DE1060193B - Rotierender Brenner fuer Brennkammern von Gasturbinen - Google Patents

Description

• Rotierender Brenner für Brennkammern von Gasturbinen Um in der Brennkammer einer Gasturbinenanlage eine einwandfreie Verbrennung des flüssigen Brennstoffes zu erhalten, muß der Brennstoff in feinverteilter Form eingebracht und dafür gesorgt werden, daß die Brennstoffteilchen immer die zur Verbrennung erforderliche Luft vorfindet.
• Normalerweise wird der Brennstoff durch eine oder mehrere Brennstoffdüsen in die Brennkammer eingespritzt, wobei der zur Zerstäubung des Brennstoffes erforderliche Druck durch eine Brennstoffpumpe erzeugt wird. Dieses Verfahren hat jedoch verschiedene Nachteile. Bei einer Verringerung der Leistung der Gasturbine wird die eingespritzte Brennstoffmenge verkleinert. Da die Düsenquerschnitte gewöhnlich nicht veränderlich sind, sinkt der Druck und damit auch die Zerstäubungsgüte. Ein Regeln des Düsenquerschnittes würde eine unerwünschte Komplikation bedingen.
• Um auch bei ganz kleinen Belastungen der Gasturbine immer eine einwandfreie Verbrennung zu gewährleisten, hat man schon vorgeschlagen, in einer Brennkammer mehrere Brennstoffdüsen anzuordnen, von denen bei kleinen Lasten eine Anzahl vollkommen abgeschaltet wird. Abgesehen von der durch diese Maßnahme verursachten Verteuerung der Brennkammer hat dieses Verfahren noch den Nachteil, daß die außer Betrieb gesetzten Brennstoffdüsen verkoken und somit bei ihrer Wiederinbetriebnahme bei Lasterhöhung Schwierigkeiten machen.
• Nun sind schon Brenner bekanntgeworden, die auf einem ganz anderen Prinzip beruhen. Hier wird der Brennstoff in das Innere eines schnell rotierenden Trichters eingeführt. Durch die Zentrifugalkraft wird der Brennstoff von der Trichterkante abgeschleudert und fein zerstäubt. Infolge der radialen Abschleuderung des Brennstoffes können jedoch kleine Brennstofftröpfchen bis an die Brennkammerwandung fliegen und dort verkoken. Man hat deshalb um den rotierenden Brennstofftrichter einen feststehenden Mantel herumgelegt, durch den ein Luftstrom in die Brennkammer eingeführt ist, der die vom Trichter abgeschleuderten Brennstoffteilchen noch weiter zerstäubt und in axialer Richtung fortträgt. Man erhält dadurch eine Flamme, deren Durchmesser nicht wesentlich größer ist als der Durchmesser des rotierenden Trichters.
• Die durch den Mantel eintretende Luft muß nun einen höheren Druck haben als die übrige in die Brennkammer eingeführte Luft. Man hat daher bei Gasturbinen mit Wärmeaustauschern diese Luft dem Verdichter unmittelbar entnommen und unter Umgehung des Wärmeaustauschers zum Brenner geleitet. Diese Luft hat daher einen Druck, der um die Druckverluste des Wärmeaustauschers höher ist als der der übrigen Luft. Diese Brenner haben jedoch den Nachteil, daß der Kern der Flamme zuwenig Luft erhält.
• Die rotierenden Brenner werden entweder durch einen Elektromotor oder eine sonstige Kraftquelle oder aber durch eine von der Verbrennungsluft beaufschlagte Turbine angetrieben.
