DE1201122B - Flammenzuendeinrichtung fuer die Brennkammer einer Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer: Aktenzeichen: Anmeldetag: Auslegetag:

F02c

Deutsche KL: 46f-13

1201122
G 28739 I a/46 f
2. Januar 1960
16. September 1965

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flammenzündeinrichtung für die Brennkammer einer Gasturbinenanlage.

Es ist bekannt, bei Gasturbinenanlagen mit mehreren Flammrohren, von denen jedes einen eigenen getrennten Auslaß hat, zu deren Zündung eine einzige Zündvorrichtung zu benutzen. Diese Zündvorrichtung ist in einem der Flammrohre angeordnet, und die Flammrohre sind untereinander verbunden, so daß nach der Zündung des Gemisches in dem Flammrohr mit der Zündvorrichtung die Flamme aus diesem Flammrohr zu den anderen Flammrohren weitergeleitet wird und sodann die Zündung des Gemisches in den anderen Flammrohren bewirkt. Die vorstehende bekannte Lösung der Zündung ist für Gasturbinen mit mehreren Flammrohren, die in einem gemeinsamen Speicherraum angeordnet sind und somit in einen gemeinsamen Auslaß ausstoßen, nicht zweckdienlich.

Es sind ferner Zündeinrichtungen in Form von Zündzylindern bekannt, die Lufteinlaßlöcher, mindestens eine Brennstoffdüse, eine drallerzeugende Luftleitvorrichtung zwischen den Luftlöchern und der Brennstoffdüsenmündung und eine Gemischzündeinrichtung aufweisen und zufolge ihrer besonderen Konstruktion eine stabil brennende Flamme zu erzeugen vermögen. Solche Zündzylinder sind bisher im Zusammenhang mit Nachbrennvorrichtungen für Strahltriebwerke bekanntgeworden, bei denen sie im Strahlrohr hinter der Stelle, an der der Brennstoff für die Nachverbrennung in das Strahlrohr eingespritzt wird, eine Zündflamme erzeugen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Flammenzündeinrichtung für die Brennkammer einer Gasturbinenanlage zu schaffen, bei der in einem Speicherraum mehrere Flammrohre und ein einziger Zündzylinder angeordnet sind, der Lufteinlaßlöcher, mindestens eine Brennstoffdüse, eine drallerzeugende Luftleitvorrichtung zwischen den Luftlöchern und der Brennstoffdüsenmündung und eine Gemischzündeinrichtung aufweist, wobei diese Flammenzündeinrichtung abweichend von der vorstehenden bekannten Lösung für die Zündung der Flammrohre einer Gasturbinenanlage mit mehreren solchen Rohren die gleichzeitige Zündung der verschiedenen Rohre bewirken soll.

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zündzylinder mit den Flammrohren über jeweils mindestens ein Flammenleitrohr verbunden ist, das tangential zu dessen Innenwand gerichtete Luftzufuhrdüsen aufweist.

Bei der erfindungsgemäßen Flammenzündeinrich-Flammenzündeinrichtung für die Brennkammer
einer Gasturbinenanlage

Anmelder:

General Electric Company, New York, N.Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz und Dr. rer. nat. G. Hauser,

Patentanwälte,

München-Pasing, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:

Robert George van Wie,

Jacob Burnell Gatzemeyer, Schenectady, N.Y.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 2. Januar 1959 (784 642)

tung wird die von dem Zündzylinder erzeugte Flamme durch die Flammenleitrohre gleichzeitig den verschiedenen Flammrohren zugeführt und zündet dort etwa zum gleichen Zeitpunkt das den Flammrohren zugeführte Brennstoff-Luft-Gemisch. Die Zündflamme wird also unabhängig von den Flammrohren erzeugt.

