DE19600837A1 - Axial gestufte Ring-Brennkammer einer Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine axial gestufte Ring-Brennkammer einer Gasturbine mit mehreren Pilotbrennern sowie mit stromab und radial außerhalb dieser in die Brennkammer mündenden Hauptbrennern, an die sich eine Hauptbren­ nerzone anschließt, mit einer äußeren und einer inneren jeweils ringförmigen Brennkammerwand, die sich jeweils zum Brennkammer-Austritt hin er­ strecken, wobei die innere Brennkammerwand im Bereich der Pilotbrenner­ zone einen im wesentlichen parallel zur Pilotbrenner-Achse verlaufenden Wandabschnitt aufweist. Zum bekannten Stand der Technik wird beispiels­ halber auf die WO 93/25851 oder die DE-OS 28 38 258 verwiesen.

An einer derartigen axial gestuften Ring-Brennkammer Verbesserungen ins­ besondere im Hinblick auf die Abgasemissionen bzw. auf die Temperaturver­ teilung im Bereich des Brennkammeraustrittes aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die innere Brennkammer­ wand im Anschluß an den die Pilotbrennerzone bildenden Wandabschnitt sowie stromauf des zum Brennkammer-Austritt führenden Wandabschnittes einen zur Hautbrennerzone hin verlaufenden Umlenkabschnitt aufweist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand des in der einzigen Figurendar­ stellung gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispieles, wobei ein Teil-Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Ring-Brennkammer dargestellt ist.

Mit der Bezugsziffer 1 ist die Zentralachse einer grundsätzlich bekannten Ring-Brennkammer 2 insbesondere einer Fluggasturbine bezeichnet. In der Ring-Brennkammer 2 sind über deren Umfang verteilt mehrere Pilotbrenner 3 sowie mehrere Hauptbrenner 4 angeordnet. Die Hauptbrenner 4 liegen wie üblich in radialer Richtung außen und können in einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform mit ihren Längsachsen bzw. Hauptbrenner-Achsen 4a geneigt gegenüber den Längsachsen 3a der Pilotbrenner 3, d. h. geneigt gegenüber den sog. Pilotbrenner-Achsen 3a angeordnet sein. Die in radialer Richtung außerhalb der Pilotbrenner 3 angeordneten Hauptbrenner 4 münden somit stromab der Pilotbrenner 3 in die Brennkammer 2. Dabei schließt sich an die Pilotbrenner 3 eine sog. Pilotbrenner-Zone 5 an, während direkt stromab der Hauptbrenner 4 eine sog. Hauptbrennerzone 5′ gebildet wird.

Begrenzt wird die gesamte Brennkammer 2, d. h. die Einheit von Pilotbren­ nerzone 5 und Hauptbrennerzone 5′ von einer äußeren ringförmigen Brenn­ kammerwand 10 sowie zur Zentralachse 1 hin von einer inneren Brennkam­ merwand 11. Die letztere besteht aus einzelnen sog. Wandabschnitten, und zwar aus einem der Pilotbrenner-Zone 5 zugeordneten inneren Wandab­ schnitt 6a, einem sich daran anschließenden sog. Umlenkabschnitt 12, so­ wie einem zum Brennkammer-Austritt 8 (dieser kann auch als Brennkam­ mer-Ende 8 bezeichnet werden) führenden Wandabschnitt 13. In radialer Richtung nach außen hin begrenzt wird die Pilotbrenner-Zone 5 von einem äußeren Wandabschnitt 6b, der sich bis zum Hauptbrenner 4 erstreckt. An den äußeren Wandabschnitt 6b schließt bzw. schließen sich der/die Haupt­ brenner 4 an, wobei beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel - wie ersicht­ lich - jeder Hauptbrenner 4 bzw. jede Hauptbrennerachse 4a geneigt zur Pi­ lotbrennerachse 3a jedes Pilotbrenners 3 angeordnet ist. Stromabwärts weit außerhalb der Brennkammer würden sich die beiden Längsachsen 3a, 4a der Brenner 3, 4 schneiden, während die Längsachse 3a im wesentlichen parallel zur Zentralachse 1 ausgerichtet ist. Diese Anordnung betrifft jedoch lediglich das hier gezeigte bevorzugte Ausführungsbeispiel; selbstverständ­ lich wäre es auch möglich, die einzelnen Längsachsen 3a, 4b der Pilotbren­ ner 3 bzw. der Hauptbrenner 4 anders (beispielsweise parallel) zueinander anzuordnen. Auch müssen sich die Pilotbrenner 3 und Hauptbrenner 4 nicht - wie hier gezeigt - jeweils in einer gemeinsamen Längsschnitt-Ebene befin­ den, sondern es können die Pilotbrenner 3 und die Hauptbrenner 4 auch in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sein. Ferner ist in der Brennkammer 2 noch allgemein die Strömungsrichtung der Verbrennungs­ gase durch den Pfeil 7 dargestellt.

