DE1223197B

DE1223197B - Gasbrenner einer Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE1223197B
Application number: DES84104A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans Koch
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1963-03-07
Filing date: 1963-03-11
Publication date: 1966-08-18
Also published as: NL290637A

Description

Gasbrenner einer Gasturbinenbrennkammer Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner einer Gasturbinenkammer mit einer Mehrzahl in der Stirnwand der Brennkammer angeordneter kreisförmiger Austrittsöffnungen für Luft, die durch spaltförmige Austrittsöffnungen für Gas umgeben sind.
Der erfindungsgemäße Gasbrenner ist dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in an sich bekannter Weise durch die Stirnenden konzentrisch angeordneter Rohre gebildet sind, wobei diese Rohre um eine Länge von mindestens dem halben Durchmesser des größeren der Rohre aus der Stirnwand hervortreten.
Bei Gasbrennern von Gasturbinenbrennkammern besteht das Problem einer intensiven Vermischung der Brenngasmenge mit der viel größeren Primär-Luftmenge, um eine möglichst kurze Flamme und eine gleichmäßige Temperaturverteilung der Verbrennungsgase am Ende der Brennkammer zu erhalten. Eine lange Flamme erfordert nämlich eine großdimensionierte Brennkammer, und große Temperaturunterschiede am Austritt aus der Brennkammer gefährden durch ungleichmäßige Wärmedeformationen die Leitschaufeln der Turbine. Mit der guten Vermischung des Brenngases mit der Luft hängt auch die ebenfalls angestrebte Vollständigkeit der Verbrennung des Gases zusammen.
Bei den bekannten Gasbrennern von Gasturbinenbrennkammern wird eine gute Vermischung von Gas und Luft durch Drall oder Querbewegung des einen gegenüber dem anderen angestrebt, wobei aus den Öffnungen des Gasbrenners in die Brennkammer bereits eine Mischung von Gas und Luft eintritt. Es hat sich erwiesen, daß mit den bekannten Brennern nicht die optimalen Verhältnisse erzielbar sind.
Es ist bei Brennkammern von Öfen bekannt, in der Ofenwand eine Mehrzahl kreisförmiger Austrittsöffnungen für Luft vorzusehen, die von spaltförmigen Austrittsöffnungen für Gas umgeben sind. Bei dieser Anordnung erfolgt jedoch eine Vermischung des Gases mit der Luft bereits im Bereich der Wand der Kammer, so daß diese durch die Flamme erhitzt wird. Bei Öfen, wo diese Wand aus keramischem Material besteht, ist dieser Effekt vorteilhaft oder zumindest nicht nachteilig. Bei Brennkammern von Gasturbinen würde jedoch eine derartige Erhitzung zur raschen Vernichtung des metallischen Gasbrenners führen.
Die Erfindung hat die Schaffung eines Gasbrenners zum Ziel, welcher eine besonders gute Vermischung des Brenngases mit der primären Verbrennungsluft aufweist und demzufolge eine sehr kurze Flamme hat, wie sie bei den bekannten Brennern nicht erreichbar war. Gleichzeitig wird durch die besondere Ausbildung des Brenners dieser besser gekühlt als es bei den bisherigen Brennern möglich war.
Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Die Figur zeigt den oberen Teil der Brennkammer einer Gasturbinenanlage. Die Brennkammer weist einen äußeren Mantel 1 und einen inneren Mantel 2 auf. Der innere Mantel 2 umschließt den eigentlichen Brennraum 3. Die Stirnwand der Brennkammer wird im wesentlichen durch eine Platte 4 des Brenners gebildet, zu der eine Platte 5 parallel ist. Die beiden Platten 4 und 5 sind nach außen durch eine Wand 6 abgeschlossen und bilden einen Zwischenraum, der durch einen Ringraum zwischen Rohren 7 und 8 und einen Verteilerraum 10 an eine Rohrleitung 11 für die Gaszufuhr angeschlossen ist. In der Wand 5 sind in Öffnungen Rohrstücke 12 befestigt, welche Öffnungen in der Wand 4 durchdringen. In der Stirnwand 4 sind Rohrstücke 13 befestigt, welche die Rohre 12 umgeben und mit diesen einen ringförmigen Spalt 14 bilden. Die Rohre 12 und 13 treten aus der Stirnwand 4 um ein Maß H hervor. Zwischen den Rohrstücken 13 bzw. dem Rohr 7 und der Wand 4 befinden sich Zwischenräume 15.
