-
Rohrartige Gasturbinenbrennkammer Die Erfindung bezieht sich auf eine
rohrartige Gasturbinenbrennkammer, insbesondere für Schweröl, deren rohraxial sich
erstreckender Hauptströmungsraum sich in rohraxialer Strömungsrichtung zuerst erweitert
und dann in derselben Richtung verengt, wobei dem sich erweiternden Teil Brennstoff
und Primärluft und dem sich verengenden Teil Sekundärluft zugeführt wird. Eine solche
Gasturbinenbrennkammer ist bekannt. Die Mischung der Rauchgase mit der Sekundärluft
ist notwendig für die Verbrennung und für die Abkühlung der Rauchgase auf eine für
den Gasturbinenschaufelwerkstoff zulässige Temperatur, insbesondere auf 600 bis
800° C.
-
Auch müssen die die Brennkammer verlassenden Rauchgase zwecks Vermeidung
von Korrosion, Erosion und Verschmutzung an Teilen, die der Brennkammer strömungsmäßig
nachgeschaltet sind, diesen Teilen gereinigt zuströmen. Bei den aus den Rauchgasen
zu entfernenden, unerwünschten Schwebeteilchen handelt es sich im Fall der Verbrennung
von Schweröl, schwerem Heizöl, Rückstandsöl oder Bunker-C-Öl insbesondere um Vanadiumpentoxyd-(V205)
und Natriumsulfat- (Na2S04) Teilchen. Es ist bei Gasturbinenanlagen bekannt, die
Brennkammer und den ihr nachgeschalteten Rauchgasreiniger als voneinander getrennte
Einrichtungen auszubilden. Dies ist z. B. bei einer Kohlefeuerung für Gasturbinen
der Fall, bei der eine Rauchgasfiltereinrichtung in einer Erweiterung des Rauchgasströmungskanals
quer durch diesen hindurch angeordnet ist. Dieser Kanal erstreckt sich parallel
zu der rohrförmigen Brennkammer. Sekundärluft wird einem zylindrischen Abschnitt
der Brennkammer als Brennluft und hinter der Rauchgasfiltereinrichtung einem zylindrischen
Abschnitt des Rauchgasströmungskanals als Kühlluft zugeführt.
-
Die Erfindung stellt eine sehr vorteilhafte Weiterentwicklung der
anfangs genannten Gasturbinenbrennkammer dar und besteht darin, daß dem sich erweiternden
Teil ebenfalls Sekundärluft zugeführt wird und zwischen den beiden Teilen ein Filter
quer durch den Hauptströmungsraum angeordnet ist. Auf diese Weise wird der Verbrennungsvorgang
im wesentlichen bis zum Filter zum Abschluß gebracht. Der sich erweiternde Teil
ist jetzt ein hochwirksamer Brennraum und der wesentliche Brennraum der Brennkammer;
der sich verengende Teil ist jetzt im wesentlichen ein Kühlluft-Rauchgas-Mischraum.
Dieser Brennraum, dieser Mischraum und das zwischen ihnen angeordnete Filter bilden
eine kompakte Einheit. Durch das sich an diesem Brennraum anschließende Filter ist
das Auffangen -fast der gesamten Schwebeteilchenmenge innerhalb dieser kompakten
Einheit möglich. Hinter dem Filter finden nur noch eine kleine Nachverbrennung und
im wesentlichen nur Kühlluftzumischung statt. Es wird also eine hochprozentige Filterung
und gleichzeitig eine kompakte Brennkammer erzielt. Im Fall der Verwendung genannter
billiger Öle kann durch die Reinigung der Rauchgase mittels des Filters die Rauchgas-Kühlluft-Gemischtemperatur
im Hinblick auf die genannte Korrosion usw. höher gehalten werden als bei Wegfall
einer solchen Reinigung, und zwar so hoch, wie es die Werkstoffe der genannten nachgeschalteten
Teile aushalten. Die zulässige Verbrennungstemperatur bei Verwendung von genanntem
Schweröl liegt zur Zeit bei etwa 600° C, um Beschädigungen durch Korrosion usw.
an der Beschaufelung der Gasturbine zu vermeiden. Der durch das Filter bedingte
Druckverlust ist nur auf einen Teil der Gesamtdurchsatzmenge beschränkt, da nur
ein Teil der gesamten Sekundärluftmenge dem sich erweiternden Teil, der andere Teil
der Sekundärluftmenge als Kühlluft dem sich verengenden Teil zugeführt wird, und
dazu noch durch die erfindungsgemäße Anordnung des Filters und also Anordnung desselben
am Ende des sich erweiternden Teils abnehmender Strömungsgeschwindigkeit relativ
gering. Dies und die Eröhung der genannten Gemischtemperatur bringen eine erhebliche
Steigerung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage.
