DE2655722A1

DE2655722A1 - Brenner-domeinsatz mit verbesserten kuehleinrichtungen

Info

Publication number: DE2655722A1
Application number: DE19762655722
Authority: DE
Inventors: Thomas Chase Campbell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-12-11
Filing date: 1976-12-09
Publication date: 1977-06-16
Also published as: DE2655722C2; US3990232A; BE849124A; FR2334824B1; FR2334824A1; IT1065534B

Description

L ELEGfEIC COMPANY 1 Ei^rer Road Selieaaeetady₃ H,Y,/U.S.A.

Brenner-Domeinsatz mit ^erlbesserten Küiileinriclitungen

Die Erfindung betrifft Brennereänricihtungen für Gasturbinen, sie bezieht sieh insbesondere auf eine verbesserte Halterung und Kühleinrichtung fur einen Brenner-Bomeinsatz,

In einer Gasturbine erfolgt «die Verbrennung in einer Verbrennungszone, die von zwei Brenner-Mantelstücken festgelegt ist, die sich vom Bomeinsatz longitudinal in Ausstromrlchtung erstrecken. Die in den Bomeinsatz eingeführte Iaaft wird mit Brennstoff vermischt und in die Verbrennungszone gesprüht und gezündet. Da der Domeinsatz unmittelbar an die Verbrennungszone angrenzt, ist er einer starken Hitze ausgesetzt, die durch den Verbrennungsvorgang erzeugt wird. Als Ergebnis treten im Domeinsatz hohe Temperaturen auf, die eine Beschädigung und damit eine Begrenzung der Lebensdauer des Domeinsatzes hervorrufen können, sofern keine geeigneten Maßnahmen hiergegen getroffen werden.

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Es ist bekannt, einen Teil der in den Domeinsatz eingeführten Luft zur Kühlung verschiedener Teile des Domes zu verwenden, um auf diese Weise den Domeinsatz vor einer zu starken Einwirkung von Verbrennungswärme zu schützen. Es ist üblich, Kühlschlitze oder Kühlöffnungen im Dom vorzusehen, um einen Teil der Luft über verschiedene Teile des Domes zu führen und dadurch einen Film von Kühlluft zu erzeugen, der gegen die durch den Verbrennungsvorgang erzeugte Hitze eine Barriere bildet. Obwohl verschiedene Anordnungen der Kühlschlitze und Kühlöffnungen in den bekannten Brennern verwendet werden, arbeitet keine der bekannten Anordnungen vollständig zufriedenstellend.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Brenner anzugeben, der verbesserte Kühleinrichtungen enthält, die die Lebensdauer des Brenners verlängern. Durch die verbesserten Kühleinrichtungen soll der Domeinsatz vor den hohen Temperaturen geschützt werden, die aufgrund der heißen Verbrennungsgase auftreten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Domeinsatz vorgesehen ist, der eine ringförmige Domplatte mit einem im wesentlichen V-förmigen Querschnitt enthält. Vom Scheitel der V-förmigen Domplatte erstrecken sich ein erster und ein zweiter Schenkel in Stromaufwärtsrichtung. Der Scheitel liegt in der Nachbarschaft der beiden Brenner-Mantelstücke und enthält ein abgehobenes Teil, das zusammen mit den Brenner-Mantelstücken einen offenen Hohlraum bildet. Der erste Schenkel erstreckt sich vom Scheitel in Stromaufwärtsrichtung und liegt parallel an dem Brenner-Mantelstück an. Der zweite Schenkel bildet mit dem Scheitel eine durchlaufende erste Oberfläche, die zur Verbrennungszone freiliegt und einen spitzen Winkel mit dem Brenner-Mantelstück bildet. Im Scheitel sind mehrere Durchlaßöffnungen vorgesehen, die im wesentlichen denselben spitzen Winkel mit dem Mantelstück

