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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen-Brennkammern und insbesondere auf eine Gasturbinen-Brennkammer mit Hauptbrennern zum Durchführen einer Vorgemischverbrennung.
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Hintergrund
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Eine Gasturbinen-Brennkammer, bei der eine Vorgemischverbrennung anwandt wird, ist mit einem Pilotbrenner für eine Diffusionsverbrennung zusätzlich zu Hauptbrennern für eine Vorgemischverbrennung versehen. Dies dient dazu, die Vorgemischverbrennung zu stabilisieren. Die von dem Pilotbrenner erzeugte Diffusionsflamme wird als Pilotflamme für den Hauptbrenner verwendet, um eine Vorgemischflamme zu erzeugen, wodurch die Vorgemischverbrennung stabilisiert wird. Bei einer allgemeinen Gasturbinen-Brennkammer sind Hauptbrenner um einen Pilotbrenner in regelmäßigen Abständen angeordnet.
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1 zeigt eine typische Konfiguration einer Gasturbinen-Brennkammer, bei der eine Vorgemischverbrennung angewandt wird (s. offengelegte
japanische Patentanmeldungen Nr. 2001-324144 und
2002-61841 ). Ein typischer Gasturbinenbrenner ist mit einem Pilotbrenner
1, mit mehreren um den Pilotbrenner
1 in regelmäßigen Abständen angeordneten Hauptbrennern
2 und mit einer Brennkammer-Innenverkleidung
3 versehen. Der Pilotbrenner
1 und die Hauptbrenner
2 sind in der Brennkammer-Innenverkleidung
3 aufgenommen.
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Der Pilotbrenner 1 hat eine zylindrische Brenner-Außenverkleidung 11, ein Pilot-Verwirbelungselement 12 und eine Pilotdüse 13. Die Brenner-Außenverkleidung 11 nimmt das Pilot-Verwirbelungselement 12 und die Pilotdüse 13 in sich auf. Ein Pilotkonus 14 ist mit dem vorderen Ende der Brenner-Außenverkleidung 11 verbunden. In den Pilotkonus 14 werden Brennstoff von der Pilotdüse 13 und ein Wirbelluftstrom von dem Pilot-Verwirbelungselement 12 eingeblasen, um eine Diffusionsverbrennung innerhalb und stromab des Pilotkonus 14 zu erreichen.
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Die Hauptbrenner 2 sind mit einer zylindrischen Brenner-Außenverkleidung 21, mit Haupt-Verwirbelungselementen 22 und mit einer Hauptdüse 23 versehen. 3 ist eine Schnittansicht zur detaillierten Darstellung der Konfiguration der Hauptbrenner 2. In den Brenner-Außenverkleidungen 21 sind die Haupt-Verwirbelungselemente 22 und die Hauptdüsen 23 aufgenommen. Die Hauptdüsen 23 sind mit einer Düsenstange 23a und Düsenflügeln 23b versehen. Die Düsenflügel 23b sind mit Düsenlöchern zum Einspritzen von Brennstoff 23c versehen. Verlängerungsrohre 24 sind an den Vorderenden mit den Brenner-Außenverkleidungen 21 verbunden. Wie in 2 gezeigt ist, unterscheidet sich der Querschnitt der Verlängerungsrohre 24 an den Vorderenden in der Form von dem an den Verbindungsabschnitten mit den Brenner-Außenverkleidungen 21. Der Querschnitt der Verlängerungsrohre 24 ist an den Verbindungsabschnitten mit den Brenner-Außenverkleidungen 21 kreisförmig, während sich der Querschnitt der Verlängerungsrohre 24 zum Vorderende hin kontinuierlich ändert und an den Auslässen elliptisch ist.