• Um bei rotierenden Brennern dem Flammenkern die erforderlichü Luft zuzuführen, hat man mehrere konzentrische Trichter, von denen der Brennstoff abgeschleudert wird, angeordnet, die an radialen Armen befestigt sind. Zwischen diesen Armen strömt die Luft hindurch und gelangt somit auch in den Flammenkern. Diese Luftmenge ist aber sehr groß und kann ein radiales Aufweiten der Flamme verursachen, was durchaus unerwünscht ist, da die Flamme dadurch an den Brennkammermantel herangeführt werden kann. Durch die Anordnung von mehreren Trichtern werden diese Brenner kompliziert und teuer. Durch das Fehlen des äußeren Mantels für die Zerstäuberluft um den rotierenden Brenner herum besteht die Gefahr, daß der von dem äußeren Trichter abgeschleuderte Brennstoff auf den Brennkammermantel auftrifft und dort verkokt.
• Bei anderen Ausführungen hat man nur einen rotierenden Brennstofftrichter mit einem diesen umgebenden Mantel für die Zerstäubungsluft angeordnet und führt zusätzlich zentral in den Brennstofftrichter eine geringe Luftmenge in den Flammenkern. Diese Brenner werden von einer äußeren Kraftquelle angetrieben, so daß besondere Vorkehrungen getroffen werden müssen, um die Drücke der verschiedenen Luftmengen (Beimischungsluft, Zerstäubungsluft und Luft für den Flammenkern) gegenseitig-abzustimmen.
• Es sind- auch schon Brenner bekanntgeworden, bei denen zum Zwecke der Verwirbelung der Verbrennungsluft und der gleichmäßigen Beimischung des Brennstoffes mit der Luft in einem rotierenden Brennerkopf durch eine zentral im Brennerkopf angeordnete Düse oder durch mehrere Düsen der Brennstoff eingespritzt wird. Bei diesen Brennern wird der Brennstoff durch Düsen zerstäubt und nicht durch die Zentrifugalkraft, wie es sonst bei rotierenden Brennern der Fall ist. Diese Brenner haben somit alle die Nachteile, die der Einspritzung durch Brennstoffdüsen anhaften und die an früherer Stelle eingehend erläutert sind.
• Außerdem ist besonders bei einer zentral angeordneten Düse die Einführung von Luft in den Flammenkern nicht gewährleistet.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf rotierende Brenner für Brennkammern von Gasturbinen, bestehend aus einem einzigen mit Turbinenschaufeln versehenen Trichter, in dessen Inneres der Brennstoff eingespritzt wird und der von einem zylindrischen Mantel umgeben ist, in den zusätzlich Zerstäubungsluft eingeführt wird, wobei der vom Trichterrand abgeschleuderte Brennstoff unmittelbar in den Brennraum der Brennkammer gelangt, und bei dem zusätzlich Luft durch den Brennstofftrichter in den Flammenkern eingebracht wird.
• Das Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Turbinenschaufeln in an sich bekannter Weise so angeordnet sind, daß die Abluft der Brennerturbine in das Innere des Brennertrichters und damit in den Flammenkern eintritt und daß für einen ausreichenden Überdruck dieser Turbinenabluft gegenüber der Verbrennungs- und Beimischungsluft dadurch gesorgt wird, daß die für die Brennerturbine bestimmte Luft sowie parallel dazu die zusätzliche Zerstäubungsluft dem Verdichteraustritt in an sich bekannter Weise vor dem Wärmeaustauscher der Kühlluft entnommen, aber ohne Zwischenschaltung eines weiteren Wärmeaustauschers dem Brenner zugeführt wird.
• Durch diese Anordnung wird erreicht, daß sich im Brennraum der Brennkammer eine Flamme geringen Durchmessers einstellt, so daß die Wandung der Brennkammer nicht unmittelbar mit den heißesten Verbrennungsgasen in Berührung kommt. Durch die Einführung von zusätzlicher Luft in den Flammenkern wird ein vollkommener Ausbrand gewährleistet. Die Zerstäubungsluft, die am äußeren Umfang des Brennertrichters eingeführt wird, muß einen höheren Druck haben als der Hauptteil der Verbrennungs-und Kühlluft und wird daher direkt am Verdichteraustritt unter Umgehung des Wärmeaustauschers entnommen.