Im übrigen ist ein weiterer äußerster Wandabschnitt 6c der äußeren ringför­ migen Brennkammerwand 10 zwischen dem Hauptbrenner 4 sowie dem Brennkammer-Austritt 8 vorgesehen.

Hier wesentlich ist der Verlauf der inneren Brennkammerwand 11. Diese weist - wie dargestellt - anschließend an den die Pilotbrenner-Zone 5 bilden­ den Wandabschnitt 6a einen zur Hauptbrenner-Zone 5′ hin verlaufenden Umlenkabschnitt 12 auf. Dieser Umlenkabschnitt 12 ist zumindest teilweise in radialer Richtung (diese ist definitionsgemäß senkrecht zur Zentralachse 1) ausgerichtet, d. h. der Umlenkabschnitt 12 schneidet die Zentralachse 1 beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise unter einem Winkel von ca. 45° Dies bewirkt, daß die Verbrennungsgase der Pilotbrenner 3 ge­ führt durch diesen Umlenkabschnitt 12 im wesentlichen in radialer Richtung in die Hauptbrennerzone 5′ eintreten. Diese Gestaltung stellt eine optimale Mischung des über die Hauptbrenner 4 in die Hauptbrennerzone 5′ gelan­ genden Brennstoffes mit der Luft in der Hauptbrennerzone 5′ sicher. Hier­ durch werden die Abgasemissionen minimiert und es kann die Temperatur­ verteilung am Brennkammer-Austritt 8 an diejenige einer nicht gestuften Brennkammer angeglichen werden.

Im übrigen läßt sich die hier beschriebene erfindungsgemäße axial gestufte Ring-Brennkammer 2 grundsätzlich als ein Zusammenbau zweier eigen­ ständiger nicht gestufter Ringbrenner bezeichnen. Dies bedeutet, daß so­ wohl die Hauptbrennerzone 5′ als auch die Pilotbrennerzone 5 jeweils für sich die Konstruktionsmerkmale von nicht gestuften Ringbrennkammern aufweisen und dabei auf den oberen (für die Hauptbrennerzone 5′) bzw. für den unteren Lastbereich (dies gilt für die Pilotbrennerzone 5) der Gasturbine optimiert sind. Wie ersichtlich ist nämlich die außen liegende Hauptbrenner­ zone 5′ wie eine konventionelle nicht gestufte Ringbrennkammer aufgebaut, wobei die Hauptbrennerachse 4a im wesentlichen in Richtung der Brenn­ kammerachse zeigt bzw. mit dieser zusammenfällt. Auch Mischluftstrahlen 9 werden in die Hauptbrennerzone 5′ bzw. in die Ring-Brennkammer 2 beider­ seitig, d. h. von innen und von außen zugemischt, wie dies bei konventionel­ len Ringbrennkammern üblich ist. Weiterhin vorgesehen ist nun bei dieser (konventionellen) Ring-Brennkammer 2 eine angekoppelte Pilotbrennerzone 5, d. h. quasi eine separate Pilotbrennkammer, die radial innen sowie stromauf zur Hauptbrennerzone 5′ liegt. Um nun die Verbrennungsgase die­ ser Pilotbrennkammer bzw. Pilotbrennerzone 5 optimal in die Hauptbren­ nerzone 5′ einzuleiten und dabei in dieser eine optimale Mischung von Brennstoff und Luft zu ermöglichen, ist dafür Sorge getragen, daß die Ver­ brennungsgase der Pilotbrennkammer im wesentlichen in radialer Richtung in die Hauptbrennerzone 5′ bzw. in die entsprechende Hauptbrennkammer eintreten. Diese radiale Richtungsgebung erfolgt dabei durch den sog. Um­ lenkabschnitt 12 der inneren ringförmigen Brennkammerwand 11.

