DE19720402A1 - Axial gestufte Ringbrennkammer einer Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine axial gestufte Ringbrennkammer einer Gasturbine mit mehreren ringförmig angeordneten Pilotbrennern und mehreren stromab sowie in Radialrichtung versetzt zu den Pilotbrennern angeordneten Haupt­ brennern. Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die DE 195 08 109 A1 verwiesen.

Axial gestufte Ringbrennkammern, mit denen sich im Gegensatz zu nicht gestuften Ringbrennkammern günstigere Emissionen bei gleichzeitigem Wirkungsgradgewinn insbesondere in niedrigen Lastbedingungen erzielen lassen, sind in mannigfachen Ausführungen bekannt. Dabei sind jedoch stets ebenso viele Pilotbrenner wie Hauptbrenner vorgesehen. Durch geeig­ nete Anordnung dieser Brenner sowie insgesamt durch die Gestaltung der Brennkammergeometrie wird versucht, das Brennverhalten (wie Wiederzün­ den, Rundumzünden und Flammstabilität sowohl bezüglich Verlöschen als auch gegen thermoakustische Schwingungen), sowie den Wirkungsgrad und die Emissionen noch weiter zu verbessern. Hierzu kann das Volumen der einzelnen Zonen, d. h. der Pilot-Brennzone und Haupt-Brennzone sowie die damit verknüpften Aufenthaltszeiten des Brenngases in den jeweiligen Zo­ nen verändert werden, es ist aber auch möglich, das Verhältnis von Bren­ nerabstand zur Kanalhöhe sowie das Verhältnis von Kanalhöhe zur Länge der jeweiligen Zone zu variieren.

Weitere besonders vorteilhafte Variationsmöglichkeiten aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Hauptbrenner ungleich derjenigen der Pilotbrenner ist. Bevorzugt sind jedem Pilotbrenner zwei in Radialrichtung außerhalb sowie in Umfangsrichtung symmetrisch zur Pilotbrenner-Radialachse angeordnete Hauptbrenner zu­ geordnet.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungs­ beispieles, wobei Fig. 1 einen üblichen Halb-Längsschnitt mit in die An­ sichtsebene gedrehten Hauptbrennern durch eine axial gestufte Ringbrenn­ kammer zeigt, während in Fig. 2 eine Prinzipskizze der Brenneranordnung gemäß dem Schnitt A-A aus Fig. 1 dargestellt ist.

Die in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnete Ringbrennkammer einer Gasturbi­ ne besitzt wie üblich mehrere, bezüglich der Zentralachse 2 ringförmig an­ geordnete Pilotbrenner 3 sowie ebenfalls mehrere ringförmig angeordnete Hauptbrenner 4. Die Hauptbrenner 4 sind in Axialrichtung, d. h. in Richtung der Zentralachse 2 sowie in Strömungsrichtung der Gase stromab der Pilot­ brenner 3 angeordnet, so daß es sich um eine axial gestufte Ringbrenn­ kammer handelt. Dabei liegen die Hauptbrenner 4 in Radialrichtung 5 au­ ßerhalb der Pilotbrenner 3.

Stromab der Pilotbrenner 3 ist eine Pilot-Brennzone 1a vorgesehen, wäh­ rend sich stromab der Hauptbrenner 4 die Haupt-Brennzone 1b der Ring­ brennkammer 1 befindet. Jedem Brenner 3, 4 wird gemäß Pfeilrichtung Luft und Brennstoff zugeführt, wobei im Bereich der Pilot-Brennzone 1a sowie im Bereich der Haupt-Brennzone 1b noch Mischluftlöcher 6 in der Wand 7 der Ringbrennkammer 1 vorgesehen sind. Diese Mischluftlöcher 6 können in Radialrichtung 5 betrachtet sowohl an der Innenseite als auch an der Au­ ßenseite der Ringbrennkammer 1 vorgesehen sein.

