DE1234096B - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

FO2c

Deutsche Kl.: 46 f-7/03

1234096
A 425021 a/46 f
5. März 1963
9. Februar 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage in koaxialer Anordnung von Gebläsebeschaufelung, Ringbrennkammer und Turbinenbeschaufelung und Zufuhr der von der Gebläsebeschaufelung in das die Ringbrennkammer umschließende Gehäuse geförderten Luft mit einer Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung, wobei die von diesem Gehäuse in die Ringbrennkammer strömende Luft bei ihrem Durchtritt in einen die Verbrennung speisenden Verbrennungsluftstrom und einen die heißen Verbrennungsgase auf die der Turbinenbeschaufelung zuträgliche Temperatur abkühlenden Mischluftstrom aufgeteilt wird und wobei für den Durchtritt des Mischluftstromes Durchlässe ohne Leitwirkung in der Brennkammerwand vorgesehen sind, jedoch die Brennkammerwand für den Durchtritt des Verbrennungsluftstromes Öffnungen mit Leitwirkung aufweist.

Es ist bereits bekannt, die Luft aus dem Gebläse mit einer Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung in das die Ringbrennkammer umschließende Gehäuse zu fördern. Dies hat gegenüber der gebräuchlichen, rein axialen Zuströmung bekanntlich den Vorteil geringerer Strömungsverluste. Bei einem Radialgebläse beispielsweise tritt die Luft je nach Auslegung des Leitrades mit mehr oder weniger großem Drall in das die Brennkammer umschließende Gehäuse und würde bei ihrer Umlenkung in axialer Richtung erhebliche Strömungsverluste erleiden. Bei einem Axialgebläse kann sinngemäß das Leitrad nach dem letzten Laufrad weggelassen werden. Zudem besteht bei dieser Umlenkung in axialer Richtung die Gefahr ungleichmäßiger Abströmung aus dem Umlenkgitter, welche sich nachteilig auf die Temperaturverteilung am Umfang des Brennkammeraustrittes auswirkt. Wird die Drehbewegung in Umfangsrichtung jedoch belassen, dann ist von vornherein eine Vergleichmäßigung der Beaufschlagung mit Frischluft auf ihrem ganzen Umfang gewährleistet.

Da hierbei Verbrennungs- und Mischluftstrom mit annähernd gleichen Geschwindigkeitskomponenten in Umfangsrichtung in die eigentliche Brennkammer treten, ist die Stabilisierung der Verbrennung nur mit besonderen Mitteln, bespielsweise Flammenhaltern, oder mit gegenüber den axialen wesentlich höheren Geschwindigkeitskomponenten in Umfangsrichtung durchführbar. Zudem ist die Mischung der heißen Verbrennungsgase mit dem kühlenden Mischluftstrom erschwert, da beide Ströme eine gleichsinnige Umlaufbewegung aufweisen.

Es ist bereits eine Gasturbinenanlage der eingangs angegebenen Art bekanntgeworden. Bei dieser beGasturbinenanlage

Anmelder:

Aktiengesellschaft Adolph Saurer, Arbon
(Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Kosel, Patentanwalt,

Bad Gandersheim, Braunschweiger Str. 22

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Ulrich Oprecht, Wittenbach (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 14. November 1962 (13 293)

kannten Gasturbinenanlage weisen die Öffnungen für den Durchtritt des Verbrennungsluftstromes eine Leitwirkung zur Richtung der Verbrennungsluftströmung entgegengesetzt zur Wellendrehung auf. Die Luftströmung bewegt sich dabei im Raum zwischen den beiden Brennkammerwänden, in den der Brennstoff aus Einspritzlöchern geschleudert wird, und zwar in Umfangsrichtung entgegengesetzt zur Wellendrehrichtung. Es hat sich gezeigt, daß bei der bekannten Gasturbinenanlage stets eine Drehbewegung der Verbrennungsluft nach Durchtritt durch die Öffnungen mit Leitwirkung entgegengesetzt zur Wellendrehrichtung auftritt. Infolgedessen weist auch diese bekannte Gasturbinenanlage die weiter oben geschilderten Nachteile einer unzureichenden Stabilisierung der Verbrennung und einer Erschwerung der Mischung der heißen Verbrennungsgase mit dem kühlenden Mischluftstrom auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine besondere Gestaltung der Öffnungen mit Leitwirkung sowohl die Stabilisierung der Verbrennung zu erreichen als auch die Mischung der heißen Verbrennungsgase mit dem kühlenden Mischluftstrom zu erleichtern. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Öffnungen für den Durchtritt des Verbrennungsluftstromes mit einer solchen Leitwirkung gestaltet sind, daß der Verbrennungsluftstrom in die Brennkammer in an sich bekannter Weise mit einer umfangskomponentenfreien Geschwindigkeit eintritt. Die vorteilhafte Wirkung der so ge-