In der Regel ist es aus Gründen des gewünschten räumlich gedrängten Aufbaues nicht möglich, den Zündzylinder so anzuordnen und die Flammenleitrohre so zu führen, daß sich die den Zündzylinder verlassende Flamme in der Richtung, in der sie aus dem letzteren austritt, geradlinig fortpflanzt und dann an der richtigen Stelle in die Flammrohre eintritt. Sie muß vielmehr durch die Flammenleitrohre gewöhnlich vom Zündzylinder weg zu den Flammrohren hin umgelenkt werden, wodurch der die stabile Verbrennung der Zündflamme gewährleistende Drall, der dem die Zündflamme unterhaltenden Brennstoff-Luft-Gemisch in dem Zündzylinder erteilt worden ist, teilweise verlorengeht. Diesen Drallverlust kompensiert das obengenannte weitere erfindungsgemäße Merkmal, daß jedes Flammenleitrohr tangential zu seiner Innenwand gerichtete Luftzufuhrdüsen aufweist. Ohne diese letztgenannte erfindungsgemäße Maßnahme bestünde die Gefahr, daß insbesondere bei Umlenkungen die Zündflamme in den Flammen-

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leitrohren nicht stabil genug brennt und bereits vor den Flammrohren in den Flammenleitrohren endet. Die tangential zu der Innenwand gerichteten Luftzufuhrdüsen in den Flammenleitrohren gewährleisten außerdem, daß der für die Unterhaltung der Zündflamme nötige Sauerstoff nicht bereits in den Flammenleitrohren vollständig aufgebraucht ist und infolge des damit verbundenen Erlöschens der Zündflamme vor den Flammrohren mir noch heiße Gase in diese eintreten.

Vorzugsweise werden dem Zündzylinder der Brennstoff im wesentlichen zentral in Achsrichtung und die Luft vom Umfang her zugeführt, wobei der Brennstofffluß und die Luftzufuhr derart eingestellt sind, daß ein übersattes Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung zeigt die Zeichnung, und zwar ist

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer mit der erfindungsgemäßen Flammenzündeinrichtung ausgestatteten Brennkammer,

Fig. 2 eine Stirnansicht der Brennkammer gemäß Fig. 1,

F i g. 3 eine Seitenansicht eines der mit der Zündvorrichtung verwendeten Flammenleitrohrs und

F i g. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 der Fig. 3.

In der Zeichnung zeigt die F i g. 1 einen Speicherraum 1 für Verbrennungsluft, welcher durch einen Einlaß 2 von irgendeiner geeigneten Quelle her, beispielsweise von einem nichtgezeigten Kompressor, mit Luft versorgt wird. Im Speicherraum sind mehrere Flammrohre angeordnet, die durch zylindrische Rohre 3 gebildet werden. Diese Flammrohre sind, wie in F i g. 2 gezeigt, im Speicherraum gewöhnlich symmetrisch angeordnet, jedoch ist eine solche symmetrische Anordnung für die Erfindung nicht wesentlich. In der Stirnwand S jedes Flammrohrs befindet sich eine Brennstoffdüse 4. Für die Zufuhr des Hauptbrennstoffs zu den Flammrohren können die üblichen Brennstoffdüsen verwendet werden.

In der Mitte des Speicherraums ist ein Zündzylinder 6 angeordnet, welcher an der Stirnwand 1 a des Speicherraums bei 7 lösbar befestigt ist. Der Zündzylinder weist nahe seiner Befestigungsstelle mehrere Löcher 8 auf, welche dazu dienen, den Zündzylinder mit Luft aus dem Speicherraum zu versorgen. Im Zündzylinder 6 befindet sich eine Brennstoffdüse 9, welche sich axial durch den Zündzylinder erstreckt. Eine zum Erzeugen von Funken geeignete Einrichtung, beispielsweise eine Zündkerze oder eine Glühkerze 10, ist ebenfalls in dem Zündzylinder untergebracht und erstreckt sich axial durch diesen hindurch. Zwischen den Luftlöchern 8 und dem Ende der Brennstoffdüse 9 sind im Zündzylinder Drallbleche 11 angeordnet, so daß der Luft, welche durch die Löcher 8 in den Zündzylinder eintritt, eine heftige Drallbewegung erteilt wird, bevor der Brennstoff aus der Brennstoffdüse 9 in die Luft eingebracht wird. Am Auslaßende des Zündzylinders 6 befindet sich eine konisch verengte Düse 12, die lösbar in ein Anschlußstück 13 übergeht.

