DE2531328A1

DE2531328A1 - Brennkammer

Info

Publication number: DE2531328A1
Application number: DE19752531328
Authority: DE
Inventors: Oskar Erismann
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1975-06-25
Filing date: 1975-07-12
Publication date: 1977-01-13
Also published as: DE7522305U; US4090360A; FR2315664A1; JPS524916A; CH586375A5

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Brennkammer

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer, insbesondere für industrielle Gasturbinenanlagen, bei welcher die verdichtete Luft im Gegenstrom vom Lufteintritt der Brennkammer zur mit Wirbelschaufeln versehenen Primärluft-Einführung strömt.

Derartige Brennkammern sind bekannt (Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau, Sass-Bouche-Leitner, Band II, Springer Verlag, Berlin/ Göttingen/ Heidelberg 1961, Seite 378, Bild 120); sie sind in der Regel Industriegasturbinen als Einkammersystem vorgeschaltet. Gegenüber Mehrkammersystemen weisen sie unter anderem den Vorteil auf, dass Schwierigkeiten bei der exakten Aufteilung von Luft und Brennstoff vermieden werden.

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Es ist jedoch bekannt, dass bei einem Einkammersystem die Führung der Luft nach dem Verdichter nicht so wirkungsvoll ist wie beispielsweise bei einer symmetrisch zur Maschinenachse angeordneten und mehrere Kammern aufweisenden Ringbrennkammer.

Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere in der weiteren vorteilhaften Ausbildung des Bekannten in Bezug auf gleichmassige Beaufschlagung der Primärluft-Einführung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass stromaufwärts der Primärluft-Einführung eine Mehrzahl von verdrehbaren Umlenkkörpern vorgesehen ist.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere in der erhöhten Betriebstüchtigkeit der Brennkammer und letztlich der gesamten Anlage zu sehen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform können die Umlenkkörper in einem Ringkanal nahe am Lufteintritt der Brennkammer angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur die Primärluft, sondern ebenso die Sekundär- und Mischluft gleichmässig, insbesondere rotationssymmetrisch in die Brennkammer und die Mischzone einströmen. Zudem steht der zu korrigierenden Strömung eine längere Ausgleichsstrecke zur Verfügung. Die Anordnung der Umlenkkörper am Eintritt in die Brennkammer ist

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auch konstruktiv zu empfehlen, da sich sowohl in Bezug auf den Einbau als auch auf die Betätigung einfache Möglichkeiten bieten. Ferner ist es zweckmässig, wenn die Umlenkkörper unabhängig voneinander verdrehbar sind; eine optimale Feinverteilung des Durchsatzes über den Strömungskanal kann dadurch erzielt werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt; alle zum Verständnis der Erfindung nicht notwendigen Teile sind fortgelassen. Es zeigen:

Fig. 1 den thermischen Teil einer Gasturbinenanlage

Fig. 2 eine Ansicht entlang der Schnittlinie A-A nach Fig. 1

Fig. 3 die Anordnung eines Umlenkkörpers

Fig. 4 eine Abwandlung der Anordnung gemäss Fig. 3

Fig. 5 die Geschwindigkeitsverteilung der Brennluft im Ringraum ohne Einbauten

Fig. 6 die Geschwindigkeitsverteilung der Verbrennungsluft im Ringraum mit erfindungsgemässen Einbauten

Fig. 7 einige Beispiele von Ümlenkkörper-Stellungen

In der Fig. 1 sind die Strömungsrichtungen der Verbrennungsluft mit ausgezogenen Pfeilen, die der Brenngase mit gestrichelten Pfeilen dargestellt. Der besseren Uebersicht wegen sind die

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auf einer gemeinsamen Welle 1 angeordneten Verdichter 2 und Gasturbine 3 mit einem gemeinsamen Gehäuse 4 versehen, an dessen Stutzen die Brennkammer 5 angeflanscht ist. Die Verbrennungsluft wird im Verdichter 2 komprimiert und gelangt zwischen der Aussenwand 6 und der Innenwand 7 der Brennkammer 5 zur Primärlufteinführung 18, welche mit einem Drallkörper 8 in Form von Wirbelschaufeln versehen ist. Der Drallkörper umgibt die Brennstoffdüse oder kurz den Brenner 9.

Durch die Wirbelschaufeln gelangt die Luft in die Primärzone 10, in welcher sich der VerbrennungsVorgang abspielt. Die Wirbelschaufeln bewirken eine Drallströmung mit einem gegen den Brenner gerichteten Luftkern, welcher die Flamme am Brenner verankert, damit sie trotz der hohen Luftgeschwindigkeit nicht abreisst. Gleichsam wird durch die turbulente Strömung eine schnelle Verbrennung gesichert. Der Drallkörper ist derart ausgebildet, dass er mit seinem inneren Ring den Brenner umgibt und so einen Ringraum mit axialem Luftstrom um den Brenner schafft. Ist der Ringraum nicht Fleichförmig, beispielsweise durch unsymmetrische Beaufschlagung, so drückt dadurch, dass an einer Stelle die axial durchströmende Luftmenge zu klein ist, der im Wirbelkern entstehende Rückstrom die Flamme zu nahe an den Brenner und an die Wirbelschaufeln, wodurch diese überhitzt und beschädigt werden können.

