DE19737997A1 - Plenum - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Plenum nach dem Oberbegriff des ersten An­ spruches.

Stand der Technik

Bei der Konzeption von modernen Gasturbinenanlagen spielen wirtschaftliche und umwelttechnische Gesichtspunkte eine zunehmend bedeutende Rolle. In diesem Zusammenhang ist man bestrebt, die Einzelkomponenten einer Gasturbinenanla­ ge, in denen Energie umgesetzt wird, in ihren Eigenschaften der Energieumzuset­ zung in Hinblick auf Schonung natürlicher Ressourcen und insbesondere unter Vermeidung hoher Emissionswerte zu optimieren.

Das Herzstück der Energieumwandlung bildet bei Gasturbinenanlagen die Brenn­ kammer, in der Gas- und/oder flüssiger Brennstoff mit vorverdichteter Luft ge­ mischt und zur Zündung gebracht wird. Die Verbrennung des in Luft zerstäubten Brennstoffes soll dabei möglichst vollständig erfolgen, so daß der gesamte Brennstoff unter Entwicklung möglichst hoher Temperaturen verbrennt. Zum einen trägt eine möglichst restlose Verbrennung des Brennstoffes zu einer optimalen Energieumsetzung bei, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Gasturbinenan­ lage wesentlich bestimmt wird, zum anderen können bei möglichst hohen Ver­ brennungstemperaturen die Emissionsgase NO_x sowie CO₂-Gase erheblich redu­ ziert werden, wodurch die Umweltbelastung entscheidend positiv beeinflußt wer­ den kann.

Neben der Optimierung von Brennereinrichtungen, die eine möglichst homogene Brennstoffzerstäubung und somit eine gleichmäßige Verbrennung bewirken, kommt es insbesondere beim Betrieb moderner Brennereinrichtungen, wie sie beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 321 809 B1 beschrieben sind, darauf an, daß die komprimierte Luft im Plenum der Brennereinrichtung möglichst in einem ungestörten Luftstrom frei von Turbulenzen und in gerichteter Weise zur Verfügung steht. Moderne Brenner, wie sie aus der vorstehend zitierten Druckschrift zu entnehmen sind, weisen konische Konturen auf, die längs zu ihrer Konusaußenseite schmale Einlaßschlitze vorsehen, durch die der für die Vermi­ schung von Brennstoff und Luft erforderliche Luftstrom einzukoppeln ist.

Anhand der den Stand der Technik darstellenden Fig. 1a und 1b sollen die Probleme aufgezeigt werden, die mit der Strömungsführung innerhalb eines Ple­ nums verbunden sind, in die ein Luftstrom möglichst turbulenzfrei in Einlaßöffnungen eines im Plenum vorgesehenen Brenners gerichtet werden soll.

In Fig. 1a ist ein Gehäuse G dargestellt, in das über Einlaßöffnungen 4, 5 Gasströme 1, 2 eingeblasen werden. In einem Aufprallpunkt A der beiden Gasströme 1, 2, im folgenden Teilstrahlen genannt, verschwindet die Geschwin­ digkeit im statistischen Mittel. Außerdem erreichen die Grenzstromlinien der bei­ den Teilstrahlen 1, 2, die durch den Aufprallpunkt A verlaufen, an dieser Stelle den gleichen statischen Druck. Aus diesen Gründen muß auch der Gesamtdruck auf beiden Grenzstromlinien gleich sein. In der Regel erfahren die beiden Teil­ strahlen 1, 2 auf ihrem Weg vom Verdichterdiffusor, durchs Kühlsystem der Brennkammer bis zur Lufthaube/Plenum der Brennkammer unterschiedliche Reibungsverluste, weil die Eintrittsgeschwindigkeiten in das Plenum 6 der Brenn­ kammer nicht genau gleich sind. Aus diesem Grund weisen die Teilstrahlen 1, 2 unterschiedliche Totaldrücke auf. Durch den Totaldruckunterschied der beiden Teilstrahlen 1, 2 verschiebt sich der Aufprallpunkt A der zwei Teilstrahlen zwin­ gend (wie in Fig. 1b dargestellt) in unmittelbare Nähe der Einlaßöffnung des Teil­ strahles mit dem kleineren Totaldruck.