Zur Schaffung einer Verbindung zwischen dem Zündzylinder 6 und den Flammrohren 3 wird ein besonderer Mehrfachverteiler 14 verwendet. Dieser ist mittels einer Rohrleitung 15 mit dem Anschlußstück 13 verbunden. Das Anschlußstück 13 ermöglicht das Entfernen des Zündzylinders 6 aus dem Speicherraum, während der Verteiler an Ort und Stelle belassen wird. Der Mehrfachverteiler hat mehrere sich nach außen erstreckende Teile 16, deren Zahl der Zahl der verwendeten Flammrohre ent-,spricht. Die siclunaeh außen erstreckenden Teile 16 nehmen Flammenleitrohre 17 auf. Diese verbinden den Mehrfachverteiler mit den Flammrohren und münden durch Öffnungen 18 in die letzteren.

Die F i g. 3 und 4 sind vergrößerte Ansichten der

ίο Flammenleitrohre 17. Diese weisen mehrere Düsen 19 auf, welche das brennende Gemisch mit zusätzlicher Luft versorgen, wenn dieses durch die Rohre 17 zu den Rohren 3 geleitet wird. Dies hat den Zweck, die Flammen erneut zu beleben und zu ver-

t5 stärken.

Um zu vermeiden, daß kalte Luft gegen den Mittelkern der in den Rohren befindlichen brennenden Gase gerichtet wird, was dazu führen könnte, daß die Flamme ausgelöscht wird, sind die Düsen 19, wie dies am besten der F i g. 4 zu entnehmen ist, so in die Rohre gebohrt, daß sie tangential zu deren Innenwand verlaufen. Diese tangentiale Anordnung der Düsen hat auch die Wirkung, daß die Flamme erneut belebt und verstärkt und ihre Drallbewegung

as wieder hergestellt wird. Dem Fachmann auf dem Gebiet der Strömungslehre ist es bekannt, daß eine Wirbelströmung äußerst stabil ist. Die tangential gerichteten Düsen 19 glätten daher die von der Unterteilung des Hauptstroms brennender Gase in eine Anzahl getrennter durch die entsprechenden Flammenleitrohre 17 gehender Ströme herrührende turbulente Strömung und machen diese gleichförmig. Dies erleichtert die weitere Verbrennung von unverbranntem Brennstoff durch das Einblasen zusätzlicher Verbrennungsluft durch die Düsen 19. Es ist also ersichtlich, daß die Düsen 19 zusätzlichen Sauerstoff zuführen, jegliche vorhandene Turbulenz glätten, die von der Unterteilung der von der Zündvorrichtung 6 ausgehenden Wirbelströmung in getrennte Zweigkanäle 17 herrührt, und eine glatte gleichförmige Wirbelströmung erzeugen, die von den Flammenleitrohren 17 in die entsprechenden Flammrohre 3 eingebracht wird.

Die Zündvorrichtung arbeitet wie folgt: In den Zündzylinder 6 wird durch die Löcher 8 Luft eingebracht, und dieser Luft wird bei ihrem axialen Durchgang durch den Zündzylinder durch die Drallbleche 11, kurz bevor der Brennstoff durch die Brennstoffdüse 9 in die wirbelnde Luft eingesprüht wird, eine heftige Drallbewegung erteilt. Die durch die Düse 9 eingebrachte Brennstoffmenge wird so geregelt, daß an diesem Punkt ein übersattes Gemisch gebildet wird. Dieses Gemisch wird durch die funkenerzeugende Einrichtung 10 gezündet; das wirbelnde Gemisch brennender Gase geht dann durch den konisch verengten Düsenteil 12 hindurch und gelangt in den Mehrfachverteiler 14. An diesem Punkt wird die wirbelartige Strömung brennender Gase in mehrere getrennte Ströme brennenden Gases unterteilt, von denen je einer in eines der Flammenleitrohre 17 eintritt.