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An der Sekundärstellen 11 strömt Zweitluft in den Brennraum und schützt die Brennkammerwände (Innenwand 7) durch Bildung eines Luftschleiers vor Ueberhitzung.

Eine gute Durchmischung der abströmenden Gase wird in der Mischzone 12 durch Einfährung von Mischluft durch die Löcher 13 erreicht. Der so erzielte hohe Grad von Durchwirbelung bewirkt eine gleichmässige Temperaturverteilung am Brennkammerauslass, aus dem die Brenngase über die als Ringkammer ausgebildete Düse IU in die Gasturbine 3 gelangen.

Aus den obengenannten Gründen ist für einen sicheren Betrieb der Brennkammer eine symmetrische Beaufschlagung der Wirbelschaufeln unumgänglich. Die drallbehaftete und ungleichmässige Einströmung aus dem Verdichteraustrittsstutzen in die Brennkammer ist in der Fig. 1 mit Pfeilen dargestellt. Es ist unschwer zu erkennen, dass der Grossteil der verdichteten Luft den rechten Teil des Ringkanals 16 beaufschlagt.

Bekannte Lösungen wie beispielsweise Längsleitbleche zwischen der Aussenwand 6 und der Innenwand 7 vermögen wohl die drallbehaftete Strömung gleichzurichten, bewirken jedoch keine gleichmässige Mengenverteilung über den Ringkanal 16.

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Erfindungsgeinäss sind nun im durchströmten Ringkanal 16 Umlenkkörper 17 angeordnet und zwar unmittelbar an dem durch den Flansch 15 bestimmten Lufteintritt.

In Fig. 2 ist die beispielsweise Anordnung von vierundzwanzig Umlenkkörpern 17 gezeigt.

Fig. 3 zeigt den konstruktiven Einbau eines als Schaufel ausgebildeten Umlenkkörpers 17. Gleiche Elemente wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Die Schaufel, . welche über nicht gezeigte Mittel wie beispielsweise Hebel, Gabelschlüssel oder Kurbel usw. von aussen betätigt werden kann, ist in einem Auge 19 mittels des Zapfens 20 drehbar gelagert und ist in der Offenstellung gezeigt.

Eine zweite mögliche Sch aufe^befestigung ist in Fig. h dargestellt. Der Umlenkkörper 17, in der geschlossenen Stellung gezeigt, ist wiederum mittels des Zapfens 20 von aussen verstellbar. Letzterer ist in einem Ring 21 gelagert, dessen Durchmesser demjenigen des Flansches 15 entspricht und der mit Durchgangslöchern entsprechend der Schaufelzahl versehen ist. Eine derartige Ausführung ist besonders geeignet für den nachträglichen Einbau in bestehenden Anlagen.

In beiden Konstruktionen wurde auf die Darstellung der Ab-

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dichtung verzichtet, welche auf irgendeine bekannte Art vorgenommen werden kann.

Die Wirkungsweise der Erfindung ist nun folgende:

Stromaufwärts von der Primärluft-Einführung 18 wird das bei diversen Betriebspunkten der Gasturbinenanlage vorliegende Geschwindigkeitsfeld mit Hessfühlern ausgetastet. Es wird dabei die Strömung in einem rotationssymmetrischen Strömungsquerschnitt, vorzugsweise dem Ringkanal 16 in Höhe der Primärzone 10 mit mehreren am Umfang verteilten Strömungssonden 22 auf Drallwinkel und Geschwindigkeit untersucht.

Zum besseren Verständnis sei der Fall behandelt, bei welchem alle Umlenkkörper 17 die offene Stellung (gemäss Fig. 3) einnehmen. Aufgrund der nur geringen Schaufelhöhe wird hiermit als einzige Wirkung lediglich eine vernachlässigbar kleine Gleichrichtwirkung ausgeübt; die mit den Sonden 22 ermitxelte Geschwindigkeitsverteilung entspricht demnach annähernd einer solchen, wie sie bei zum Stande der Technik zählenden Anlagen vorliegt.

Im Diagramm in Fig. 5 ist die an einem bestimmten Durchmesser des Ringkanals 16 gemessene Verteilung der Geschwindigkeiten gezeigt. Auf der Abszisse sind der abgewickelte Umfang in Winkelgraden entsprechend Fig. 2, auf der Ordinate die Ge-

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schwindigkeitswerte c aufgetragen. Was letztere betrifft, wird auf die Angabe von Absolutwerten verzichtet, da diese ohnehin aufgrund ihrer Abhängigkeit von allzu zahlreichen Parametern nur geringen Aussagewert aufweisen. Die dargestellte Kurve entspricht den Strömungsverhältnissen bei Vollast. Bezogen auf den Mittelwert der Geschwindigkeit sind Spitzen positiv und negativ im Bereich von 270 resp. 9 0 zu erkennen. Entsprechend diesen Verhältnissen ist die Beaufschlagung des Drallkörpers 8 ungleichmässig; der oben erwähnte ringförmige Luftstrom um den Brenner 9 kann nur sehr unvollkommen aufgebaut werden.

