DE19643715A1

DE19643715A1 - Gekühltes Flammrohr für eine Brennkammer

Info

Publication number: DE19643715A1
Application number: DE19643715A
Authority: DE
Inventors: Pierre Meylan
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-10-23
Filing date: 1996-10-23
Publication date: 1998-04-30

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein gekühltes Flammrohr für eine Brennkammer, vorzugsweise für eine Gasturbinenbrennkammer, im wesentlichen bestehend aus einer inneren und einer äuße ren Wandauskleidung, welche beide in geschlossenem Kreis von einem dampfförmigen Kühlmittel durchströmt sind.

Stand der Technik

Ein derartiges gekühltes Flammrohr für eine Brennkammer ist bekannt aus der US-A-4,571,935. Die Wandauskleidung der gezeigten Ringbrennkammer ist gemäß dortiger Fig. 18 aus einer Kühlschlange gebildet, im wesentlichen bestehend aus einem abgeflachten Rohr, welches schraubenförmig um den durchströmten Brennraum gewunden ist, sowohl an seiner Innenseite als auch an seiner Außenseite. Zwischen den Rohrschlangen strömt über der ganzen axialen Länge des Brennraumes Verbrennungsluft und Verdünnungsluft aus dem Plenum in den Brennraum hinein. Der Abstand zwischen direkt benachbarten Rohrschlangen ist so eng gewählt, daß beim Umströmen der Rohrschlangen der erforderliche Druckverlust zwischen Plenum und Brennraum auftritt. Das die Kühlschlange bildende umlaufende Rohr ist hierzu noch an seinem Umfang mit zusammenwirkenden, Engstellen bildenden Lippen versehen. Das Flammrohr ist somit dampf- und luftgekühlt.

Darstellung der Erfindung

Für die schadstoffarme Verbrennung eines gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs hat sich in letzter Zeit die soge nannte "magere Vormischverbrennung" durchgesetzt. Dabei werden der Brennstoff und die Verbrennungsluft möglichst gleichmäßig vorgemischt und erst dann der Flamme zugeführt. Wird dies mit hohem Luftüberschuß vollzogen, wie dies bei Gasturbinenanlagen üblich ist, so entstehen relativ niedrige Flammentemperaturen, was wiederum zu der gewünschten, gerin gen Bildung von Stickoxyden führt.

Moderne hochbelastete Gasturbinen erfordern zunehmend kom plexere und wirkungsvollere Kühlmethoden. Um niedrige NOx- Emissionen zu erzielen, wird versucht, einen zunehmenden Anteil der Luft durch die Brenner selbst zu leiten. Dieser Zwang zur Reduktion der Kühlluftströme ergibt sich aber auch aus Gründen, die mit der zunehmenden Heißgastemperatur beim Eintritt einer Gasturbine in Zusammenhang stehen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein aus schließlich dampfgekühltes Flammrohr zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Flammrohr der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die Wandauskleidung aus in Umfangsrichtung aneinandergereihten Segmenten besteht, wobei jedes Segment in seiner Längserstreckung mit einer Anzahl Durchgangsbohrungen versehen ist und an seinen beiden Enden mit einem Sammler verbunden ist.

Im Falle einer mit zwei Druckniveaus und Zwischenerhitzung arbeitenden stationären Gasturbine und erfindungsgemäßer Kühlung nur der Niederdruckbrennkammer ist der Vorteil ins besondere darin zu sehen, daß die gesamte zur Verfügung stehende Luft dem Hochdruckprozeß zugeführt werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer zwischenerhitzten stationären Gasturbine darge stellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängschnitt durch den Nachbrenner der Gasturbine;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Nachbrenner gemäß Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 das Detail X aus Fig. 2 in vergrößertem Maßstab.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmit tel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig 1 ist schematisch eine einwellige Gasturbine darge stellt, welche mit einer Zwischenerhitzung ausgerüstet ist. Rotor 10 und die beiden Schaufelträger 11 und 12 sind mit einer einstufigen Hochdruckbeschaufelung 13 respektiv einer mehrstufigen Niederdruckbeschaufelung 14 bestückt. Das der Primärbrennkammer 15 entströmende Rauchgas entspannt sich unter Leistungsabgabe in der Hochdruckbeschaufelung und gelangt in eine Mischstrecke 16. Dort wird dem Rauchgas über die Brennstoffzufuhr 17 weiterer Brennstoff und gegebenen falls Verbrennungsluft beigemischt und die Mischung der Sekundärbrennkammer - nachstehend als Nachbrenner 18 bezeichnet - zugeführt.

Solche Nachbrenner in Gasturbinen-Brennkammern werden dann mit Vorteil angewendet, wenn eine sehr emissionsarme Öl- oder Gasverbrennung angestrebt wird. Die Gasströmung stromabwärts des normalen Brenners, in welchen aus einer Primärquelle bereits Brennstoff eingeführt wurde - oder im Beispielsfall stromabwärts der Hochdruckturbine 13 - kann dabei eine mittlere Temperatur von ca. 850°C aufweisen. In solcher Umgebung kann Brennstoff, der über einen Nachbrenner eingedüst wird, ausreichend rasch gezündet werden. Die Zünd verzugszeit ist derart kurz, daß über eine nützliche Distanz hinweg der Nachverbrennungsvorgang eingeleitet wird.

Im Unterschied zu normalen Brennern sind solche Nachbrenner allerdings nicht selbstgängig. Mit Absicht wird hier eine Flammenstabilisierungszone vermieden. Ein Nachbrenner bietet somit die Möglichkeit, auch bei sehr hohen Geschwindigkei ten, d. h. in sehr kleinen Zeiträumen, sehr viel Brennstoff umzusetzen. Ihr Vorteil liegt darin, daß die Aufenthalts zeit in einer Zone, die nicht perfekt vorgemischt ist, fast beliebig kurz gehalten werden kann. Es kann also bei hoher Geschwindigkeit sehr schnell gemischt werden.