• Die zusätzlich in den Flammenkern eingeführte Luftmenge darf keinen zu hohen Überdruck gegenüber der übrigen Luftmenge haben, da sonst die Flamme radial aufgeweitet wird. Dadurch, daß die Abluft der Brennerturbine in den Flammenkern eingeführt wird, ist durch den Druckverlust der Brennerturbine dafür gesorgt, daß diese Aufweitung der Flamme vermieden wird.
• In Weiterbildung der Erfindung kann in an sich bekannter Weise die den Brennertrichter antreibende Turbine als Radialturbine ausgeführt werden.
• Weiterhin kann nach der Erfindung zur Regelung der für die Brennerturbine bestimmten Luftmenge in an sich bekannter Weise zwischen den Leit- und Laufschaufeln ein konzentrischer, axial verschiebbarer Ring, welcher den Zutrittsquerschnitt zur Turbine vergrößert oder verkleinert, angeordnet werden. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Brennerachse 1 ist in den beiden Lagern 2 und 3 gelagert. Sie trägt an ihrem Ende die Nabe 4 des rotierenden Brennertrichters 5. Der Brennstoff wird durch die Bohrung 6 der Brennerachse 1 zugeführt und gelangt durch die Bohrungen 7 und 8 in das Innere des Brennertrichters 5. Durch den kleinen Vorsprung 9 wird dafür gesorgt, daß der Brennstoff sich gleichmäßig über den ganzen Umfang verteilt. Der über diesen Vorsprung hinaustretende Brennstoff wird an der Abspritzkante 10 abgeschleudert. An dem der Abspritzkante 10 entgegengesetzten Ende trägt der Trichter 5 Turbinenschaufeln 11. Die vom Verdichter vor dem Wärmeaüstauscher abgezweigte Luft tritt durch den Stutzen 12 in das Brennergehäuse 13 ein. Ein Teil dieser Luft beaufschlagt über die Leitschaufeln 14 die Turbinenschaufeln 11 und gelangt dann in den Innenraum 15 des Trichters 5. Der restliche Teil dieser Luft strömt in den Ringraum 16 und gelangt über die Düse 17 in die Brennkammer. Die vom Wärmeaustauscher kommende Luft wird durch den Stutzen 18 der Brennkammer zugeführt.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Rotierender Brenner für Brennkammern von Gasturbinen, bestehend aus einem einzigen mit Turbinenschaufeln versehenen Trichter, in dessen Inneres der Brennstoff eingeführt wird und der von einem zylindrischen Mantel umgeben ist, in den zusätzliche Zerstäubungsluft eingeführt wird, wobei der vom Trichterrand abgeschleuderte Brennstoff unmittelbar in den Brennraum der Brennkammer gelangt, und bei dem zusätzliche Luft durch den Brennstofftrichter in den Flammenkern eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufeln in an sich bekannter Weise so angeordnet sind, daß die Abluft der Brennerturbine in das Innere des Brennertrichters und damit in den Flammenkern eintritt und daß für einen ausreichenden Überdruck dieser Turbinenabluft gegenüber der Verbrennungs- und Beimischungsluft dadurch gesorgt wird, daß die für die Brennerturbine bestimmte Luft sowie parallel dazu die zusätzliche Zerstäuberluft dem Verdichteraustritt in an sich bekannter Weise vor dem Wärmeaustauscher der Kühlluft entnommen, aber ohne Zwischenschaltung eines weiteren W ärmeaustauschers dem Brenner zugeführt wird.
2. 2. Rotierender Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufeln von radialem Typ sind.
3. 3. Rotierender Brenner nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Brennerturbine bestimmte Luftmenge beispielsweise durch einen zwischen den Leit- und Laufschaufeln befindlichen konzentrischen verschiebbaren Ring regelbar ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 906968, 829686, 702 339, 660 292, 645 067, 359 448; deutsche Patentanmeldung L 5662Ia/46f, (bekanntgemacht am 26. 3. 1953) ; schweizerische Patentschriften Nr. 270 979, 210 658; britische Patentschrift Nr. 691 144; USA.-Patentschriften Nr. 2 474 020, 1 733 413.