DE1062873B - Gasbrenner, vorzugsweise fuer Brennkammern von Gasturbinen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner, wie solche vorzugsweise in Brennkammern von Gasturbinenanlagen verwendet werden, wenn ein gasförmiger Brennstoff, beispielsweise ein hauptsächlich Methan enthaltendes Brenngas, zur Verfügung steht.

Die Verbrennung eines solchen Gases in einer Gasturbinenbrennkammer bereitet besonders in solchen Anlagen Schwierigkeiten, in welchen die Drehzahl des Luftverdichters und damit auch die die Brennkammer insgesamt durchfließende Luftmenge bei allen Belastungen der Gasturbine unverändert bleiben. Die sehr engen Zündgrenzen des Methans, außerhalb deren ein Gemisch von Gas und Luft nicht mehr brennen kann, schränken den möglichen Regelungsbereich einer damit betriebenen Gasturbinenanlage stark ein. Auch betragen bei den üblichen Brennkammerabmessungen die Gasgeschwindigkeiten oft ein Vielfaches der Verbrennungsgeschwindigkeit.

Üblicherweise wird das Gas mit der Verbrennungsluft möglichst gleichmäßig vermischt, wobei die Vermischung entweder in einem Brenner vor dem Feuerraum oder aber erst im Feuerraum selbst stattfinden kann. Zur Erreichung höherer Brennraumbelastung wird sehr oft die Turbulenz des Gas-Luft-Gemisches künstlich erhöht, z. B. durch Erzeugung einer Wirbel-Strömung im Brennraum der Brennkammer mit Hilfe eines sogenannten Drallkörpers, von welchem die Verbrennungsluft beim Eintritt in den Brennraum verwirbelt wird. Wenn immer möglich, werden bei Änderungen der Belastung der Gasturbinenanlage die Gasmenge und die Luftmenge gleichzeitig geregelt, so daß das Mischungsverhältnis (Luftüberschuß) ungefähr konstant bleibt.

Mit den bekannten Hilfsmitteln zur Verbesserung der Verbrennung war es bisher nicht möglich, in Gasturbinenbrennkammern mit konstantem Luftdurchsatz bei Teillasten eine stabile Flamme zu erhalten. Schon vor dem Erreichen der Zündgrenze traten Vibrationen der Flamme (Instabilitäten) auf, die sich in der ganzen am Verbrennungsprozeß beteiligten Luft- .und Gassäule fortpflanzten. Danach wurde, wie bereits erwähnt, der Regelungsbereich der Anlage stark eingeschränkt.

Es sind bereits Gasbrenner und Dampfbrenner für die verschiedenartigsten Zwecke, vornehmlich solche mit verhältnismäßig kleinen Abmessungen bekanntgeworden. Es gibt solche Brenner mit besonderer Zündbrennkammer und Brenner ohne eine solche. So ist z. B. ein Mischgasbrenner beschrieben worden, bei welchem das Gas entgegengesetzt zur Luftströmung in eine die Luftdüse umgebende weite Gasstaukammer gelangt, aus der es durch die Luftdüse angesaugt wird und zusammen mit der Luft in einen durch die erste Gasstaukammer hindurchgeführten Kanal eintritt, Gasbrenner,

vorzugsweise für Brennkammern
von Gasturbinen

Anmelder:

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
Baden (Schweiz)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 15. August 1952

Wolf gang Gähwyler, Zürich (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

welcher das Luft-Gas-Gemisch der Mischkammer zuführt.

Bei einem anderen bekannten Brenner handelt es sich um einen Blaubrenner für flüssige Brennstoffe zur Erzeugung einer heizkräftigen, gebläseartig wirkenden Flamme, bei welchem von dem unter erhöhtem Druck in das Mischrohr tretenden, mit Luft reichlich vermengten Brennstoffdampfstrahl an der Peripherie oder einem Teil derselben Gas abgefangen und seitlich abgeleitet wird. Diese abgefangene Dampfluftmenge wird zu einer Flamme geformt, welche den mit unverminderter Geschwindigkeit aus dem Mischrohr austretenden Brennstoffdampfstrahl ständig entzündet.

Schließlich sei als letztes Beispiel ein als Tafelbrenner ausgebildeter und als Ofeneinsatz anzuwendender Gasbrenner genannt, der wie die vorerwähnten Brenner die Verwendung eines vorbereiteten Gas-Luft-Gemisches verlangt und nicht in weiten Grenzen regulierbar ist, auch wenn eine gewisse Ejektorwirkung des Gases eine beschränkte Regelung der Luftmenge bewirkt.

Bei Gasbrennern für die Brennkammern von Gasturbinen ist es vorteilhaft, von der Vormischung von Gas und Luft abzusehen, um das Zurückschlagen der Flamme mit Sicherheit zu vermeiden. In einem geschlossenen (Überdruck-) Brennraum, wie eine solche Brennkammer ihn darstellt, ist eine Kontrolle, ob die Vormischung das richtige Verhältnis hat, nicht so leicht möglich wie bei einer offenen Brennflamme, so