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Die Hauptbrenner 2 mit einer solchen Konfiguration erzeugen ein Vorgemischgas durch Mischen von Brennstoff und Luft, und spritzen das erzeugte Vorgemischgas von den Vorderenden der Verlängerungsrohre 24 ein. Genauer gesagt wird, wie in 3 gezeigt ist, der Brennstoff 23c durch die Hauptdüsen 23 in von einem Kompressor (nicht gezeigt) zugeführte Luft 2a an der stromaufwärtigen Seite der Haupt-Verwirbelungselemente 22 eingespritzt, und die Strömung der Luft 2a und des Brennstoffs 23c wird durch die Haupt-Verwirbelungselemente 22 verwirbelt. Demgemäß wird die Luft 2a mit dem Brennstoff 23c gemischt, um eine Strömung 24a des verwirbelten Vorgemischgases (Wirbelströmung) zu erzeugen. Das erzeugte Vorgemischgas wird von den Verlängerungsrohren 24 aus eingespritzt und stromab der Verlängerungsrohre 24 mittels der von dem Pilotbrenner 1 erzeugten Diffusionsflamme verbrannt, wodurch die Vorgemischverbrennung bewirkt wird.
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Infolge der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit in der Umgebung der Innenwandflächen der Verlängerungsrohre 24 kommt es leicht zu einem Flammenrückschlag bzw. einer Rückzündung (”flashback”). Um den Flammenrückschlag zu vermeiden, wird von den Verbindungsabschnitten der äußeren Verkleidungen 21 und der Verlängerungsrohre 24 flach strömende Luft (oder Schichtluft) abgezogen. Genauer gesagt werden, wie 3 zeigt, die Verlängerungsrohre 24 an der Außenseite der Brenner-Außenverkleidungen 21 so auf- bzw. eingesetzt, dass die Verlängerungsrohre 24 von den Brenner-Außenverkleidungen 21 getrennt sind. Die Trennung der Brenner-Außenverkleidungen 21 von den Verlängerungsrohren 24 wird durch Abstandhalter 25 erreicht. Wie in 4 gezeigt ist, sind die Abstandhalter 25 am Außenumfang der Brenner-Außenverkleidungen 21 in regelmäßigen Abständen angeordnet, um Zwischenräume zwischen den Brenner-Außenverkleidungen 21 und den Verlängerungsrohren 24 vorzusehen. Die Schichtluft wird über die Zwischenräume abgezogen. Die Schichtluft eliminiert den Bereich mit geringer Strömungsgeschwindigkeit in der Umgebung der Innenwandfläche der Verlängerungsrohre 24, wodurch er das Auftreten des Flammenrückschlags bzw. der Rückzündung verhindert. Die flach strömende Luft hat eine Funktion der Kühlung der Innenwandfläche der Verlängerungsrohre 24. Da die Vorgemischverbrennung stromab der Verlängerungsrohre 24 durchgeführt wird, ist es wichtig, die Verlängerungsrohre 24 zu kühlen, insbesondere die Innenwandfläche der Verlängerungsrohre 24.
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Wiederum gemäß 1 sind der Pilotbrenner 1 und die Hauptbrenner 2 an einer Basisplatte 4 durch Einsetzen der Brenner-Außenverkleidungen 11 und 21 jeweils in durch die Basisplatte 4 hindurch ausgebildete Löcher gehaltert. Genauer gesagt sind gemäß 5 ein Pilotbrenner-Halterungsloch 5 und Hauptbrenner-Halterungslöcher 6 durch die Basisplatte 4 ausgebildet, um die Brenner-Außenverkleidungen 11 und 21 zu haltern. Die Brenner-Außenverkleidung 11 des Pilotbrenners 1 wird in das Pilotbrenner-Halterungsloch 5 eingesetzt, und die Brenner-Außenverkleidungen 21 der Hauptbrenner 2 werden in die Hauptbrenner-Halterungslöcher 6 eingesetzt. Der Pilotkonus 14 des Pilotbrenners 1 und die Verlängerungsrohre 24 der Hauptbrenner 2 befinden sich stromab der Basisplatte 4.
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Zusätzlich sind durch die Basisplatte 4 eine Menge Spülluftlöcher 7 (”sweep air holes”) ausgebildet; es ist anzumerken, dass nur einige der Spülluftlöcher 7 gezeigt sind. Die Spülluftlöcher 7 ermöglichen ein Durchströmen von Luft von dem Kompressor (nicht gezeigt) zwischen dem Pilotbrenner 1 und dem Hauptbrenner 2 zur stromabwärtigen Seite.