Die in der Pilot-Brennzone 1a gebildeten Brennergase strömen, wie durch Pfeile dargestellt, in die Haupt-Brennzone 1b. Dort kann in höheren Lastpunkten der Gasturbine eine weitere Verbrennung stattfinden, wenn über die Hauptbrenner 4 ebenfalls Brennstoff zugeführt wird. Diese weitere Verbrennung und eine intensivierte Mischung werden durch die Strömung der aus der Pilot-Brennzone 1a in Radialrichtung 5 herangeführten Gase besonders begünstigt. In niedrigen Lastpunkten der Gasturbine hingegen können die Pilotbrenner 3 alleinig betrieben werden.

Wie Fig. 2 zeigt, ist die Anzahl der Hauptbrenner 4 ungleich derjenigen der Pilotbrenner 3. Hier sind jedem Pilotbrenner 3 zwei Hauptbrenner 4 zuge­ ordnet, und zwar derart, daß in Umfangsrichtung 8 betrachtet die beiden Hauptbrenner 4 symmetrisch zur sogenannten Pilotbrenner-Radialachse 9 liegen. Hierdurch ergibt sich nämlich eine besonders kompakte Anordnung, wenn jedem Pilotbrenner 3 mehrere Hauptbrenner 4 zugeordnet werden sollen.

Aufgrund der Tatsache, daß die Anzahl der Hauptbrenner 4 ungleich derje­ nigen der Pilotbrenner 3 ist, können die jeweiligen Brennzonen, nämlich die Pilot-Brennzone 1a einerseits und die Haupt-Brennzone 1b andererseits, besser und unabhängig voneinander auf ihre jeweiligen Aufgaben hin opti­ miert werden, als im Falle einer Ringbrennkammer mit gleich vielen Pilot- und Hauptbrennern. Somit können die Emissionen der Ringbrennkammer 1 minimiert, das Zündverhalten und die Brenn-Stabilität verbessert sowie die Temperaturverteilung am Brennkammeraustritt 10 besser an die Anforde­ rungen der nachfolgenden Turbine angepaßt werden.

Zusätzlich ist es möglich, die Hauptbrenner 4 in Umfangsrichtung gestuft zu betreiben. Dies bedeutet, daß insbesondere bei niedrigen und mittleren Lastpunkten nicht alle, sondern nur einige (beispielsweise jeder zweite) Hauptbrenner 4 betrieben werden, d. h. Brennstoff in die Ringbrennkammer 1 einführen. Somit können zumindest einige Hauptbrenner 4 bereits bei nied­ rigen Lasten zugeschaltet werden, wodurch die CO- und die HC-Emissionen minimiert werden können. Bei hohen Lasten hingegen kann das lokale Luft- Brennstoffverhältnis dann aller betriebenen Hauptbrenner 4 auf niedrige NO_x-Emissionen hin optimiert werden.

Selbstverständlich können eine Vielzahl von Details, insbesondere kon­ struktiver Art durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel ge­ staltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. Insbesondere können allen oder auch nur einigen Pilotbrennern 3 mehr als zwei Haupt­ brenner 4 zugeordnet sein, es ist aber auch möglich, eine größere Anzahl von Pilotbrennern 3 vorzusehen, als Hauptbrenner 4 vorhanden sind. Selbstverständlich können in jedem Brenner verschiedene Brennstoffzer­ stäuberkonzepte realisiert sein, ferner können die Mischluftlöcher 6 anders­ artig angeordnet sein und schließlich sind auch unterschiedliche axiale Po­ sitionen der Haupt-Brennzone 1b zur Pilot-Brennzone 1a möglich.

Claims (3)

1. Axial gestufte Ringbrennkammer einer Gasturbine mit mehreren ring­ förmig angeordneten Pilotbrennern (3) und mehreren stromab sowie in Radialrichtung (5) versetzt zu den Pilotbrennern (3) angeordneten Hauptbrennern (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Hauptbrenner (4) un­ gleich derjenigen der Pilotbrenner (3) ist.

2. Axial gestufte Ringbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Pilotbrenner (3) zwei in Radial­ richtung (5) außerhalb sowie in Umfangsrichtung (8) symmetrisch zur Pilotbrenner-Radialachse (9) angeordnete Hauptbrenner (4) zugeord­ net sind.

3. Axial gestufte Ringbrennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbrenner (4) im Umfangsrich­ tung gestuft betrieben werden können.