Die Gaszufuhr in den Brenner erfolgt, wie bereits erwähnt, durch die Rohrleitung 11, den Verteilerraum 10, den Ringraum zwischen den Rohren 7 und 8, in den Raum zwischen den Wänden 4 und 5 und von dort durch die Zwischenräume 14 in den Brennraum 3. Die Luft wird in der Figur von unten durch den Zwischenraum zwischen den Brennkammerwänden 1 und 2 zugeführt und gelangt von dort durch das Innere der Rohre 12 ebenfalls in den Brennraum 3. Das Innere des Rohres 7 dient in bekannter Weise zur Unterbringung einer Zündflamme.
Der erfindungsgemäße Gasbrenner ergibt eine überraschend kurze Flamme im Vergleich mit anderen Gasbrennern. Das kann wie folgt erklärt werden. Beim Austreten der Gas- und Luftmasse aus den Rohren 12, 13 entstehen zusätzlich zur Vermischung an den Strahlenrändern (Wirbel A) in den Zwischenräumen 15 zwischen diesen Rohren Wirbel B. Diese Wirbel haben eine gute Durchmischung von Gas und Luft in den Zwischenräumen 15 zur Folge. Das in diesen Zwischenräumen sich bewegende Gas-Luft-Gemisch hat dabei einen überschuß an Gas. Es entsteht eine Vormischung, welche günstigen Einfluß auf die weitere Verbrennung hat. Durch den überschuß an Gas wird die Temperaturerhöhung bei der Verbrennung in diesen Zwischenräumen und entsprechend auch die Temperatur des Brenners niedrig gehalten. Zudem wirkt sich der Gasüberschuß korrosionshindernd auf das Material des Brenners aus. Die Wirbelzone gibt dem Brenner auch eine gute Stabilität, da sie einem Abheben der Flamme entgegenwirkt. Sie verleiht dem Brenner auch gute Regeleigenschaften, d. h., sie ermöglicht einen Betrieb in einem großen Bereich des Gas-Luft-Verhältnisses.
Es hat sich gezeigt, daß wegen der wichtigen Funktion der Zwischenräume zwischen den Rohren 13 deren Ausmaß einen bedeutenden Einfluß auf die Verbrennung in der Brennkammer ausübt. So hat es sich gezeigt, daß bei einer Verkürzung der aus der Stirnwand 4 hervortretenden Länge der Rohre 13, die in der Figur mit H bezeichnet ist, unter den halben Durchmesser des Rohres 13 (D in der Figur) eine Verlängerung der Flamme infolge verschlechterter Gas-Luft-Vermischung eintrat. Auch hat es sich erwiesen, daß beste Resultate mit Brennern erzielt wurden, bei denen der Abstand L einzelner Rohre 13 nicht kleiner war als 1,5 D. Eine Vergrößerung von H über den Wert 2D hatte hingegen keinen wesentlichen Einfluß mehr auf die Flamme.
Es ist auch aus brenntechnischen und konstruktiven Gründen wegen der Dimensionierung der Querschnitte vorteilhaft, wenn die Einströmgeschwindigkeit der Luft in die Brennkammer größer ist als die Geschwindigkeit des Gases. Beide Geschwindigkeiten können klein sein, was sich auf den durch den Brenner verursachten Druckabfall günstig auswirkt. So ist bei einer bewährten Ausführung des erfindungsgemäßen Brenners die Luftgeschwindigkeit am Eintritt in die Brennkammer ungefähr 60 m/Sek., die Gasgeschwindigkeit etwa 10 m/Sek.
Der erfindungsgemäße Brenner ist jedoch auch ohne Anwendung der erwähnten optimalen Werte den bekannten Brennern überlegen und im Falle der ungünstigsten Auslegung mindestens gleichwertig.

Claims

Patentansprüche: 1. Gasbrenner einer Gasturbinenbrennkammer mit einer Mehrzahl in der Stirnwand der Brennkammer angeordneter kreisförmiger Austrittsöffnungen für Luft, die durch spaltförmige Austrittsöffnungen für Gas umgeben sind, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die öffnungen in an sich bekannter Weise durch die Stirnenden konzentrisch angeordneter Rohre gebildet sind, wobei diese Rohre um eine Länge von mindestens dem halben Durchmesser des größeren der Rohre aus der Stirnwand hervortreten.
2. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge, um welche die Rohre aus der Stirnwand hervortreten, höchstens zwei Durchmesser des größeren der Rohre beträgt.
3. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Mitten der Rohre voneinander mindestens 1,5 Durchmesser des größeren der Rohre beträgt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 267 090; französische Patentschriften Nr. 1302 273, 687 430; USA.-Patentschrift Nr. 1144 783.