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In der Gasturbinen-Brennkammer mit einer solchen Konfiguration ist es von entscheidender Bedeutung, einen Flammenrückschlag bzw. eine Rückzündung (”backfire”; ”flashback”) der Hauptbrenner zu vermeiden. Da der Flammenrückschlag ein Ausbrennen der Brennkammer verursacht, muß der Flammenrückschlag möglichst vermieden werden.
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Die Erfinder sind der Meinung, dass die folgenden drei Faktoren den Flammenrückschlag bei der herkömmlichen Gasturbinen-Brennkammer verursachen. Wie in 6 gezeigt ist, besteht ein erster Faktor darin, dass bei der herkömmlichen Gasturbinen-Brennkammer, die mit den Verlängerungsrohren 24 mit den elliptischen Auslässen versehen ist, leicht Bereiche 26 mit geringer Strömungsgeschwindigkeit entstehen, in denen das Vorgemischgas mit niedriger Geschwindigkeit strömt. Bei der herkömmlichen Gasturbinen-Brennkammer tendiert das Vorgemischgas dazu, in dem Bereich stromab der Verlängerungsrohre 24 sowie zwischen zwei benachbarten Verlängerungsrohren 24 und dem Pilotkonus 14 und in den Bereich zwischen den beiden benachbarten Verlängerungsrohren 24 und der Brennkammer-Innenverkleidung 3 mit niedriger Geschwindigkeit zu strömen, so dass in diesen Bereichen leicht Bereiche 26 mit niedriger Geschwindigkeit auftreten. Die Entstehung der Bereiche 26 mit niedriger Geschwindigkeit führt zum Zurückweichen der Flamme in die Verlängerungsrohre 24 und damit zum Auftreten des Flammenrückschlags.
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Wie in 7 gezeigt ist, besteht ein zweiter Faktor darin, dass Wirbelschleppen 25a (”wakes”) (oder stromabwärtige Wirbelströme) stromabwärts der Abstandhalter 25 erzeugt werden, die zwischen den Brenner-Außenverkleidungen 21 und den Verlängerungsrohren 24 vorgesehen sind. Ein zwischen den Brenner-Außenverkleidungen 21 und den Verlängerungsrohren 24 hindurchströmender Luftstrom erzeugt die Wirbelschleppen 25a an der stromabwärtigen Seite der Abstandhalter 25. Die Wirbelschleppen 25a begünstigen das Auftreten des Flammenrückschlags.
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Wie in 3 gezeigt ist, besteht ein dritter Faktor darin, dass stromab des Vorderendes der Hauptdüsen 23 leicht Wirbelzentren 24b von Wirbelströmen erzeugt werden. Da das Vorgemischgas an den Wirbelzentren 24b mit geringer Geschwindigkeit strömt, führt die Erzeugung der Wirbelzentren 24b zum Auftreten des Flammenrückschlags. Der Flammenrückschlag läßt eine Flamme am Vorderende der Hauptdüsen 23 entstehen, was zum Ausbrennen der Hauptdüsen 23 führt.
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Bei diesem Hintergrund besteht ein Bedarf an einer Technik zur wirksamen Vermeidung des Auftretens des Flammenrückschlags.
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Aus der
US 6772594 B2 ist eine Gasturbinen-Brennkammer bekannt mit einem Pilotbrenner und mehreren Hauptbrennern, die radial außen um den Pilotbrenner herum angeordnet sind. Jeder der Hauptbrenner weist ein an einem stromabwärtigen Ende des Hauptbrenners vorgesehenes Verlängerungsrohr auf. In einer Ausführungsform weist der Auslaß der jeweiligen Verlängerungsrohre zwei radiale Seitenränder sowie die radialen Seitenränder verbindende Umfangsränder und abgerundete Übergangsbereiche zwischen den Seiten- und Umfangsrändern auf. In einer anderen Ausführungsform ist der Auslaß der jeweiligen Verlängerungsrohre zu einer Ellipse verformt, deren Hauptachse jeweils senkrecht zur Radialrichtung ausgerichtet ist.