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kennzeichneten Erfindung wird im einzelnen an Hand können auch Gebläse und Turbinen mit axialer

der folgenden Beschreibung erläutert werden. Schaufelung oder Kombinationen der verschiedenen

Es ist bei einer anderen Gasturbine an sich be- Typen verwendet werden.

kanntgeworden, den Verbrennungsluftstrom mit einer F i g. 1 stellt einen Längsschnitt durch die ganze

umfangskomponentenfreien Geschwindigkeit ein- 5 Gruppe dar, während

treten zu lassen, jedoch wird mit der bekannten An- F i g. 2 perspektivisch die Strömung in der Ringordnung eine wirbelige Bewegung der Verbrennungs- brennkammer veranschaulicht,
luft angestrebt, so daß Aufgabe und Lösung der vor- Das Gebläserad 1 mit der Welle 2, Lagerung und stehend gekennzeichneten Erfindung entgegengesetzt Abdichtungen 3 und das Turbinenrad 4 bilden mit sind. ίο dem Gehäuse 5 die Gasturbinenanlage. Das Gebläse-Zweckmäßig wird die Stabilisierung der Ver- radl saugt Luft durch die Aussaugschlitze 6 von brennung derart erzielt, daß die Öffnungen mit Leit- außen an und fördert sie durch die Diffusorschaufeln 7 wirkung in mindestens einer zur Gasturbinenachse in den Zwischenraum zwischen Gehäuse 5 und äußere mindestens angenähert senkrecht angeordneten Stirn- Brennkammerwand 8. Da die Diffusorschaufeln 7 wand der Brennkammer gebildet und so gerichtet 15 zur Umfangsrichtung geneigt angeordnet sind, bewegt sind, daß der Verbrennungsluftstrom von einem sich der Frischluftstrom 9 im Raum zwischen äußerer äußeren Umfang weitgehend radial einwärts gegen Brennkammerwand 8 und Gehäuse 5 schraubendie innere koaxial zur Gasturbinenachse liegende förmig vom Gebläse zur Turbine. Im dargestellten Brennkammerwand geführt und an ihr in axialer Beispiel beträgt die Umfangskomponente etwa 60% Richtung umgelenkt wird, während die Bohrungen 20 der axialen Geschwindigkeitskomponente,
ohne Leitwirkung für den Eintritt des Mischluft- Ein Teil des Frischluftstromes strömt als Verstromes in die Brennkammer größtenteils am äußeren brennungsluftanteil spiralförmig einwärts zwischen Brennkammerumfang vorgesehen sind. Dabei kann gebläseseitiger Stirnwand 10 der Brennkammer 30 Symmetrie in der Verbrennungszone herbeigeführt und Gebläseboden 11 und verliert beim Durchtritt werden, indem der erste Leitschaufelkranz in an sich 25 durch die Stirnwand 10 wegen den radial einwärts gebekannter Weise zum Durchtritt von Verbrennungs- richteten Leitschlitzen 12 seine Umfangskomponente. luft hohl ausgebildet ist, so daß der Verbrennungs- Im Innern der Ringbrennkammer 30, welche durch luftstrom durch diesen Leitschaufelkranz und an- die Wände 10, 8,18,13 und 19 begrenzt ist, wird er schließend durch die stromabseitige Stirnwand der an der inneren, koaxial zur Gasturbinenachse Iiegen-Brennkammer durch Öffnungen mit Leitwirkung in ₃₀ den Brennkammerwand 13 in axiale Richtung stromdieser Stirnwand gegen die innere koaxial zur Gas- abwärts umgelenkt.