■^;;*^? 909 580/182

Claims (2)

daß es auch deswegen vorteilhaft ist, keine Vormischung anzuwenden. Der Gasbrenner nach der Erfindung ist nun so gebaut, daß die Nachteile der bisher bekanntgewordenen Gasbrenner für Brennkammern von Gasturbinen vermieden werden. Er ist in bekannter Weise mit einer achsgleich um die zentrale Brenngasdüse herum angeordneten Zündbrennkammer ausgestatet und im übrigen dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngasdüse eine radial nach außen gerichteten Ringspalt aufweist, so daß durch das quer zu der Luftströmung in diese eindringende Gas ein Mischvorgang im Bereich der aus der Zündbrennkammer austretenden Zündflamme bewirkt wird, der nicht aus dem Wirkungsbereich der Zündflamme verschleppt wird. Es ist ferner auch vorteilhaft, den Gasbrenner mit einem in an sich bekannter Weise ebenfalls- achsgleich um die Brenngasdüse herum angeordneten Drallkörper zu versehen, der die am Brennerumfang axial zuströmende Luft in Wirbelung versetzt, die der Verschleppung des Mischvorganges aus dem Wirkungsbereich der Zündflamme zusätzlich entgegenwirkt. Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gasbrenners nach der Erfindung. Der dargestellte Brenner ist am oberen Ende einer vertikal aufgestellten, doppelwandigen Brennkammer angeordnet, deren Teile nur so weit gezeigt werden, als für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. 1 ist der Außenmantel, 2 der Innenmantel (Flammrohr) der Brennkammer. Die in ihrer Mittelachse angeordnete Brenngasdüse 3 hat einen radial nach außen gerichteten Ringspalt 4 für das Brenngas, das durch den Stutzen 5 · zugeführt wird. Das Gas strömt mit großer, entsprechend der Gasmenge veränderlicher Geschwindigkeit aus dem Ringspalt 4 aus und trifft ungefähr senkrecht auf die durch den Drallkörper 6 strömende Verbrennungsluft, die durch den Stutzen 7 in den oberen Teil der Brennkammer eingeführt worden ist. Das Gas durchdringt den aus dem Drallkörper 6 austretenden Luftstrom auf einer der Geschwindigkeit entsprechenden Tiefe, vermischt sich im durchdrungenen Raum intensiv mit der Luft und verbrennt. Das von der Vermischung erfaßte Luftvolumen ändert sich also mit der Größe der zu verbrennenden Gasmenge. Der örtliche Luftüberschuß in der Flammenzone ist deshalb kleiner als das Verhältnis der totalen Luftmenge zur totalen Gasmenge. In achsgleicher Anordnung ist um die Brenngasdüse 3 herum eine Zündbrennkammer 8 angebracht, in welcher etwa 5 bis 10°/o der totalen Gasmenge bei gleichbleibender Mischung mit Luft verbrannt wird. Das Zündgas wird durch den Stutzen 9 dem Brenner zugeführt und tritt durch die Öffnungen 10 in die Zündbrennkammer ein, währenddem dieser die Verbrennungsluft durch die öffnungen 11 zugeführt wird. Die heißen Verbrennungsgase der Zündbrennkammer vermischen sich mit dem vorbeschriebenen, am Austrittsende des Drallkörpers 6 entstehenden Gemisch von Luft und Brenngas, so daß örtlich, in dieser Vermischungszone, eine hohe Temperatur herrscht, was die Verbrennungsgeschwindigkeit des Gemisches erhöht und die Zündgrenzen erweitert. Mit dem beschriebenen Gasbrenner gelingt es, ohne ίο zusätzliche, mechanische Luftregelung den Regelungsbereich von Brennkammern mit konstantem Luftdurchsatz bei einwandfreier Verbrennung beträchtlich auszuweiten, wie dies bei Gasturbinenanlagen unbedingt erforderlich ist. Er stellt eine konstruktive Lösung dar, die wesentlich einfacher und billiger ist als die bisher für diesen Zweck bekanntgewordenen Gasbrenner. Bei Anlagen, die wahlweise mit Gas -und öl betrieben werden, wird der Brenner so gebaut, daß die Gasdüse leicht durch eine ölspritzdüse ersetzt werden kann und ao der Drallkörper nicht ausgewechselt zu werden braucht. Die für die Umstellung benötigte Zeit kann auf einen Bruchteil der bei zwei verschiedenen Drallkörpern benötigten Zeit vermindert werden. Übrigens kann in der Mittelachse des beschriebenen Gasbrenners eine ölspritzdüse auch fest eingebaut werden, so daß bei gemischtem Gas- und ölbetrieb die Umstellung vom einen auf den anderen Brennstoff jederzeit ohne weiteres möglich ist. Patentansprüche:

1. Gasbrenner, vorzugsweise für Brennkammern von Gasturbinen, mit einer achsgleich um die zentrale Brenngasdüse herum angeordneten Zündbrennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngasdüse (3) einen radial nach außen gerichteten Ringspalt (4) aufweist, so daß durch das quer zu der Luftströmung in diese eindringende Gas ein Mischvorgang im Bereich der aus der Zündbrennkammer (8) austretenden Zündflamme bewirkt wird, der nicht aus dem Wirkungsbereich der Zündflamme verschleppt wird.

2. Gasbrenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen in an sich bekannter Weise ebenfalls achsgleich um die Brenngasdüse (3) herum angeordneten Drallkörper (6), der die am Brennerumfang axial zuströmende Luft in Wirbelung versetzt, die der Verschleppung des Mischvorganges aus dem Wirkungsbereich der Zündflamme zusätzlieh entgegenwirkt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 178 397, 577 854;
USA.-Patentschrift Nr. 1 922 348.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©909 580/182 7.59