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Aus der
US 5359847 A und der
WO 199840670 A1 sind weitere Gasturbinen-Brennkammern bekannt mit einem Pilotbrenner und mehreren Hauptbrennern, die radial außen um den Pilotbrenner herum angeordnet sind und an dem stromabwärtigen Ende jeweils ein Verlängerungsrohr aufweisen, dessen Auslaß abweichend von einer Kreisform geformt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Zusammenfassend gesagt ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Technik zur wirksamen Vermeidung des Auftretens des Flammenrückschlags bereitzustellen.
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Genauer gesagt besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, das Auftreten eines Bereichs mit geringer Strömungsrate zu verhindern, in dem das Vorgemischgas mit niedriger Geschwindigkeit strömt, wodurch das Auftreten des Flammenrückschlags vermieden wird.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Wirbelschleppen zu vermeiden, die sich stromab von an der Brenner-Außenverkleidung und am Verlängerungsrohr vorgesehenen Abstandhaltern bilden, wodurch das Auftreten des Flammenrückschlags vermieden wird.
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Erfindungsgemäß wird eine Gasturbinen-Brennkammer in Vorschlag gebracht mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 7. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung kann das Auftreten des Flammenrückschlags vermieden werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Konfiguration des Querschnitts einer herkömmlichen Brennkammer,
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2 eine schematische Darstellung der Konfiguration der herkömmlichen Brennkammer, von einer stromabwärtigen Seite aus betrachtet,
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3 eine schematische Darstellung der Konfiguration eines Hauptbrenners der herkömmlichen Brennkammer,
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4 eine Schnittansicht zur Darstellung der Konfiguration eines Verbindungsabschnitts einer Brenner-Außenverkleidung und eines Verlängerungsrohrs des Hauptbrenners bei der herkömmlichen Brennkammer,
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5 eine schematische Darstellung der Konfiguration einer Basisplatte zum Haltern eines Pilotbrenners und von Hauptbrennern bei der herkömmlichen Brennkammer,
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6 eine Ansicht zur Erklärung von Bereichen mit geringer Strömungsgeschwindigkeit, die bei der herkömmlichen Brennkammer leicht entstehen,
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7 eine Ansicht zur Erläuterung von Wirbelschleppen, die stromab der an dem Verbindungsabschnitt der Brennkammer-Außenverkleidung und des Verlängerungsrohrs vorgesehenen Abstandhalter entstehen,
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8 eine Darstellung der Konfiguration von Verlängerungsrohren einer Brennkammer gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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9 eine Darstellung einer bevorzugten Konfiguration der Verlängerungsrohre der Brennkammer gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
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10 eine Darstellung der Anordnung von Spülluftlöchern, die durch eine Basisplatte der Brennkammer hindurch ausgebildet sind, gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
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11A eine Darstellung einer bevorzugten Wirbelrichtung von durch die Basisplatte der Brennkammer gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung erzeugter Spülluft,
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11B eine Darstellung einer bevorzugten Form der Spülluftlöcher,
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12 eine Darstellung einer weiteren Konfiguration der Verlängerungsrohre der Brennkammer gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
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13A eine Schnittansicht der Konfiguration eines Verbindungsabschnitts der Brenner-Außenverkleidung und des Verlängerungsrohrs gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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13B eine Darstellung der Konfiguration eines Querschnitts eines Abstandhalters, der am Verbindungsabschnitt der Brenner-Außenverkleidung und des Verlängerungsrohrs vorgesehen ist, gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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14A eine Darstellung einer weiteren Konfiguration des am Verbindungsabschnitt der Brenner-Außenverkleidung und des Verlängerungsrohrs vorgesehenen Abstandhalters gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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14B eine Darstellung der Konfiguration eines Querschnitts des in 14A gezeigten Abstandhalters,
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15A eine Ansicht, die eine weitere Konfiguration des am Verbindungsabschnitt der Brenner-Außenverkleidung und des Verlängerungsrohrs vorgesehenen Abstandhalters gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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15B eine Darstellung der Konfiguration eines Querschnitts des in 15A gezeigten Abstandhalters,
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16A eine Schnittansicht einer weiteren Konfiguration des Verbindungsabschnitts der Brenner-Außenverkleidung und des Verlängerungsrohrs gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
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16B eine Schnittansicht einer bevorzugteren Konfiguration des Verbindungsabschnitts der Brenner-Außenverkleidung und des Verlängerungsrohrs gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Beste Ausführungsform der Erfindung
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Im folgenden werden Gasturbinen-Brennkammern gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind gleiche, ähnliche oder entsprechende Elemente durch gleiche oder entsprechende Bezugsziffern bezeichnet.
