DE2523449C3

DE2523449C3 - Brennkammer für Gasturbinen

Info

Publication number: DE2523449C3
Application number: DE19752523449
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Math. 4330 Mühlheim Maghon; Manfred 4330 Mühlheim Witzleben
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1975-05-27
Filing date: 1975-05-27
Publication date: 1981-03-26
Also published as: DE2523449A1; DE2523449B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinen mit einem Flammrohr, das mindestens einen Brenner aufweist, und mit einem sich daran anschließenden, das Flammrohr überlappenden Misch- w rohr, wobei Flammrohr und Mischrohr gesondert aufgehängt sind und die Verbrennungs- bzw. Mischluft über einen zwischen Flammrohr sowie Mischrohr und Brennkammergehäuse ge'jildetei Ringspalt den Brennern bzw. öffnungen im Mkchrohr zuströmt und wobei « durch unterschiedliche Wärmedehi ing von Flammrohr und Mischrohr die Größe der Öffnungen und damit die Zufuhr der Verbrennungs- und Mischluft steuerbar ist.

Aus der DE-OS 20 12 948 ist eine Brennkammer bekannt, bei welcher sich das Flammrohr und das daran ■"> anschließende Mischrohr überlappen, wobei die Verbrennungs bzw. Mischluft über einen zwischen Flammrohr sowie Mischrohr und Brennkammergehäuie gebildeten Ringspalt den Brennern bzw. Öffnungen im Mischrohr und einem im Überlappungsbereich ⁴^ gebildeten ringförmigen Querschnitt zuströmt. Bei dieser Brennkammer ist keine Regelung der Verbrennungs- bzw. Mischluft vorgesehen, d.h. die Brennkammer wird im Teillastbereich mit der gleichen Verbrennungs- bzw. Mischluftmenge beaufschlagt wie bei Vollast. Der Luftüberschuß ist daher für die geringe Brennstoffmenge bei Teillast zu jtroß, so daß die Flamme »kalt« brennt. Es kommt somit zur Rußbildung, wobei die Bacharachzahlen auf den doppelten Wert wie bei Vollast ansteigen. ">">

Bei einer ähnlich aufgebauten, aus der DE-AS 12 82 355 bekannten Brennkammer für Gasturbinen ist zusätzlich eine Regulierung für die Zufuhr der Verbrennungsluft vorgesehen, welche durch Verschieben eines Verstellzylinders den Querschnitt der entsprechenden Durchströmöffnung ändert. Hierdurch kann im Teillastbereich die Menge Ger Verbrennungs= luft an die geringe Brennstoffmenge angepaßt werden. Neben einem erheblichen konstruktiven Aufwand für die Betätigung des Verstellzylinders sind bei dieser bekannten Regulierung jedoch auch noch zusätzliche Regelarmaturen für die Einstellung der jeweils benötigten Verbrennungsluftmenge erforderlich.

Durch die DE-PS 9 56 453 und die GB-PS 7 00 005 ist es auch bekannt, sowohl bei der Zufuhr von Verbrennungsluft als auch bei der Zufuhr von Mischluft zur Veränderung der durchtretenden Luftmengen teleskopartige Überlappungen vorzusehen. Zur Regulierung sind hier aber ebenfalls aufwendige, aus der Brennkammer hinausführende Gestänge und zusätzliche Regelarmaturen erforderlich.

Bei ein-ϊΓ aus der US-PS 28 37 893 bekannten Brennkammer der eingangs genannten Art kvJin auf derartige Gestänge und Regelarmaturen verzichtet werden. Bei dieser bekannten Brennkammer überlappen sich das Flammrohr und das Mischrohr über weite Abschnitte ihrer Länge, wobei im Überlappungsbereich kreisförmige Löcher für die Zufuhr von Verbrennungsluft und kreisförmige Luftlöcher für die Zufuhr von Mischluft vorgesehen sind. Die einander zugeordneten Löcher im Flammrohr und im Mischrohr sind hierbei so angeordnet, daß sie im kalten Zustand und bei Teillast etwas zueinander versetzt sind und erst im betriebswarmen Zustand bei Vollast aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnung von Flammrohr und Mischrohr fluchten. Mit zunehmender Erwärmung wird also mehr Luft in die Verbrennungszone geführt, wobei allerdings auch gleichzeitig mehr Luft in die Mischzone eingeführt wird. Außerdem v/ird in dem relativ weiten Überlappungsbereich von Flammrohr und Mischrohr das innenliegende Flammrohr durch -das äußere Mischrohr von dem kühlen Luftstrom in dem umgebenden Ringspalt abgeschirmt. Diese Abschirmung des von den heißen Verbrennungsgasen voll beaufschlagten Flammrohres kann zu unzulässigen Erwärmungen irr Überlappungsbereich führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer zu schaffen, bei der einerseits im Teillastbereich die Zufuhr von Verbrennungsluft ohne gesonderte Regelarmaturen selbsttätig verringert wird und bei der andererseits das Flammrohr wirksam gekühlt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ausgehend von einer Brennkammer der eingangs genannten Art vorgesehen, daß die öffnungen als vom freien, das Flammrohr überlappenden Ende des Mischrohres ausgehende und in axialer Richtung verlaufende Schlitze ausgebildet sind und daß die axiale Länge der Schlitze höchstens gleich der Überlappung von Mischrohr und Flammrohr im betriebswarmen Zustand bei Vollast ist.