Aufgrund der vorstehend geschilderten, strömungsimmanenten Eigenschaften von mehreren, in das Innere eines Gehäuses eingebrachten Gasströmungen zu deren gegenseitigen Vermischung bzw. Vereinigung, wird die in Fig. 1b im Idealfall dargestellte Luftversorgung eines Brenners 9, der innerhalb eines Plenums 6 an­ geordnet ist, stark beeinträchtigt.

Das Plenum 6 ist umgeben von einer Gehäusewand G und weist an der linken Seite zwei Einlaßöffnungen 4, 5 für zwei Gasströme 1, 2 auf, die entlang der Ge­ häuseinnenwand 3 in das Innere des Plenums 6 geleitet werden. Die Gasströme 1, 2 treffen in einem, um den Aufprallpunkt A befindlichen Bereich zusammen, von dem aus ein gemeinsamer, freier Gasstrom 7 in das Innere des Plenums 6 ent­ steht. Im Idealfall sollte der gemeinsame, freie Gasstrom 7 in eine spaltförmige Einlaßöffnung 8 des Brenners 9 eintreten und dort mit gasförmigen und/oder flüssigem Brennstoff vermischt und in einer Brennkammer 15 zur Zündung ge­ bracht werden.

Aufgrund der vorstehenden Strömungseffekte bildet sich jedoch der gemeinsame, freie Gasstrom nicht zu einer ungestörten, einheitlich Strömung aus, sondern un­ terliegt einer unsteten relativ zur Einlaßöffnung 8 des Brenners lateralen Bewe­ gung und weist überdies sehr starke turbulente Strömungsanteile auf. Dies jedoch führt in der Regel zu starken Beeinträchtigungen der aerodynamischen Eigen­ schaften des Brenners 9, die sich nicht zuletzt auf eine schlechte Verbrennung auswirken, wodurch die Emissionswerte des Brenners erheblich verschlechtert werden. Ebenso kann es in Verbindung mit Turbulenzeffekten innerhalb des Brenners, die durch den gemeinsamen eintretenden Gasstrom 7 initiiert werden, zu Rückzündeffekten kommen, die zum Erlöschen der Brennflamme oder zu Überhitzungen führen können.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Plenum, insbesondere das Luftzu­ fuhrplenum einer Gasturbinenbrennkammer, mit wenigstens zwei Strömungsein­ lässen, zum Einbringen von Gasströmen in das Plenum, in der die Gasströme im wesentlichen entlang der Innenwand des Plenums geführt und derart aufeinan­ dergerichtet sind, daß die Gasströme nach Zusammentreffen als freier Gasstrom von der Innenwandung weggerichtet sind, derart weiterzubilden, daß sich ohne großen konstruktiven und fertigungstechnischem Aufwand der sich bildende freie Gasstrom möglichst homogen ausbilden kann, so daß die Versorgung des Bren­ ners mit Zuluft in einer den Verbrennungsvorgang gerechtwerdenden Weise im Lichte der vorstehend angesprochenen Ressourcenschonung und Reduzierung der Abgaswerte bewerkstelligt werden kann. Die zu treffenden Maßnahmen sol­ len auch bei bereits in Betrieb befindlichen Anlagen nachrüstbar sein.

Die Lösung der Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 7 angegeben. Den Erfin­ dungsgedanken vorteilhaft ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Erfindungsgemäß ist ein Plenum gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der­ art ausgestaltet, daß an der Innenwandung wenigsten ein, im wesentlichen or­ thogonal zur Strömungsrichtung der an der Innenwandung geführten Gasströme orientiertes Strömungshindernis vorgesehen ist.