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[Erste Ausführungsform]
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In einer ersten Ausführungsform der Gasturbinen-Brennkammer gemäß der Erfindung, wie sie in 8 gezeigt ist, wird die Entstehung von Bereichen 26 mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit, wie sie in 6 gezeigt sind, durch Verwenden von Verlängerungsrohren 24A vermieden, die jeweils einen im wesentlichen rechteckigen, nichtelliptischen Auslaß haben. Im einzelnen hat der Auslaß jedes Verlängerungsrohrs 24A radiale Ränder 31 und 32, die sich in der Radialrichtung der Brennkammer erstrecken, und Umfangsränder 33 und 34, die den radialen Rand 31 mit dem radialen Rand 32 verbinden. Die Umfangsränder 33 und 34 können gekrümmt sein, genauer gesagt jeweils ein Abschnitt eines konzentrischen Kreises sein. Die Umfangsränder 33 und 34 können stattdessen auch gerade sein.
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Die Tatsache, dass sich die radialen Ränder 31 und 32 der Auslässe der Verlängerungsrohre 24A in den Radialrichtungen der Brennkammer erstrecken, ist zum Vermeiden des Entstehens der Bereiche 26 mit geringer Strömungsgeschwindigkeit gemäß 6 wirksam. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass derart geformte Verlängerungsrohre 24A Bereiche zwischen dem Brenner-Innenrohr 3 und dem Pilotkonus 14 verkleinern, in die das Vorgemischgas aus den Verlängerungsrohren 24A nicht einströmt, d. h. Bereiche, in denen leicht die Bereiche 26 mit geringer Strömungsgeschwindigkeit entstehen. Das Vermeiden des Entstehens der Bereiche 26 mit geringer Strömungsgeschwindigkeit ist wirksam, um das Auftreten des Flammenrückschlags zu verhindern.
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Wenn der Auslaß jedes Verlängerungsrohrs 24A an seinen vier Ecken abgewinkelt ist, können Wirbelströme des Vorgemischgases an den vier Ecken entstehen, was zu dem Flammenrückschlag führt. Um das Entstehen der Wirbelströme des Vorgemischgases an den vier Ecken der Auslässe der Verlängerungsrohre 24A gemäß 9 zu vermeiden, werden die Eckabschnitte 35, welche die radialen Ränder 31 und 32 mit den Umfangsrändern 33 und 34 verbinden, vorzugsweise abgerundet. Die derart geformten Verlängerungsrohre 24A verhindern bzw. vermindern die Bildung von Wirbelströmen des Vorgemischgases an den vier Ecken und vermeiden daher den Flammenrückschlag.
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Um das Entstehen der Bereiche 26 mit geringer Strömungsgeschwindigkeit noch besser zu verhindern, ist es wirksam, eine größere Menge Spülluft zwischen den benachbarten Verlängerungsrohren 24A strömen zu lassen. Für diesen Zweck werden gemäß 10 vorzugsweise Spülluftlöcher 36 an Bereichen zwischen den Verlängerungsrohren 24A über der Basisplatte 4 verteilt vorgesehen. In 10 sind die Bereiche, die den Auslässen der Verlängerungsrohre 24A entsprechen, durch unterbrochene Linien 37 angegeben, und der dem Auslaß des Pilotkonus 14 entsprechende Bereich ist durch eine unterbrochene Linie 38 angegeben. Das Vorsehen einer Vielzahl von Spülluftlöchern 36 in den Bereichen zwischen den Verlängerungsrohren 24A durch die Basisplatte 4 hindurch ermöglicht es, dass mehr Spülluft zwischen den Verlängerungsrohren 24A strömt, wodurch das Entstehen der Bereiche 26 mit geringer Strömungsgeschwindigkeit vermieden wird.