-
Es ist von Vorteil, wenn dem engen Ende des sich erweiternden Teils,
also des Brennraumes, Primärluft und/oder Brennstoff mit Drall zugeführt werden
bzw. wird. Das ergibt eine sehr gute Vermischung von Brennstoff und Luft. Insbesondere
wird dabei Primärluft über eine an der Stirnseite des Brennraumes vorgesehene zentrale
Drallrose oder eine ähnliche Wirbeleinrichtung und Brennstoff über eine
von
dieser Drallrose,umgebene zentrale Düse zugeführt. Die Primärluft bewegt sich entlang
der konischen Brennraumbewandung, wobei sie diese kühlt, und dann mit der insbesondere
durch diese Bewandung hindurch zugeführten Sekundärluft zum Kern des Brennraumes.
Im Kern entsteht eine Unterdruckzone, die die turbulente Strömung zu einer Rückwärtsbewegung
zum engen Brennraunzende hin veranlaßt. Es existieren also in der Nähe der Brennraumbewandung
eine zum Filter hin gerichtete Außenströmung vorwiegend heißer Luft und eine entgegengesetzt
gerichtete Innenströmung eines Gemisches von Luft und Brennstoff, der in dieser
Innenströmung verbrennt. Diese entgegengesetzten Strömungen bewirken eine besonders
innige Vermischung infolge der entstehenden Turbulenz. Die entstehenden Rauchgase
ziehen in einer Turbulenzzone in Richtung zum Filter ab. Die Unterdruckzone und
die Rückströmung geben auch die Gewähr dafür, daß die Flamme nicht abreißt. Je größer
die Durchströmgeschwindigkeit durch die Brennkammer ist, desto größer ist der genannte
Unterdruck und desto stabiler sind die Gemischzündung und die Vorzugsweise ist der
Brennraum praktisch auf seiner gesamten axialen-Länge von einem Ringkanal umgeben,
der in bezug auf die rohraxiale $trömungsrichtung im Brennraum im Gegenstrom von
Luft durchströmt wird und aus dem diese Luft als Primär-und/oder Sekundärluft dem
Brennraum zuströmt. Die Sekundärluft wird im Gegenstrom hoch vorgewärmt, wobei die
Brennraumbewandung gekühlt wird und wodurch der Verbrennungsvorgang .begünstigt
wird. Weiterhin werden die Vermischung von Brennstoff und Luft und der Verbrennungsvorgang
dadurch begünstigt, daß die Sekundärluft über Schlitze und/oder Bohrungen in der
Brennraumbewandung dem Brennraum zugeführt wird. Der Anteil der Summe der Primärluftmenge
und der Sekundärluftmenge für den Brennraum an der die Kühlluftmenge einschließenden
Gesamtdurchsatzmenge, welcher Anteil insbesondere 20 bis 30% beträgt, hängt von
der gewünschten Betriebstemperatur der Rauchgase ab. Die in die Mischkammer eintretende
Kühlluft steht insbesondere unter einem Druck, der geringer ist als der der in den
,Brennraum eintretenden Luft. Damit zur Vermeidung von Strähnenbildung, die zur
Beschädigung von der Brennkammer nachgeschalteten Teilen führen kann, die Rauchgase
am Austritt des sich verengenden Teils, also des Mischraumes, über den Austrittsquerschnitt
gesehen überall etwa gleich niedrige Temperaturen aufweisen, ist eine sehr gute
Vermischung der heißen Rauchgase mit der Kühlluft in diesem Mischraum notwendig.
Hierzu sind Schlitze und/oder Bohrungen in der Bewandung dieses Mischraumes vorgesehen.