Jeder dieser Teilströme brennenden Gases muß notwendigerweise umgelenkt werden — in der hier gezeigten Anordnung um 90° — damit er durch die Flammenleitrohre gegen das entsprechende Flammrohr gerichtet wird. Dieser Vorgang ist bestrebt, die Flamme zu löschen. Zur Wiederbelebung und Verstärkung der Flammen vor ihrem Eintritt in die

Flammrohre sind die zusätzlichen tangentialen Düsen 19 vorgesehen. Wenn das brennende Gemisch an den Düsen 19 vorbeistreicht, wird durch diese vom Speicherraum her Luft in dieses Gemisch eingebracht. Da das Brennstoff-Luft-Verhältnis im Zündzylinder »übersatt« war, ist in dem an den Düsen 19 vorbeistreichenden Gemisch immer noch genügend unverbrannter Brennstoff vorhanden. Die durch die tangentialen Düsen in die Rohre eingebrachte Luft verbindet sich mit dem unverbrannten Brennstoff und belebt so erneut die Flammen. Da die Luft tangential eingeführt wird, hat sie keine bemerkenswerte Tendenz, die Flammen auszulöschen; sie bewirkt deshalb weiterhin eine Wiederherstellung der oben erläuterten stabilen Wirbelbewegung.

Wenn das brennende Gemisch, welches durch die zusätzliche Luft von den Düsen 19 wiederbelebt wurde, in die Flammrohre eintritt, ist dort ein verbrennungsfähiges Gemisch vorhanden, da durch die Brennstoffdüsen 4 Brennstoff eingebracht worden ist. Dieses verbrennungsfähige Gemisch wird durch die von dem jeweiligen Flammenleitrohr kommende Flamme gezündet und so der Verbrennungsprozeß in den Hauptflammrohren der Turbine in Gang gesetzt. Im allgemeinen wird ein hochwertiger, leichtflüchtiger Brennstoff, beispielsweise Kerosin oder Dieselkraftstoff, an der Düse 9 in den Zündzylinder 6 eingebracht, da ein solcher Brennstoff verhältnismäßig leicht zündet. Für den Betrieb der Turbine wird normalerweise ein verhältnismäßig minderwertiger Treibstoff, beispielsweise ein schweres »Rückstands-Brennöl«, z. B. das als »Bunker-C-Öl« bekannte öl, verwendet. Damit wird der Vorteil erzielt, daß zum Starten ein Brennstoff verwendet werden kann, der verhältnismäßig leicht zu zünden ist und daß die Turbine gleichzeitig mit einem minderwertigeren Brennstoff arbeiten kann.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Flammenzündeinrichtung für die Brennkammer einer Gasturbinenanlage, bei der in einem Speicherraum mehrere Flammrohre und ein einziger Zündzylinder angeordnet sind, der Lufteinlaßlöcher, mindestens eine Brennstoffdüse, eine drallerzeugende Luftleitvorrichtung zwischen den Luftlöchern und der Brennstoffdüsenmündung und eine Gemisch-Zündeinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündzylinder (6) mit den Flammrohren (3) über jeweils mindestens ein Flammenleitrohr (17) verbunden ist, das tangential zu dessen Innenwand gerichtete Luftzufuhrdüsen (19) aufweist.

2. Flammenzündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündzylinder (6) in an sich bekannter Weise zentral wenigstens eine in Achsrichtung ausstoßende Brennstoffdüse (9) und in seiner Wandung Lufteinlaßlöcher (8) aufweist, wobei die Brennstoff- und Luftmengen derart eingestellt sind, daß ein übersattes Brennstoff-Luft-Gemisch entsteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 846 343;
schweizerische Patentschrift Nr.313 655;
französische Patentschrift Nr. 706 698;
britische Patentschrift Nr. 970 988.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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