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Es ist anzumerken, dass die Tatsache, dass die Spülluftlöcher 36 in den Bereichen zwischen den Verlängerungsrohren 24A vorgesehen werden, nicht ausschließt, dass die Spülluftlöcher 7 auch an anderen Positionen durch die Basisplatte 4 vorgesehen werden; zur Vermeidung eines Flammenrückschlags ist es wirksam, die Spülluftlöcher 7 (auch) an anderen Positionen durch die Basisplatte 4 vorzusehen. Das Öffnungsverhältnis der Spülluftlöcher 36, die zwischen den Verlängerungsrohren 24A vorgesehen sind, wird größer gestaltet als das der Spülluftlöcher 7 an anderen Positionen. Hierbei bezieht sich das Öffnungsverhältnis auf einen Bereich bzw. eine Fläche, an dem/der die Spülluftlöcher 36 oder die Spülluftlöcher 7 pro Flächeneinheit geöffnet sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Öffnungsverhältnis in den Bereichen zwischen den Verlängerungsrohren 24A größer gewählt als das Öffnungsverhältnis an den anderen Abschnitten, indem der Durchmesser der Spülluftlöcher 36 größer gewählt wird als der der Spülluftlöcher 7. Vorzugsweise wird auch die Dichte, mit der die Spülluftlöcher 36 in den Bereichen zwischen den Verlängerungsrohren 24A ausgebildet sind, größer gewählt als die Dichte, mit der die Spülluftlöcher 7 an anderen Positionen vorgesehen sind. Es ist hier anzumerken, dass die Dichte, mit der die Spülluftlöcher 36 oder die Spülluftlöcher 7 ausgebildet sind, sich auf die Anzahl der Spülluftlöcher 36 oder der Spülluftlöcher 7 pro Flächeneinheit bezieht.
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Um den Flammenrückschlag noch besser zu verhindern, ist vorzugsweise das Öffnungsverhältnis der Spülluftlöcher 36 in Bereichen 39 zwischen den Verlängerungsrohren 24A und an der Innenseite der Verlängerungsrohre 24A in bezug auf die Radialrichtung (d. h. die Seite des Pilotkonus 14) größer als das Öffnungsverhältnis an anderen Positionen. Das größere Öffnungsverhältnis in den Bereichen 39 führt zur Steigerung der Spülluftmenge zwischen den Verlängerungsrohren 24A und in der Umgebung des Pilotkonus 14. Hierdurch wird der Flammenrückschlag bzw. die Rückzündung, der/die aufgrund eines Flammenüberschlags von der durch den Pilotbrenner 1 erzeugten Diffusionsflamme auf die von den Hauptbrennern 2 erzeugte Vorgemischflamme entsteht, wirksam verhindert.
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Vorzugsweise wird eine Strömung der von den Spülluftlöchern 36 und den Spülluftlöchern 7 eingeleiteten Spülluft in der gleichen Richtung verwirbelt wie der Wirbelstrom des von den Verlängerungsrohren 24 eingespritzten Vorgemischgases. Es ist anzumerken, dass in 11 Pfeile 40 die Wirbelrichtung des Vorgemischgases angeben, und den Spülluftlöchern 36 und den Spülluftlöchern 7 zugeordnete Pfeile die Einblasrichtung der Spülluft angeben. Dies dient dazu, ein Vermischen des von den Verlängerungsrohren 24 eingespritzten Vorgemischgases und der Spülluft zu vermeiden. Wenn das von den Verlängerungsrohren 24 eingespritzte Vorgemischgas mit der von den Spülluftlöchern 36 und den Spülluftlöchern 7 eingeleiteten Spülluft gemischt wird, strömt das Vorgemischgas mit geringer Geschwindigkeit in einem Bereich, in dem das Vorgemischgas mit der Spülluft gemischt wird. Nachteiligerweise kann das Vermischen des Vorgemischgases und der Spülluft den Flammenrückschlag begünstigen. Durch Verwirbeln der Spülluft und des Vorgemischgases in der gleichen Richtung wird das Vermischen der Spülluft und des Vorgemischgases vermieden.