turbinenachse liegende Brennkammerwand geführt Ej_n weiterer Teil des Frischluftstromes strömt als und an ihr in axialer Richtung stromaufwärts um- Verbrennungsluftanteil spiralförmig einwärts zwigelenkt wird. _sch_en Gehäusedeckel 14 und Leitradrückseite 15, tritt Die intensive Mischung zwischen den heißen Ver- 35 durch den hohlen Leitschaufelkranz 16 in den Raum brennungsgasen und dem kühlen Mischluftstrom 31 zwischen Leitradvorderseite 17 und turbinenkann wesentlich erleichtert werden, wenn am äuße- seitiger Stirnwand 18 der Brennkammer 30 und verren stromabseitigen Umfang der Brennkammer ein zur liert beim Durchtritt durch die Stirnwand 18 wegen Brennkammerachse koaxialer Ringkanal vorgesehen den radial einwärts gerichteten Leitschlitzen 12 vollist, durch weichen die durch den Mischluftstrom auf 40 ends jegliche Strömungskomponente in Umfangsdie den Turbinenbeschaufelung zuträgliche Tempera- richtung. Im Innern der Brennkammer 30 wird er an tür abgekühlten heißen Verbrennungsgase in den der innem Brennkammerwand 19 in axialer Richtung Leitschaufelkranz der Turbinenbeschaufelung über- stromaufwärts umgelenkt. Er trifft auf den ersten treten. Frischluftstromteil und bildet mit diesem zusammen Gleichmäßigkeit der Temperatur am ganzen Um- 45 die Verbrennungsluft 20, welche aus Kontinuitätsfang des Brennkammeraustrittes und Einfachheit der gründen etwa in der Mitte der Brennkammer 30 ra-Konstruktion durch Vermeidung von mehreren dial auswärts und durch den zur Brennkammerachse Brennstoffzuführstellen am Umfang der Brenn- koaxialen Ringkanal 21 in den Leitschaufelkranz 16 kammer kann erreicht werden, indem in der Tür- strömt.

binenwelle Spritzlöcher für Rotationszerstäubung 50 Durch diese zuerst radial einwärts und anschlievon Brennstoff in die Brennkammer vorgesehen sind, ßend radial auswärts gerichtete Verbrennungsluftwobei die Spritzebene mindestens angenähert mittig strömung entsteht insbesondere in der Ecke zwischen zwischen den beiden längs der inneren Brenn- äußerer Brennkammerwand 8 und gebläseseitiger kammerwände axial gegeneinanderströmenden Ver- Brennkammerstirnwand 10 eine Rückströmzone 22, brennungsluftströmen steht. 55 j_n Form eines zur Brennkammerachse koaxialen Erfahrungsgemäß läßt sich die Zündung des Ringwirbels, welche die Voraussetzung zur Stabili-Brennstoffluftgemisches am sichersten und schlag- sierung der Verbrennung auch bei stark wechselnden artig erreichen, wenn das Zündmittel zur Einleitung Betriebsbedingungen ist. Da im weitern der Brennder Verbrennung am äußeren Umfang der Brenn- stoff, welcher in nicht näher gezeigter Art beim gekammer mindestens angenähert in der Spritzebene 60 bläseseitigen Wellenende zugeführt wird, durch die des Brennstoffes liegt. Längsbohrung 23 und radiale Spritzlöcher 24 in einer Für die Gegenstände der Ansprüche 4 bis 6 wird Ebene mittig zum radial auswärts strömenden VerSchutz nur in Verbindung mit Anspruch 1 be- brennungsluftstrom in die Brennkammer 30 geansprucht. Die vorliegende Erfindung ist an einem schleudert wird, kann im Verein mit der erwähnten Ausführungsbeispiel erläutert, wobei ein sogenanntes 65 Rückströmzone 22 die gewünschte, intensive Reaktion Radialgebläse und eine sogenannte Radialturbine zwischen Verbrennungsluft und Brennstoff aufrecht- und eine zwischen Gebläse und Turbine angeordnete erhalten werden. Die Zündkerze 29 zur Einleitung Ringbrennkammer dargestellt sind. Selbstverständlich der Verbrennung liegt am äußeren Umfang der