Durch diese Anordnung der Schlitze, die sich bei steigender Brennkammertemperatur selbsttätig verschließen, wird dsn Brennern mit zunehmender Leistung auf Kosten der Mischluftzufuhr mehr Verbrennungsluft zugeführt. Somit ergibt sich eine den verschiedenen Betriebsbedingungen der Gasturbine optimal angepaßte selbsttätige Regulierung der Verbrennungsluftmenge. Außerdem wird durch die geringfügige Überlappung am Ende des Flammrohrs und am Anfang des Mischrohres die wirksame Kühlung beider Rohre nicht behindert. Zusätzlich haben die Schlitze gegenüber kreisförmigen Löchern den Vorteil, daß sich der Durchtrittsquerschnitt und somit auch die Verbrennungsluftmenge gleichmäßig mit der Temperatur bzw. der Leistung ändert,

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Dab _'i zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Brennkammer nach der Erfindung und die

F i g. 2a und 2b zeigen einen Teilquerschnitt entspre-

chend der Schnittlinie TI-II nach Fig. 1 im Bereich der Überlappung von Flammrohr und Mischrohr, und zwar einmal im kalten und einmal im warmen Zustand.

Wie aus dem Läng«jchnitt nach F i g. 1 zu ersehen ist, besteht die Brennkammer aus einem zylindrischen Brennkammergehäuse 1, das am oberen Ende einen stirnseitigen Abschluß 2 aufweist Im oberen Teil dieses Brennkammergehäiises ! ist das Flammrohr i angeordnet, in dessen obere Stirnseite 4 die eigentlichen Brenner 5 hineinragen. Das Flammrohr 3 ist dabei am oberen Ende über die Führungsstücke 6 am Brennkammergehäuse 1 aufgehängt Unterhalb des Flammrohres 3 schließt sich das Mischrohr 7 an, das dann zur eigentlichen und hier nicht näher dargestellten Gasturbine führt. Dieses Mischrohr 7 ist über zwei gegenüberliegende Bolzen 8 im Brennkammergehäuse 1 aufgehängt wobei auf die geometrische Lage dieser Aufhängung später noch eingegangen wird.

Die Verbrennungs- bzw. Mischluft aus dem ebenfalls nicht näher dargestellten Kompressor strömt nun entsprechend den Pfeilen 15 über einen zwischen dem Mischrohr 7 byw. dem Flammrohr 1 und dem Brennkammergehäuse 1 verlaufenden Rings, alt 9 und kühlt somit gleichzeitig die einzelnen Gehäuseteil. Die Verbrennungsluft, deren Anteil etwn ein Drittel der -'ί zugeführten Gesamtluftmenge beträgt, 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 zugeführten Gesamtluftmenge ist bereits vorher als »> Mischluft abgezweigt und über die radialen öffnungen 11 im Oberteil des Mischrohres 7 in dieses eingeströmt.

Wenn nun Menge und Aufteilung der zuströmenden Verbrennungsluft und der zuströmenden Mischluft nicht geregelt werden, so strömen über die Drallschaufeln 10 >'> und die öffnungen 11 stets die gleichen Anteile der Verbrennungsluft und der Mischluft in das Flammrohr 3 bzw. das Mischrohr 7. Das bedeutet, daß die Brenner 5 bei Vollast und auch bei Teillast stets mit der gleichen Verbrennungsluftmenge beaufschlagt werden, was je- ίο doch bei Tr^:!last zu einer Verbrennung mit kalter, d. h. lehr rußiger Flamme führt.