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Um die Spülluft und das Vorgemischgas in der gleichen Richtung zu verwirbeln, wie in 11B gezeigt ist, werden die Spülluftlöcher 36 und die Spülluftlöcher 7 vorzugsweise diagonal in bezug auf die Oberfläche der Basisplatte 4 ausgebildet. Dies ermöglicht eine Verwirbelung der Spülluft mit einer einfachen Konfiguration.
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12 zeigt eine weitere Konfiguration der Gasturbinen-Brennkammer, die zum Vermeiden der Entstehung der Bereiche 26 mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit gemäß 6 bevorzugt ist. Bei der Gasturbinen-Brennkammer in 12 sind die Auslässe der Verlängerungsrohre 24B so verlängert, dass sie sich in einer bestimmten Richtung (der Longitudinalrichtung) erstrecken, und die Longitudinalrichtung der Auslässe der Verlängerungsrohre 24B ist diagonal in bezug auf die Radialrichtung der Gasturbinen-Brennkammer ausgerichtet. In dieser Ausführungsform sind die Auslässe der Verlängerungsrohre 24B elliptisch, und die Verlängerungsrohre 24B sind diagonal in bezug auf die Radialrichtung positioniert. Genauer gesagt sind die Hauptachsen 24c der Auslässe der Verlängerungsrohre 24B diagonal in bezug auf die Radialrichtung der Brennkammer ausgerichtet. Mit anderen Worten sind die Verlängerungsrohre 24B so positioniert, dass ein zwischen den Hauptachsen 24c und der Radialrichtung der Brennkammer gebildeter Winkel θ nicht 90° beträgt. Eine solche Anordnung vermeidet den Flammenrückschlag, verkleinert den Bereich eines Raums zwischen der Brennkammer-Innenverkleidung 3 und dem Pilotkonus 14, in den das Vorgemischgas aus den Verlängerungsrohren 24A nicht strömt, d. h. dem Bereich, in dem leicht die Bereiche 26 geringer Strömungsgeschwindigkeit entstehen.
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[Zweite Ausführungsform]
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In einer zweiten Ausführungsform wird eine Technik zum Verhindern des durch die von den Abstandhaltern 25, die die Brenner-Außenverkleidungen 21 von den Verbindungsrohren 24 der Hauptbrenner 2 trennen, erzeugten Wirbelschleppen verursachten Flammenrückschlags bereitgestellt (s. 7).
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Gemäß den 13A und 13B sind in der zweiten Ausführungsform die Brenner-Außenverkleidungen 21 von den Verlängerungsrohren 24 durch die Abstandhalter 25A getrennt. Wie in 13B gezeigt ist, haben die Abstandhalter 25A jeweils einen flügelartigen Querschnitt. Mit anderen Worten ist jeder Abstandhalter 25A so ausgebildet, dass der Querschnitt nach unten zur stromabwärtigen Seite der Luftströmung konisch verjüngt ist. Dies verhindert eine Bildung von Wirbelschleppen (”wakes”) stromab der Abstandhalter 25A, wodurch das Auftreten des Flammenrückschlags vermieden wird.
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Wie in den 14A und 14B gezeigt ist, wird bevorzugt auch ein ringförmiger Abstandhalter 25B mit einer Menge Löchern 41 verwendet, um den von der stromab der Abstandhalter entstehenden Wirbelschleppe verursachten Flammenrückschlag zu vermeiden. Die Löcher 41 sind jeweils so geformt, dass der Durchmesser des Auslasses größer ist als der des Einlasses, d. h. dass der Durchmesser zu der stromabwärtigen Seite hin zunimmt. Ein Durchführen von Schichtluft durch die so geformten Löcher 41 vermeidet ein Entstehen von Wirbelschleppen stromab der Abstandhalter 25B, wodurch das Auftreten des Flammenrückschlags vermieden wird.
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Wie in den 15A und 15B gezeigt ist, wird bevorzugt ein aus einem porösen Körper gebildeter Abstandhalter 25C zur Trennung der Brenner-Außenverkleidungen 21 von den Verlängerungsrohren 24 verwendet. Durch den porösen Abstandhalter 25C strömende Luft wird als Luftschicht verwendet, die entlang den Innenflächen der Verlängerungsrohre 24 strömt. Der Abstandhalter 25C ist typischerweise aus geschäumten Metall oder Sintermetall gebildet.