Brennkammer angenähert in der Spritzebene des Brennstoffes. Die heißen Verbrennungsgase 25 strömen aus Kontinuitätsgründen entlang der äußern Brennkammerwand 8 in den Ringkanal 21 und von dort durch den Leitschaufelkranz 16 und unter Arbeitsabgabe durch das Turbinenrad 4 in den Auspuffstutzen 26. Damit eine, der Turbinenbeschaufelung zuträgliche Temperatur der Verbrennungsgase eingehalten werden kann, wird der Mischluftstrom 27 von der Frischluft abgezweigt und tritt, immer noch mit seiner Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung behaftet, durch einfache Bohrungen 28 ohne Leitwirkung in der äußern Brennkammerwand 8 in die Brennkammer 30 und kühlt die Verbrennungsgase auf das zulässige Maß ab. Diese zulässige Temperatur is vor der Turbinenbeschaufelung liegt so, daß der Mischluftstrom eher größer als der Verbrennungsluftstrom ist, seine Schleppwirkung bewirkt daher eine, wenn auch nicht sehr starke Bewegung der heißen Verbrennungsgase in Umfangsrichtung. Dies kann selbstverständlich bei der Auslegung des Leitschaufelkranzes berücksichtigt werden und hat neben dem nicht zu unterschätzenden Temperaturausgleich in Umfangsrichtung den großen Vorteil einer schlagartigen Übertragung der Zündung auf den ganzen Brennkammerinhalt, welche mittels der Zündkerze 29 an der äußern Brennkammerwand in der Spritzebene des Brennstoffes eingeleitet wird.

Claims (6)

Patentansprüche: 30

1. Gasturbinenanlage in koaxialer Anordnung von Gebläsebeschaufelung, Ringbrennkammer und Turbinenbeschaufelung und Zufuhr der von der Gebläsebeschaufelung in das die Ringbrennkammer umschließende Gehäuse geförderten Luft mit einer Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung, wobei die von diesem Gehäuse in die Ringbrennkammer strömende Luft bei ihrem Durchtritt in einen die Verbrennung speisenden Verbrennungsluftstrom und einen die heißen Verbrennungsgase auf die der Turbinenbeschaufelung zuträgliche Temperatur abkühlenden Mischluftstrom aufgeteilt wird, und wobei für den Durchtritt des Mischluftstromes Durchlässe ohne Leitwirkung in der Brennkammerwand vorgesehen sind, jedoch die Brennkammerwand für den Durchtritt des Verbrennungsluftstromes Öffnungen mit Leitwirkung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen für den Durchtritt des Verbrennungsluftstromes mit einer solchen Leitwirkung gestaltet sind, daß der Verbrennungsluftstrom in die Brennkammer in an sich bekannter Weise mit einer umfangkomponentenfreien Geschwindigkeit eintritt.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen mit Leitwirkung in mindestens einer zur Gasturbinenachse mindestens angenähert senkrecht angeordneten Stirnwand der Brennkammer gebildet und so gerichtet sind, daß der Verbrennungsluftstrom von einem äußeren Umfang weitgehend radial einwärts gegen die innere koaxial zur Gasturbinenachse liegende Brennkammerwand geführt und an ihr in axialer Richtung umgelenkt wird, während die Bohrungen ohne Leitwirkung für den Eintritt des Mischluftstromes in die Brennkammer größtenteils am äußeren Brennkammerumfang vorgesehen sind.

3. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitschaufelkranz in an sich bekannter Weise zum Durchtritt von Verbrennungsluft hohl ausgebildet ist, so daß der Verbrennungsluftstrom durch diesen Leitschaufelkranz und anschließend durch die stromabseitige Stirnwand der Brennkammer durch Öffnungen mit Leitwirkung in dieser Stirnwand gegen die innere koaxial zur Gasturbinenachse liegende Brennkammerwand geführt und an ihr in axialer Richtung stromaufwärts umgelenkt wird.

4. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren stromabseitigen Umfang der Brennkammer ein zur Brennkammerachse koaxialer Ringkanal vorgesehen ist, durch welchen die durch den Mischluftstrom auf die der Turbinenbeschaufelungen zuträgliche Temperatur abgekühlten heißen Verbrennungsgase in den Leitschaufelkranz der Turbinenbeschaufelung übertreten.

5. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Turbinenwelle Spritzlöcher für Rotationszerstäubung von Brennstoff in die Brennkammer vorgesehen sind, wobei die Spritzebene mindestens angenähert mittig zwischen den beiden längs der inneren Brennkammerwände axial gegeneinanderströmenden Verbrennungsluftströmen steht.

6. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündmittel zur Einleitung der Verbrennung am äußeren Umfang der Brennkammer mindestens angenähert in der Spritzebene des Brennstoffes liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 967 204, 944 690;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1014 791,
000 189;

französische Patentschrift Nr. 1 285 627;
USA.-Patentschrift Nr. 3 018 625.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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