Das Strömungshindernis ist vorzugsweise aus mehreren orthogonal aus der In­ nenwandung erhabene Rippenzüge ausgebildet, deren Breite und Höhe in etwa gleich groß dimensioniert sind. Das Strömungshindernis soll den, an der Innen­ wandung anliegenden Gasstrom von dieser ablösen, so daß die strömungsrele­ vante Beeinflussung der Wand auf den Gasstrom herabgesetzt wird.

Ferner soll das dem Gasstrom entgegenstehende Hindernis kinematische Strö­ mungsenergie entziehen. Versuche haben gezeigt, daß in das Plenum eintreten­ de Luftströme mit Strömungsgeschwindigkeiten von ca. 70 m/s sehr große Stö­ rungen der Brenner verursachen können, die durch die Einflußnahme der Wän­ de, an denen die Gasströme geführt sind, bedingt sind. Bei Verringerung der Strömungsgeschwindigkeiten auf Geschwindigkeitswerte von unter 20 m/s neh­ men die Störungen deutlich ab, so daß die in das Plenum geführten Luftströme weitgehend zu gleichmäßigen, freien Strömungen zusammengeführt werden können. Eine wirksame Möglichkeit der Reduzierung der kinetischen Energie der Gasströme ist mit den erfindungsgemäßen Strömungshindernissen erreichbar.

Eine weitere Möglichkeit, die kinetische Strömungsenergie der in ein Plenum ein­ strömenden Gasströme auf die vorstehend genannte Geschwindigkeit von unter 20 m/s zu reduzieren ist mit einer erfindungsgemäßen Formgebung der Einlaßöffnungsbereiche, an denen die Gasströme in das Innere des Plenums eintreten, zu erreichen.

Erfindungsgemäß ist ein Plenum gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der­ art auszugestalten, daß die Innenwandung an Bereichen der Strömungseinlässe in Art einer, den Umfang der Innenwandung erweiternden Stufe mit der Stufenhö­ he b ausgebildet ist, und daß der Stufe in das Kapselinnere gegenüberliegend ein, den in das Plenum eintretende Gasstrom begrenzender Führungssteg der Länge l vorgesehen ist.

Eine derartige Modifikation des Eintrittsbereiches von Gasströmen in das Plenum führt ebenso zu einer Herabsetzung der Turbulenzeffekte innerhalb des Plenums, ist jedoch mit höherem konstruktiven und technischem Aufwand verbunden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfin­ dungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offen­ barung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1a Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Ausbreitungsverhaltens zweier in einem Gehäuse geführten Gasströme,

Fig. 1b Querschnittsdarstellung durch ein Plenum mit idealen Strömungsver­ hältnissen,

Fig. 2 Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit ei­ nem Strömungshindernis,

Fig. 3 Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit mo­ difizierten Strömungseinlaßbereichen,

Fig. 4a Querschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Plenum mit Strömungshindernissen,

Fig. 4b Draufsicht und Seitenansicht einer gestaffelten Anordnung von Strö­ mungshindernissen,

Fig. 5 Querschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgestaltetes Plenum.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In das Innere eines Plenums 6 gelangen in dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungs­ beispiel zwei getrennte Gasströme 1 und 2 durch die Einlaßöffnungen 4 und 5. Die Gasströme 1 und 2 sind jeweils an der Gehäuseinnenwand 3 geführt. Zur Re­ duzierung der Strömungsgeschwindigkeit der sich ausbreitenden Gasströme 1, 2 sowie der Herabsetzung der Einflußnahme der Wand G auf die jeweiligen Gasströme ist erfindungsgemäß eine Rippe 11 orthogonal zur Strömungssrich­ tung sowie zur Gehäuseinnenwand 3 vorgesehen. Die auf die Rippe 11 auftref­ fenden Strömungsanteile werden im wesentlichen senkrecht zur Gehäuseinnen­ wand 3 in das Innere des Plenums 6 in Richtung des Brenners 9 als freie Gasströme 7 abgelenkt. Der Brenner 9 verfügt über wenigstens eine spaltförmige Einlaßöffnung 8, durch die die freien Gasströme 7 in das Innere des Brenners 9 eintreten können. Nur dem besseren Verständnis der Darstellung in Fig. 2 halber sei darauf hingewiesen, daß flüssiger- und/oder gasförmiger Brennstoff von rechtskommend in den Brenner 9 eingeleitet wird und innerhalb des sich weitern­ den, konischen Brennerabschnittes mit der Zuluft vermischt wird.

