DE2523449A1

DE2523449A1 - Brennkammer fuer gasturbinen

Info

Publication number: DE2523449A1
Application number: DE19752523449
Authority: DE
Inventors: Helmut Maghon; Manfred Witzleben
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1975-05-27
Filing date: 1975-05-27
Publication date: 1976-12-02
Also published as: DE2523449C3; DE2523449B2

Description

Brennkammer für Gas turbinen Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für Gasturbinen mit einem mindestens einen Brenner aufweisenden Flammrohr und einem daran anschließenden Mischgehäuse, die koaxial innerhalb eines zylindrischen Brennkammermantels angeordnet sind, wobei die Verbrennungsluft über einen zwischen Flammrohr sowie Mischgehäuse und Brennkammermantel gebildeten Ringspalt den Brennern und Eintrittsöffnungen im Mischgehäuse zuströmt.
Derartige Brennkammern sind beispielsweise aus der DU-OS 2 012948 bekannt. Wenn bei derartigen Brennkammern aus Gründen einer möglichst einfachen Konstruktion eine Regulierung der Luftmenge fehlt, so wird die Brennkammer im Teillastbereich mit der gleichen Luftmenge beaufschlagt wie bei Vollast. Der Luftüberschuß ist daher für die geringere Brennstoffmenge bei Teillast zu groß, so daß die Flamme kalt" brennt. Es kommt somit zur Rußbildung, wobei die Bacharachzahlen auf den doppelten Wert wie bei Vollast ansteigen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer zu schaffen, bei der im Teillastbereich der Luftüberschuß verringert wird, ohne daß dafür jedoch gesonderte Regelarmaturen für die Verbrennungsluft erforderlich sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ausgehend von einer Brennkammer der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß zur Reduzierung des Verbrennungsluftüberschusses im Teillastbereich das Flammrohr und das Mischgehäuse jeweils gesondert im Brennkammermantel aufgehängt sind, derart, daß das Ende des Mischrohres das Ende des Flammrohres überlappt und daß in das überlappende Ende des Mischrohres Verbrennungsluftdurchtrittsöffnungen eingeschnitten sind, die bei zunehmender Brennkammertemperatur durch unterschiedliche Wärmedehnung von Brennkammermantel und Mischgehäuse durch das innenliegende Flammrohr abgedeckt sind.
Zweckmäßigerweise ist dazu das Mischgehäuse in einem vorgegebenen Abstand vom Überlappungsende an zwei Bolzen im Brennkammermantel aufgehängt. Ferner kann das Mischgehäuse aus einem Material mit einem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das des Brennkammermantels hergestellt werden.
Zweckmäßigerweise ist ferner die axiale Länge der vom freien Ende des Mischrohres ausgehenden und als Schlitze ausgebildeten Verbrennungsluftzuführungsöffnungen höchstens gleich der Länge der tiberlappung von Mischrohr und Flammrohr im betriebswarmen Zustand bei Vollast.
Durch diese Anordnung von zusätzlichen Verbrennungsluftdurchtrittsöffnungen, die sich bei zunehmender Leistung und damit steigender Brennkammertemperatur selbständig verschließen, ist also auf einfache Weise eine Steuerung der Verbrennungsluftströme möglich, so daß die eigentlichen Brenner bei Teillast nur mit einer geringeren Luftmenge beaufschlagt werden.
Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Brennkammer nach der Erfindung und die Fig. 2a und 2b einen Teilquerschnitt entsprechend der Schnittlinie II-II nach Fig. 1 im Bereich der tiberlappung von Flammrohr und Mischgehäuse, und zwar einmal im kalten und einmal im warmen Zustand.
Wie aus dem Längsschnitt nach Fig. 1 zu ersehen ist, besteht die Brennkammer aus einem zylindrischen Brennkammermantel 1, der am oberen Ende einen stirnseitigen Abschluß 2 aufweist. Im oberen Teil dieses Brennkammermantels 1 ist das Flammrohr 3 angeordnet, in dessen obere Stirnseite 4 die eigentlichen Brenner 5 hereinragen. Das Flammrohr 3 ist dabei am oberen Ende über die Führungsstücke 6 am Brennkammermantel 1 aufgehängt. Unterhalb des Flammrohres 3 schließt sich das Mischgehäuse 7 an, das dann zur eigentlichen und hier nicht näher dargestellten Gasturbine führt.
Dieses Mischgehäuse 7 ist über zwei gegenüberliegende Bolzen 8 im Brennkammermantel 1 aufgehängt, wobei auf die geometrische Lage dieser Aufhängung später noch eingegangen wird.
Die Verbrennungsluft aus dem ebenfalls nicht näher dargestellten Kompressor strömt nun entsprechend den Pfeilen 15 über einen zwischen dem Mischgehäuse 7 bzw. dem Flammrohr 3 und dem Brennkammermantel 1 verlaufenden Ringkanal 9 und kühlt somit gleichzeitig die einzelnen Gehäuseteile. Ein Teil dieser Verbrennungsluft, und zwar etwa ein Drittel der zugeführten Gesamtluftmenge3 tritt über die Drallschaufeln 10 in die Brenner 5 ein und dient zur Verbrennung der über diese Brenner zugeführten Brennstoffe im Flammrohr 3. Der andere Teil der Verbrennungsluft ist bereits vorher abgezweigt und über die radialen Öffnungen 11 im Oberteil des Mischgehäuses 7 in dieses eingeströmt.
Wenn nun Menge und Aufteilung der zuströmenden Verbrennungsluft nicht geregelt werden, so strömen über die Radialgitter 10 und die Öffnungen 11 stets die gleichen Anteile der Gesamtverbrennungsluft in das Flammrohr bzw. das Mischgehäuse. Das bedeutet, daß die Brenner 5 bei Vollast und auch bei Teillast stets mit der gleichen Luftmenge beaufschlagt werden, was jedoch bei Teillast zu einer Verbrennung mit kalter, d. h. sehr rußiger Flamme führt.
Um nun ab-er eine Drosselung der Verbrennungsluftmenge für die Brenner bei Teillast zu erreichen, ist nach der vorliegenden Erfindung folgendes vorgesehen, wie insbesondere in den Deilquerschnitten nach Fig. 2a und Fig. 2b zu ersehen ist. In das obere Ende des Mischgehäuses 7, das das untere Ende des Flammrohres 3 überlappt, sind Verbrennungsluftdurchtrittsöffnungen in Form von axialen Schlitzen 12 eingeschnitten, die so lang sind, daß sie im kalten Zustand der Brennkammer über das untere Ende 13 des Flammrohres 3 hinausragen und somit frei durchströmbare Öffnungen der Breite b ergeben. Über diese freien Öffnungen 12 strömt dann bei noch kalter Brennkammer und somit auch bei geringer Teillast schon ein Teil der über den Ringspalt 9 zuströmenden Verbrennungsluft in das Mischgehäuse 7 ein, so daß den Brennern 5 ein geringerer Anteil an Verbrennungsluft zugeführt wird, so daß die Brennstoffe ohne rußbildenden Luftüberschuß verbrennen.
Wie im folgenden erläutert wird, schließen sich diese Öffnungen 12 jedoch bei zunehmender Betriebstemperatur und damit steigender Leistung infolge der unterschiedlichen Wärmedehnungen von Mischgehäuse 7 und Brennkammermantel 1. Um das zu ermöglichen, sind die beiden Bolzen 8 zur Aufhängung des Mischgehäuses 7 im Schnittpunkt der beiden Mittellinien des vertikalen und des horizontalen Mischrohrabschnittes angeordnet, d. h. im Abstand 1 von der Oberkante des das Flammrohr 3 überlappenden Mischgehäuses 7. Da die Bolzen 8 als Fixpunkt für das Mischgehäuse dienen, wird sich bei Erwärmung das Mischgehäuse über die Länge 1 nach oben, also entgegen der Strömungsrichtung der heißen Brenngase ausdehnen. Da nun Brennkammermantel 1 und Mischgehäuse 7 üblicherweise unterschiedliche Temperaturen annehmen und zusätzlich aus Werkstoffen mit unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sein können, ergibt sich eine unterschiedliche Dehnung von Brennkammermantel 1 und Mischgehäuse 7, so daß die Überlappung zwischen Mischgehäuse 7 und Flammrohr 3 größer wird, so daß dann die Öffnungen 12 ganz vom innenliegenden Flammrohr abgedeckt sind und somit wieder die ursprüngliche Verbrennungsluftverteilung erreicht wird. Wenn dabei beispielsweise der Brennkammermantel 1 einen Ausdehnungskoeffizien ten von 1,2 und das Mischgehäuse einen Ausdehnungskoeffizienten von 1,8 bei Betriebstemperaturen von 3500 C bzw. 7800 C aufweisen und die Dehnlänge 1=1700 mm beträgt, so dehnt sich der Brennkammermantel im Bereich der Dehnlänge 1 um 7,15 mm nach unten und das Mischgehäuse um 23,9 mm nach oben. Um diesen Differenzbetrag von 16,75 mm, der der Spaltbreite b nach Fig. 2a entspricht, verändert sich also die Überlappung von Flammrohr 3 und Mischgehäuse 7, so daß der Spalt zugeht. Es sei dabei angenommen, daß Flammrohrmantel und Brennkammermantel gleiche Temperatur und gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, so daß sich hierbei kein Längendehnungsunterschied ergibt.
Mit der beschriebenen Anordnung ist es also auf einfache Weise möglich, den Luftüberschuß im Teillastbereich für die Brenner zu verringern, so daß sich eine optimale Verbrennung ohne Rußentwicklung ergibt.