Die Kühlluft kann dem Mischrauen über eine Leitung zugeführt werden, die von der
für die Primärluft und/oder die Sekundärluft für den Brennraum getrennt vorgesehen
ist. Die Kühlluft wird zweckmäßigerweise dem Verbrennungsluftverdichter der Gasturbinenanlage
entnommen, und zwar insbesondere vor dessen letzter Stufe. Die Primärluft und/oder
die Sekundärluft für den Brennraum wird insbesondere der letzten Stufe dieses Verdichters
entnommen. Die Kühlluft kann aber auch dieser letzten Stufe entnommen werden, wobei
dann die Primärluft und/oder die Sekundärluft für den Brennraum durch Zusatzverdichtung
auf höheren Druck gebracht wird. Insbesondere ist der Mischrauen praktisch auf seiner
gesamten axialen Länge von einem Ringkanal umgeben, der in bezug auf die rohraxiale
Strömungsrichtung im Mischraum im Gegenstrom von Luft durchströmt wird und aus dem
diese Luft als Kühlluft dem Mischraum zuströmt. Die beiden genannten Ringkanäle
können im Gebiet des Filters miteinander in Verbindung stehen, wobei die Primärluft
und/oder die Sekundärluft für den Brennraum und die Kühlluft von demjenigen Ende
des letztgenannten Ringkanals her zugeführt wird, das im Gebiet des engen Ausströmendes
des Mischraumes liegt. Für die in diesem Absatz beschriebenen, im wesentlichen an
sich bekannten Brennkammerausbildungen wird, soweit sie in den Unteransprüchen erscheinen,
Schutz nur in Verbindung mit dem Hauptanspruch begehrt.
-
Der im Querschnitt zunehmende Brennraum erstreckt sich axial insbesondere
bis zur halben Länge der Brennkammer, während der Mischraum sich dann axial über
die andere Hälfte der Brennkammer erstreckt. Die Brennkammer gemäß der Erfindung
ist vorzugsweise eine für flüssige und gasförmige Brennstoffe. Sie ist weiterhin
insbesondere eine bauliche Einheit. Brennraum. und Mischraum sind insbesondere in
einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Die Brennkammer ist insbesondere mit einem
Wechselfilter ausgestattet. Das Filtergut kann eine Platte od. dgl, sein, es kann
aber auch »lose« oder schüttbar sein.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der rohrartigen Gasturbinenbrennkammer
gemäß der Erfindung im Längsschnitt dargestellt. Es handelt sich um eine Schwerölbrennkammer_
Ein Brennkummermante110 umschließt einen Brennraum 22 und einen Rauchgas-Kühlluft-Mischraum
23. An der Stelle 11 tritt die Gesamtluftmenge ein und strömt in den Ringkanal 12.
Aus diesem strömt ein Teil der Luft über den Ringkanal 26 bis zum Brennkammerkopf
13. Die Pfeile 29 kennzeichnen den geschilderten Strömungsweg. Die Pfeile 14 kennzeichnen
den Weg der Primärluft durch eine Drallrose 15, durch die die Primärluft in eine
rotierende Bewegung versetzt wird. Das Schweröl wird über die Düse 16 zugeführt
und vermischt sich anschließend mit der Primärluft und der über Bohrungen und Schlitze
in den Brennraum 22 tretenden Sekundärluft, die aus dem Ringkanal 26 stammt
(s. auch die Pfeile 17). Die in ihren Querschnitten kreisförmig ausgebildete Brennraumwand
18 ist konisch ausgeführt, und der Brennraum 22 hat an seinem Austritt den größten
Querschnitt 19. Dieser Querschnitt 19 ist etwa viermal so groß wie der Eintrittsquerschnitt
20 oder der Austrittsquerschnitt 30, die gleich sind. Ein enge Durchlässe aufweisendes
Filter 21, das mindestens zum Teil. aus nichtmetallischem, vorzugsweise keramischem
oder metallkeramischem Werkstoff besteht, befindet sich an der Stelle des größten
Brennraumquerschnitts 19. Dieser größte Querschritt 19 liegt etwa in der Mitte der
Brennkammer, in rohraxialer Strömungsrichtung 25 gesehen. Im Brennraum 22 vermischt
sich das Schweröl mit der Luft, wobei die Verbrennung stattfindet. Der Brennraum
22 ist also auch ein Mischraum. Die Rauchgase durchdringen das Filter 21 und werden
durch dieses Filter 21 gereinigt. Aus dem Raum 12 tritt über Bohrungen und Schlitze
in den Mischraum 23 (s. auch die Pfeile 24) Tertiärluft (Kühlluft), die der Abkühlung
der Rauchgase auf
Betriebstemperatur dient. Die gesamte Verbrennungsluft
strömt im Gegenstrom zu dem Schweröl-Luft-Gemisch und den Rauchgasen, wodurch unter
anderem eine intensive Kühlung der Brennkammer erzielt wird. Rauchgase werden über
den Austritt 28
der Brennkammer einer Gasturbine zugeleitet (s. die Pfeile
27).