Nachzutragen bleibt noch, dass der besseren Uebersicht wegen eine rein axiale Strömung im Ringkanal 16 angenommen wurde, demnach die Gradeinteilung gemäss Fig. 2 und jene gemäss Fig. 5 vom gleichen Bezugspunkt aus betrachtet wurde. In Wirklichkeit ist die Strömung im Ringkanal 16 selbstverständlich mit einem vom jeweiligen Betriebspunkt abhängigen Drall behaftet; der Kurvenverlauf ist bei verschiedenen Belastungen ähnlich dem gezeigten, die Geschwindigkeits-Spitzen und -Dellen können jedoch bei anderen Winkelgraden auftreten.

Die erfindungsgemässen Einbauten gestatten nun eine gleichmassige Mengenvertexlung schon im unteren, die Mischzone 12 umgebenden Teil der Brennkammer 5. Die Schaufeln sind um 180 in allen denkbaren Positionen verstellbar; einige mögliche

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Positionen sind in Fig. 1 dargestellt, in welcher die Strömungsrichtung mit Pfeilen angegeben ist. Von den 24· erwähnten Schaufeln wird ein Segment mit nur 5 Elementen betrachtet:

Position a) entspricht der oben besprochenen; es findet keine
Korrektur statt.

Position b) zeigt eire geschlossene Schaufelanordnung; es findet keine Durchströmung statt.

Position c) korrigiert lediglich den Abströmwinkel, hat jedoch
kaum Einfluss auf die Mengenvertexlung.

Position d) kann Geschwindigkeits-Spitzen und -Dellen korrigieren

Position e) zeigt die fortschreitende Oeffnung des durchströmten Querschnitts von rechts nach links; sie ermöglicht die Verlagerung und Gleichrichtung der Strömung nach links.

Selbstverständlich können alle Positionen miteinander kombiniert werden, um den besten Ausgleicheffekt zu erzielen.

Sowohl beim Anfahren, beim Leerlauf und bei Teil- oder Volllast können mittels der Sonden 22 die GeschwindigkeitsVerhältnisse gemessen und durch Verstellen einzelner, mehrerer
oder aller Schaufeln auf den gewoll .en Zustand korrigiert werden.

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Einen derart korrigierten Geschwindigkeitsverlauf zeigt das Diagramm in Fig. 6, welches hinsichtlich Massstab dem Diagramm in Fig. 5 entspricht und somit einen qualitativen Vergleich ermöglicht.

Eindeutige Spitzen, positiv oder negativ, sind nicht feststellbar; mit entsprechendem zeitlichen Aufwand könnte der Kurvenverlauf selbstverständlich noch weiter geglättet werden. Die im Ringkanal 16 gemessene Geschwindigkeitsverteilung und dementsprechend auch die Zuströmung zum Drallkörper 8 ist nunmehr sehr gleichmässig, womit eine zuverlässige Verbrennung gesichert ist. Ebenso strömt durch die gleichmässige Mengenverteilung im Ringkanal 16 auch die Zweitluft gleichmässiger in den Brennraum, was besonders wichtig sein kann bei Ganzmetall-Brennkammern. Ferner wird auch in der Mischzone 12 durch die nunmehr gleichmassigeren Strömungsverhältnisse eine bessere Durchmischung der abströmenden Gase mit der Mischluft erzielt.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das in der Zeichnung Dargestellte beschränkt:

In Abweichung zur gezeigten vertikalen Brennkammerstellung können ebenso horizontal angeordnete Brennkammern mit den verdrehbaren Umlenkkörpern versehen werden.

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Desgleichen unterliegen weder die Anzahl noch die Formgebung der zu verwendenden Umlenkkörper einer festen Regel.

Selbstverständlich könnten die Umlenkkörper auch an einer anderen Stelle im Ringkanal angeordnet werden, beispielsweise direkt unterhalb der Strömungssonden, falls nicht Wert auf eine Vergleichmässigung des Mischstromes gelegt wird.

Schliesslich könnten die Sondenmessungen automatisiert werden mit angekoppelter automatischer Schaufelverstellung, wobei der Rahmen der Erfindung auch dann nicht verlassen wird, wenn die Umlenkkörper gruppenweise betätigt werden.

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Claims

93/75 - 12 - Patentansprüche

1. i Brennkammer, insbesondere für industrielle Gasturbinenanlagen, bei welcher die verdichtete Luft im Gegenstrom vom Lufteintritt der Brennkammer zur mit Wirbelschaufeln versehenen Primärluft-Einführung strömt, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Primärluft-Einführung (13) eine Mehrzahl von verdrehbaren Umlenkkörpern (17) vergesehen ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkkörper (17) in einem Ringkanal (16) nahe am Lufteintritt der Brennkammer (5) angeordnet sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkkörper (17) unabhängig voneinander verdrehbar sind.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

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