Um nun aber eine Drosselung der Verbrennungsluftmenge für die Brenner 5 bei Teillast /u erreichen, sind die insbesondere aus den Teilquerschnitten nach F i g. 2a und F i g. 2b ersichtlichen Maßnahmen vorgesehen. Hiernach sind in das obere Ende des Mischrohres 7. das das untere Ende des Flammrohres 3 überlappt. Durchtrittsöffnungen in Form von axialen Schlitzen 12 eingebracht, die so lang sind, daß sie im kalten Zustand '*> der Brennkammer übe das untere Ende 13 des Flammrohres 3 hinausragen und somit frei durchströmbare öffnungen der Breite b ergeben. Über die axialen Schlitze 12 strömt dann bei noch kalter Brennkammer und somit auch bei geringer Teillast schon ein Teil der über den Ringspalt 9 zuströmenden Gesamtluftmenge in das Mischrohr 7 ein, so daß bei einem vergrößerten Anteil der Mischluftmenge den Brennern 5 ein geringerer Anteil an Verbrennungsluft zugeführt wird und die Brennstoffe ohne rußbildenden Luftüberschuß verbrennen.

Wie im folgenden erläutert wird, schließen sich die Schlitze 12 jeaoch bei zunehmender Betriebstemperatur und damit steigender Leistung infolge der unterschiedlichen Wärmedehnungen von Mischrohr 7 und Brennkammergehäuse 1. Um das zu ermöglichen, sind die beiden Bolzen 8 zur Aufhängung des Mischrohres 7 im Schnittpunkt der beiden Mittellinien des vertikalen und des horizontalen Abschnittes des Mischrohres 7 angeordnet d. h. im Abstand 1 von e'er Oberkante des das Flammrohr 3 überlappenden Mischrohres 7. Da die Bolzen 8 als Fixpunkt für das Mischrohr 7 dienen, wird sich bei Erwärmung das Mischrohr "" iber die Lange 1 nach oben, also entgegen der Sirörpjnpsrich'-ing der heißen Verbrennungsgase ausdehnen. Da nun Brennkammergehäuse 1 und Mischrohr 7 üblicherweise unterschiedliche Temperaturen annehmen und Zusätzlich aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sein können, ergibt sich eine unterschiedliche Dehnung von Brennkammergehäuse 1 und Mischrohr 7. so daß die Überlappung zwischen Mischrohr 7 und Flammrohr 3 größer wird und demzufolge die Schlit/e 12 ganz vom innenliegen den Flammrohr 3 abgedeckt sind. Wenn dabei beispielsweise das Brennkammergehäuse 1 cnen Ausdehnungskoeffizienten vor. 1.2 und das Mischrohr 7 einen Ausdehnungskoeffizienten von 1.8 bei Betriebs temperaturen vor. 35O^CC b/vv 780' C aufweisen und die Dehnlänge /= 1700 mm beträgt, so dehnt sich das Brennkammergehäuse 1 im Bereich der Dehnlänge/um 7.15 mm nach unten und das Mischrohr 7 um 239 mm nach oben. Um diesen Differenzbetrag von lb.7bmm. der der Spaltbreite b nach F ι g. 2a entspricht, verändert sich also die Überlappung von Flammrohr 3 und Mischrohr 7. so daß die Schlitze 12 zugehen. Es sei dabei angenommen, daß Flammrohr 3 und Brennkammergehäuse 1 gleiche Temperatur und gleiche AusJehnungskoeffizienten aufweisen, so daß sich hierbei kein Längendehnungsunterschied ergibt.

Mit der beschriebenen Anordnung ist es also auf einfache Weise möglich, den Verbrennungsluftüberschuß im Teillastbereich für die Brenner 5 zu verringern, so daß sich eine optimale Verbrennung ohne Rußentwicklung ergibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Brennkammer für Gasturbinen mit einem Flammrohr, das mindestens einen Brenner aufweist, und mit einem sich daran anschließenden, das Flammrohr überlappenden Mischrohr, wobei Flammrohr und Mischrohr gesondert aufgehängt sind und die Verbrennungs- bzw. Mischluft über einen zwischen Flammrohr sowie Mischrohr und Brennkammergehäuse gebildeten Ringspalt den Brennern bzw. öffnungen im Mischrohr zuströmt und wobei durch unterschiedliche Wärmedehnung von Flammrohr und Mischrohr die Größe der öffnungen und damit die Zufuhr der Verbrennungs- und Mischluft steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, '5 daß die öffnungen als vom freien, das Flammrohr (3) überlappenden Ende des Mischrohres (7) ausgehende und in axialer Richtung verlaufende Schlitze (12) ausgebildet sind und daß die axiale Länge der Schlitze (12) höchstens gleich der Überlappung von Mischrohr {⁷) und Flammrohr (3) im betriebswarmen Zustand bei Vollast ist.