Das Plenum 6 weist nur eine einzige Rippe 11 auf, die symmetrisch beidseitig von den beiden Gasströmen 1 und 2 beaufschlagt wird. Mit dieser einfachen orthogonal zur Strömungsrichtung orientierten Rippe, kann ein unkontrolliertes Einströmen von Zuluft in den Brenner vermieden werden. Es bilden sich wie in der Figur mit­ tels Pfeildarstellung gezeigt, homogene Strömungskreisläufe aus, die den Brenner durch die Einlaßöffnung 8 kontinuierlich mit Zuluft versorgen. Zwar verbleibt mit dieser Maßnahme noch sehr viel Strömungsenergie in den Gasströmen, doch führt die symmetrische, beidseitige Beaufschlagung des Hindernisses mit Gasströmen zu kontrollierten Zirkulationen innerhalb des Plenums.

In Fig. 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform für das kontrollierte Einströmen von Gasströmen in ein Plenum 6 vorgesehen. Im Bereich der Strö­ mungseinlässe 4 und 5 mit einem Strömungsquerschnitt a ist die Innenwandung 3 jeweils mit einer querschnittsvergrößernden Stufe 12 mit einem Strömungsquer­ schnitt b ausgebildet. Der Stufe 12 gegenüberliegend ist ein Führungssteg 13 der Länge l vorgesehen. Mit Hilfe der in der Fig. 3 ausgebildeten Einlaßkontur kann die Strömungsgeschwindigkeit effektiv auf Werte von unter 20 m/s reduziert wer­ den. Hierfür sind insbesondere folgende Dimensionierungen vorzusehen: b/a ∼ 2 sowie l/b ≧ 3.

In Fig. 4b ist eine vorteilhafte Anordnung der Strömungshindernisse in Form ein­ zelner Rippen 11 dargestellt, die gleichsam der Anordnung einer an sich bekann­ ten "Lawinen-Verbauung" gleichen. Die linke in Fig. 4b dargestellte Anordnung zeigt einzelne Rippen 11 in Draufsicht, aus der zu entnehmen ist, das die Rippen 11 gestaffelt hintereinander angeordnet sind, so daß sie der senkrecht auf sie auftreffenden Gasströmung (siehe Pfeile) ein vollständiges Hindernis darstellen. Eine Anordnung der in Fig. 4b dargestellten Weise führt zu einer sehr effizienten Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit sowie Ablösung der Strömung von der Gefäßinnenwand. Besonders geeignet sind Rippendimensionen, deren Höhe und Breite in etwa gleich dimensioniert sind. In der rechten Darstellung gemäß Fig. 4b ist die Seitenansicht zu der in Fig. 4a dargestellten Rippenanordnung dar­ gestellt.

Bei der Verwendung nur eines einzigen Rippenzuges, der dem Gasstrom mit ei­ ner gesamten Längserstreckung entgegensteht, hat sich gezeigt, daß der Gasstrom das Rippenhindernis lediglich überströmt und sich auf der strömungs­ abgewandten Seite an die Gefäßwand wieder anschmiegt. Diese Erscheinung wird auch als "Coanda-Effekt" bezeichnet.