Der Wandabschnitt 13 der inneren Brennkammerwand 11, der sich stromab an den Umlenkabschnitt 12 anschließt und zum Brennkammer-Austritt 8 führt, ist wieder im wesentlichen parallel zur Hauptbrenner-Achse 4a bzw. im wesentlichen in Richtung der Zentralachse 1 ausgerichtet. Dieser Wandab­ schnitt 13 ist somit im wesentlichen wieder ein Bestandteil der Hauptbren­ nerzone 5′ bzw. der entsprechenden Hauptbrennkammer. Die Pilotbrenner­ zone 5 hingegen hat in Strömungsrichtung 7 betrachtet im Bereich des Um­ lenkabschnittes 12 ihr Ende. Bereits kurz stromauf des Umlenkabschnittes 12 können in dieser Pilotbrennerzone 5 über nicht näher dargestellte Öff­ nungen in der Brennkammerwand 11 Mischluftstrahlen 14 sowohl innenseitig als auch - kurz stromauf der Hauptbrenner 4 - außenseitig zugeführt werden.

Der erfindungsgemäße Verlauf der inneren Brennkammerwand 11 läßt sich in konkreter Form auch derart beschreiben, daß diese Brennkammerwand 11 im Bereich des Umlenkabschnittes 12 sowie in Bezug auf die Brennkam­ mer 2 bei stromabwärtiger Betrachtung (nämlich in Strömungsrichtung 7) konkav-konvex geformt ist. Dies bedeutet, daß ausgehend vom Wandab­ schnitt 6a zunächst eine konkave Krümmung in den Umlenkabschnitt 12 hinein vorgesehen ist, an welchen sich über eine konvexe Krümmung dann der zum Brennkammer-Austritt 8 führende Wandabschnitt 13 anschließt. Dabei können selbstverständlich die genauen Winkel, die die einzelnen Wandabschnitte 6a, 12, 13 miteinander einschließen, durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Pa­ tentansprüche zu verlassen. In gleicher Weise sind weitere Abweichungen vom gezeigten Ausführungsbeispiel möglich. So können für die Pilotbrenner 3 sowie für die Hauptbrenner 4 die verschiedenartigsten Brennstoffzerstäu­ berkonzepte zum Einsatz kommen, in gleicher Weise können die Öffnungen bzw. Löcher für die Mischluftstrahlen 9 bzw. 14 unterschiedlich angeordnet sein. Auch können diese Mischluftstrahlen 9, 14 verdrallt oder unverdrallt zugeführt werden, ohne daß dies immense Auswirkungen hinsichtlich der wesentlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung, nämlich einer optimalen Mischung insbesondere in der Hauptbrennerzone 5′, hat.

Claims (4)

1. Axial gestufte Ring-Brennkammer einer Gasturbine mit mehreren Pi­ lotbrennern (3) sowie mit stromab und radial außerhalb dieser in die Brennkammer (2) mündenden Hauptbrennern (4), an die sich eine Hauptbrennerzone (5′) anschließt, mit einer äußeren (10) und einer inneren (11) jeweils ringförmigen Brennkammerwand, die sich jeweils zum Brennkammer-Austritt (8) hin erstrecken, wobei die innere Brennkammerwand (11) im Bereich der Pilotbrennerzone (5) einen im wesentlichen parallel zur Pilotbrenner-Achse (3a) verlaufenden Wandabschnitt (6a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Brennkammerwand (11) im Anschluß an den die Pilotbrennerzone (5) bildenden Wandabschnitt (6a) sowie stromauf des zum Brennkammer-Austritt (8) führenden Wandabschnittes (13) einen zur Hauptbrennerzone (5′) hin verlaufen­ den Umlenkabschnitt (12) aufweist.

2. Ring-Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Brennkammerwand (11) im Bereich des Umlenkabschnittes (12) sowie in Bezug auf die Brenn­ kammer (2) bei stromabwärtiger Betrachtung konkav-konvex geformt ist.

3. Ring-Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsgase der Pilotbrenner (3) geführt durch den Umlenkabschnitt (12) im wesentlichen in radialer Richtung in die Hauptbrennerzone (5′) eintreten.

4. Ring-Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende der Pilot­ brennerzone (5) durch über Öffnungen in der Brennkammerwand (11, 6b) zugeführte Mischluftstrahlen (14) definiert ist.