann, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von in dem Zwischenraum (40) umfänglich der beiden Rohre verteilt angeordneten Leitrippen (50), die sich jeweils radial zwischen Ummantelungsrohr (30) und Flammrohr (20) sowie parallel zu einer Längsrichtung (LR) von Ummantelungsrohr (30) und Flammrohr (20) erstrecken, so dass der Zwischenraum (40) durch die Leitrippen (50) in mehrere Längskanäle (41) unterteilt ist.
Brennkammergehäuse (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Leitrippen (50) am Ummantelungsrohr (30) angebracht sind.
Brennkammergehäuse (10) gemäß Anspruch 2, wobei sich jede Leitrippe (50) radial so erstreckt, dass zwischen Leitrippe (50) und Flammrohr (20) ein Spalt (S) gebildet ist.
Brennkammergehäuse (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Leitrippen (50) jeweils streifenförmig ausgebildet sind.
Brennkammergehäuse (10) gemäß Anspruch 4, wobei die Leitrippen (50) eine Dickenabmessung von 3 mm aufweisen.
Brennkammergehäuse (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leitrippen (50) und die in der Wandung des Ummantelungsrohrs (30) ausgebildeten Durchgangsöffnungen (31) so angeordnet sind, dass die Leitrippen (50) keine der Durchgangsöffnungen (31) verschließen.
Brennkammergehäuse (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Mehrzahl von Leitrippen (50) von genau acht identischen Leitrippen (50) gebildet ist.
Brennkammergehäuse (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Leitrippen (50) mit unterschiedlichem umfänglichen Winkelabstand voneinander in dem Zwischenraum (40) angeordnet sind.
Brennkammergehäuse (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Leitrippen (50) eine erste Gruppe von Leitrippen (50) und eine zweite Gruppe von Leitrippen (50) aufweisen, wobei die erste Gruppe von Leitrippen (50) bezüglich ihres gegenseitigen umfänglichen Winkelabstands in einem vorbestimmten ersten Anordnungsmuster angeordnet sind, und wobei die zweite Gruppe von Leitrippen (50) bezüglich ihres gegenseitigen umfänglichen Winkelabstands in einem zweiten Anordnungsmuster angeordnet sind, welches eine Spiegelung des ersten Anordnungsmusters an einer Symmetrieachse (Y) des Flammrohrs (20) darstellt.
Gasturbine (1) mit einem Brennkammergehäuse (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.