Claims

Patentansprüche

Brennkammer für Gasturbinen mit einem mindestens einen Brenner aufweisenden Flammrohr und einem daran anschließenden Mischgehäuse, die koaxial innerhalb eines zylindrischen Brennkammermantels angeordnet sind, wobei die Verbrennungsluft über einen zwischen Flammrohr sowie Mischgehäuse und Brennkammermantel gebildeten Ringspalt den Brennern und Eintrittsöffnungen im Mischgehäuse zuströmt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung des Verbrennungsluftüberschusses im Teillastbereich das Flammrohr (3) und das Mischgehäuse (7) jeweils gesondert im Brennkammermantel (1) aufgehängt sind, derart, daß das Ende des Mischrohres (7) das Ende des Flammrohres (3) überlappt, und daß in das überlappende Ende des Mischrohres (7) Verbrennungsluftdurchtrittsöffnungen (12) eingeschnitten sind, die bei zunehmender Brennkammertemperatur durch unterschiedliche Wärmedhnung von Brennkammermantel (1) und Mischgehäuse (7) durch das innenliegende Flammrohr (3) abgedeckt sind.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischgehäuse (7) in einem vorgegebenen Abstand vom Überlappungsende an zwei Bolzen (8) im Brennkammermantel (1) aufgehängt ist.
3. Brennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischgehäuse (7) aus einem Material mit einem größeren Ausdehnungskoeffizienten als das des Brennkammermantels (1) hergestellt ist.
4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des vom freien Ende des Mischgehäuses ausgehenden und als Schlitze (12) ausgebildeten Verbrennungsluftzuführungsöffnungen höchstens gleich der Länge der Überlappung von Mischgehäuse (7) und Flammrohr (3) im betriebswarmen Zustand bei Vollast ist.

L e e r s e i t e