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Ferner ist es auch bevorzugt, dass die Brenner-Außenverkleidungen 21 mit den Verlängerungsrohren 24 in Eingriff stehen, wie in 16A gezeigt ist. Im einzelnen sind Vorderendabschnitte 21b mit einem kleineren Außendurchmesser als die Außenverkleidungskörper 21a an den stromabwärtigen Enden der Außenverkleidungskörper 21a der Brenner-Außenverkleidungen 21 vorgesehen. Die Verlängerungsrohre 24 sind an den bzw. auf die Brenner-Außenverkleidungen 21 so ein- bzw. aufgesetzt, dass sie mit den Außenflächen der Außenverkleidungskörper 21a in Kontakt kommen (nicht mit den Vorderendabschnitten 21b der Brenner-Außenverkleidungen 21). Die Vorderendabschnitte 21b der Brenner-Außenverkleidungen 21 sind gegenüber den Innenflächen der Verlängerungsrohre 24 ausgebildet. Öffnungen 24d sind in Bereichen der Verlängerungsrohre 24, die den Vorderendabschnitten 21b gegenüberliegen, ausgebildet. Luft zum Kühlen der Schicht der Innenflächen der Verlängerungsrohre 24 wird durch die Öffnungen 24d geführt. Die Öffnungen 24d sind in der Umfangsrichtung der Verlängerungsrohre 24 in regelmäßigen Abständen angeordnet. Mehrere Reihen von Öffnungen 24d können in der Axialrichtung der Brennkammer ausgerichtet sein. Bezüglich der Eingriffskonfiguration gemäß 16A sind zwei Reihen von Öffnungen 24d vorgesehen. Die durch die Öffnungen 24d aufgenommene Luft wird von den Vorderendabschnitten 21b der Brenner-Außenverkleidungen 21 stromabwärts geleitet und strömt entlang den Innenflächen der Verlängerungsrohre 24.
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Die in 16A dargestellte Eingriffskonfiguration eliminiert die Notwendigkeit, Abstandhalter zum Trennen der Brenner-Außenverkleidungen 21 von den Verlängerungsrohren 24 vorzusehen und löst dadurch das Problem im Zusammenhang mit den stromab der Abstandhalter entstehenden Wirbelschleppen.
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Vorzugsweise sind die an der stromabwärtigsten Position gelegenen Öffnungen 24d so positioniert, dass sie die folgende Gleichung erfüllen: L/g > 2, (1) wobei g eine radiale Breite bzw Weite eines Zwischenraums zwischen den Vorderendabschnitten 21b und den Verlängerungsrohren 24 ist, und L ein Abstand zwischen den stromabwärtigen Enden der an der stromabwärtigsten Position gelegenen Öffnungen 24d und den Vorderenden der Vorderendabschnitte 21b in der Richtung entlang den Verlängerungsrohren 24 ist. Um genügend Luft zur Schichtkühlung durch die Öffnungen 24d zu führen, ist es effektiv, die Öffnungen 24d so zu positionieren, dass sie die Gleichung (1) erfüllen.
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Um genügend Luft zur Schichtkühlung durch die Öffnungen 24d zu führen, wie 16B zeigt, wird vorzugsweise auch eine Führung 24e für jedes Verlängerungsrohr 24 vorgesehen. Die Führung 24e hat einen gegenüberliegenden Abschnitt 24f, welcher dem Abschnitt des Verlängerungsrohrs 24, an dem die Öffnungen 24d ausgebildet sind, gegenüberliegt, sowie einen Verbindungsabschnitt 24g, der mit der Außenfläche des Verlängerungsrohrs 24 verbunden ist. Der Verbindungsabschnitt 24g ist mit dem Verlängerungsrohr 24 stromab der Positionen verbunden, an denen die Öffnungen 24d ausgebildet sind. Das stromaufwärtige Ende des gegenüberliegenden Abschnitts 24f hat einen größeren Durchmesser. Die auf diese Weise geformte Führung 24e kann Luft in die Öffnungen 24d einleiten, wodurch genügend Luft zur Erzeugung von Schichtluft über die Öffnungen 24d geführt werden kann.