Gemäß der Erfindung soll nunmehr das Flammrohr eines Bren ners, und im besonderen eines solchen Nachbrenners, mit einem dampfförmigen Mittel gekühlt werden.

Das Flammrohr wird von aus einer radial inneren ringförmigen Wandauskleidung 1a und einer radial äußeren ringförmigen Wandauskleidung 1b gebildet.

Gemäß Fig. 2 und 3 bestehen beide Wandauskleidungen 1a, 1b aus in Umfangsrichtung aneinandergereihten bogenförmigen Segmenten 2. Jedes dieser, vorzugsweise gegossenen, Segmente 2 ist in seiner Längserstreckung mit einer Anzahl Durch gangsbohrungen 3 versehen. Diese Durchgangsbohrungen können entweder, wie in Fig. 3 gezeigt, einen kreisförmigen Quer schnitt aufweisen oder aber von ovaler Form sein. Sie werden mit Vorteil mit dem Segment vergossen.

An seinen beiden Enden ist ein Segment 2 jeweils mit einer eintrittseitigen und einer austrittseitigen Ausgleichkammer 9 versehen, in welche die Durchgangsbohrungen münden. Die Ausgleichkammern sind über je eine radial gerichtete Leitung 6in, 6out mit zugehörigen eintrittseitigen und austrittsei tigen Sammlern 4in und 5in resp. 4out und 5out durch eine Schweißung verbunden. Die Leitungen sind zwecks Aufnahme von wärmebedingten Längenänderungen der Wandauskleidungen wärmebeweglich ausgeführt, was durch eine Krümmung oder eine Bogenform erreicht werden kann.

Die beiden Wandauskleidungen 1a, 1b sind in geschlossenem Kreis von einem dampfförmigen Kühlmittel durchströmt und zwar vorzugsweise im Gegenstrom zur Rauchgasströmung im Flammrohr. Das dampfförmige Kühlmittel gelangt in die ein trittseitigen Sammler 4in und 5in über eine Zuleitung 19. Über je eine (nicht dargestellte) Ableitung wird das Kühl mittel aus den austrittseitigen Sammlern 4out und 5out abge führt. Um eine gleichmäßige Beaufschlagung aller Durch gangsbohrungen mit Kühlmittel sicher zu steilen, sind die eintrittseitigen, wärmebeweglichen Leitungen 6in jeweils mit einer Blende 7 ausgerüstet.

Um im Revisionsfall die Abdeckung der Maschine zu ermögli chen, bestehen die an den Enden des Flammrohres und im Innern des (nicht dargestellten) Gasturbinengehäuses ange ordneten Sammler aus je zwei Ringhälften, welche in der horizontalen Trennebene des Flammrohres über Flansche 8 miteinander verbunden sind.

Als Kühlmittel bietet sich Wasserdampf an mit einem Druck zwischen 12 und 30 MPa und einer Temperatur zwischen 300 und 450°C. Die anläßlich der Flammrohrkühlung aufgenommene Wärme kann in einem kombinierten Gas/Dampf-Prozeß weiter verwendet werden.

Um zu vermeiden, daß Luft zwischen den Segmenten hindurch in die Brennkammer gelangt, sind die Segmente (2) in Umfangrichtung an ihrer Stirnseite mit einer in einer Nut einliegenden Metalldichtung 20 gegeneinander abgedichtet sind.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigte und beschriebene Ausführung beschränkt. In Abweichung zu den angeführten gegossenen Segmenten könnten z. B. auch Segmente aus zusammengeschweißten Rippenrohren zur Anwendung gelan gen.

Bezugszeichenliste

1

a,

1

b Wandauskleidung

2

Segment

3

Durchgangsbohrung

4

in,

4

out Sammler außen

5

in,

5

out Sammler innen

6

in,

6

out Leitung

7

Blende

8

Flansch

9

Ausgleichkammer

10

Rotor

11

Schaufelträger

12

Schaufelträger

13

Hochdruckbeschaufelung

14

Niederdruckbeschaufelung

15

Primärbrennkammer

16

Mischstrecke

17

Brennstoffzufuhr

18

Nachbrenner

19

Zuleitung

20

Metalldichtung

Claims

1. Gekühltes Flammrohr für eine Brennkammer, vorzugsweise für eine Gasturbinenbrennkammer, im wesentlichen beste hend aus einer inneren und einer äußeren Wandausklei dung (1a, 1b), welche beide in geschlossenem Kreis von einem dampfförmigen Kühlmittel durchströmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandauskleidung (1a, 1b) aus in Umfangsrichtung aneinandergereihten Segmenten (2) besteht, wobei jedes Segment (2) in seiner Längserstreckung mit einer Anzahl Durchgangsbohrungen (3) versehen ist und an seinen bei den Enden mit einem Sammler (4in, 4out, 5in, 5out) verbun den ist.

2. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsbohrungen (3) einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweisen.

3. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammler (4in, 4out, 5in, 5out) mit jedem Segment (2) über eine wärmebewegliche Leitung (6in, 6out) verbunden ist.

4. Flammrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (6in, 6out) eine Blende (7) angeordnet ist.

5. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsbohrungen (3) im Gegenstrom zur Flamm rohrströmung durchströmt sind.

6. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammler (4in, 4out, 5in, 5out) je aus zwei Ringhälften bestehen, die um das Flammrohr an dessen Enden angeord net sind und in der horizontalen Trennebene des Flamm rohres über Flansche (8) miteinander verbunden sind.

7. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (2) in Umfangrichtung mit einer Metall dichtung (20) gegeneinander abgedichtet sind.