Die in Fig. 4b dargestellte Anordnung einzelner Strömungshindernisse, deren ein­ zelne Längen nicht viel größer als ihre Höhen sind, vermag den vorstehend ge­ nannten Coanda-Effekt wirksam zu unterdrücken, so daß der Gasstrom, der ei­ nen Rippenzug passiert hat, nicht mehr an der Gefäßinnenwand anliegt. Durch die erfindungsgemäß ausgebildeten Strömungshindernisse wird die flächige Strömungsform entlang der Gefäßinnenwand unterbrochen, wodurch sich ein gleicher statischer Druck auf beiden Seiten des Strömungshindernisses im Gasstrom einstellt.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme des Vorsehens "lawinenverschlagar­ tig" angeordneten Rippenzügen entlang der Gefäßinnenwand können die Gasströme entscheidend abgebremst und in einen freien homogenen Gasstrom 7 kanalisiert werden. Eine bessere, gleichmäßigere Versorgung des Brenners mit Zuluft ist auf diese Weise möglich.

Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Strömungsverlauf zweier Gasströme 1 und 2, die an einer Rippe 11 entsprechend abgelenkt werden. Die Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 5 entspricht einem Schnitt durch das Plenum einer nicht dargestellten Ringbrennkammer. Eine so ausgestaltete Rippe kann jedoch auch bei beliebigen anderen Plenen angeordnet werden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Bezugszeichenliste

1

Gasstrom, Teilstrahl

2

Gasstrom, Teilstrahl

3

Gehäuseinnenwand

4

Einspritzdüse, Einlaßöffnung

5

Einsspritzdüse, Einlaßöffnung

6

Plenum

7

Gemeinsamer bzw. freier Gasstrom

8

Einlaßöffnung

9

Brenner

11

Rippen, Strömungshindernis

12

Stufe

13

Führungssteg

14

Öffnung

15

Brennkammer
a Strömungsquerschnitt

5

,

4

b Strömungsquerschnitt
l Länge

13

A Aufprallpunkt
G Gehäuse, Plenumgehäuse

Claims (9)

1. Plenum (6), insbesondere das Luft-Plenum einer Gasturbinenbrennkam­ mer, mit wenigstens zwei Strömungseinlässen (4, 5), zum Einbringen von Gasströmen (1, 2) in das Plenum (6), in der die Gasströme (1, 2) im we­ sentlichen entlang der Innenwandung (3) des Plenums geführt und derart aufeinandergerichtet sind, daß die Gasströme (1, 2) nach Zusammentref­ fen als freier Gasstrom (7) von der Innenwandung (3) weggerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwandung (3) wenigstens ein, in Wirkverbindung zur Strömungsrichtung der an der Innenwandung (3) ge­ führten Gasströme (1, 2) orientiertes Strömungshindernis (7) vorgesehen ist.

2. Plenum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungshindernis (7) im wesentlichen orthogonal zur Strömungsrichtung der an der Innenwandung (3) geführten Gasströme (1, 2) orientiert ist.

3. Plenum nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Gasstrom (1, 2) wenigstens ein Strömungshindernis (11) vorgesehen ist.

4. Plenum nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungshindernis (11) eine orthogo­ nal von der Innenwandung (3) erhabene Rippe ist, deren Breite und Höhe in etwa gleich groß sind.

5. Plenum nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (11) an der Innenwandung (3) in wenigstens zwei Reihen in Strömungsrichtung des Gasstromes (1, 2) wechselweise hintereinander derart angeordnet sind, daß die Rippen (11) in Strömungsrichtung nebeneinander stehen.

6. Plenum nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Plenum (6) ein Brenner (9) vorgesehen ist, der eine Einlaßöffnung (8) aufweist, in die der freie Gasstrom (7) ein­ leitbar ist.

7. Plenum nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung (3) im Bereich des Strö­ mungseinlasses (4, 5) mit Mitteln zur Reduzierung der Strömungsge­ schwindigkeit des eintretenden Gasstromes (1, 2) versehen ist.

8. Plenum nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung (3) an den Bereichen der Strömungseinlässe (4, 5) in Art einer, den Umfang der Innenwandung (3) erweiternden Stufe (12) ausgebildet ist.

9. Plenum nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stufe (12) in das Kapselinnere gegen­ überliegend ein, den in das Plenum (6) eintretenden Gasstrom (1, 2) be­ grenzender Führungssteg (13) vorgesehen ist.