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bilden und benachbart zur ersten Oberfläche angeordnet sind. Die Durchlaßöffnungen stellen eine Fluidverbindung zwischen einem Einlaßraum und dem offenen Hohlraum dar und sind so angeordnet, daß das Kühlmittel durch die Durchlaßöffnungen in den Hohlraum fließt und auf die Mantelfläche des Brenners auftrifft. In Stromaufwärtsrichtung vom Scheitel sind lösbare Befestigungseinrichtungen vorgesehen, um den ersten Schenkel an dem Brenner-Mantelstück zu befestigen. Die Domplatte enthält bevorzugt außerdem eine Lippe, die Bestandteil des abgehobenen Teiles des Scheitels ist. Die Domplatte enthält bevorzugt eine zweite Oberfläche am zweiten Schenkel, die ebenfalls den genannten spitzen Winkel zum Brenner-Mantelstück bildet. Die zweite Oberfläche mündet in die Durchlaßöffnungen im Scheitel, wodurch das Kühlmittel von der zweiten Oberfläche in die Durchlaßöffnungen gemäß dem vorhandenen spitzen Winkel geleitet wird. Im zweiten Schenkel sind bevorzugt mehrere Nuten angeordnet, die gemeinsam mit dem Brenner-Mantelstück mehrere Kanäle zwischen dem Einlaßraum und dem Hohlraum bilden.

Im folgenden werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines Brenners für eine Gasturbine mit den erfindungsgemäßen Kühleinrichtungen;

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt der erfindungsgemäßen Kühleinrichtungen, die in dem Domeinsatz des Brenners vorgesehen sind, und

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt der erfindungsgemäßen Kühleinrichtungen längs einer Schnittlinie, die in Fig. 2 mit Ziff. 3-3 bezeichnet ist.

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In Fig. 1 ist ein Teil eines Brenners einer Gasturbine dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Der Brenner enthält sich axial und in Umfangsrichtung erstreckende innere und äußere Brennergehäuse 12 und 14, die einen ringförmigen Flußpfad in Stromabwärtsrichtung eines Kompressors (nicht dargestellt) definieren. Zwei sich axial und in Umfangsrichtung erstreckende Brenner-Mantelstücke 18 und 20 sind zwischen innerem Gehäuse 12 und äußerem Gehäuse 14 angeordnet und bilden eine ringförmige Verbrennungszone 22. Ein Brenner-Domeinsatz 30 ist am Einströmende der Mantelstücke 18 und angeordnet und stellt das Einströmende der Verbrennungszone 22 dar.

Der Domeinsatz 30 enthält zwei ringförmige Domplatten 32 und 33f die mehrere Brennstoff/Luft-Vergasungseinrichtungen 34 aufnehmen. Durch eine Brennstoffdüse 36 wird Brennstoff am Einströmende der Vergasereinrichtungen 34 eingespritzt, wobei der Brennstoff in den Vergasereinrichtungen 34 mit Verbrennungsluft gemischt wird und in die Verbrennungszone 22 ausströmt. Durch das Gehäuse 14 und das äußere Mantel? stück 20 ist eine Zündkerze 38 in den Brenner 10 so eingeführt, daß sich die Zündspitze unmittelbar benachbart am Ausströmende der Vergasereinrichtungen 34 befindet. Die Zündkerze 38 zündet das Luft/Brennstoffgemisch, das aus den Vergasereinrichtungen 34 ausströmt.

Zwei Schnauzenringe 40 und 42 sind in einer noch zu erläuternden Weise an die Mantelstücke 18 und 20 angebracht und bilden einen Einlaß 44 für den Eintritt von Verbrennungsluft in einen Einlaßraum 46. Ein Teil der durch den Einlaß in den Einlaßraum 46 eintretenden Verbrennungsluft wird in die Vergaser einrichtungen 34 geführt und mit dem Brennstoff vermischt. Der restliche Teil der durch den Einlaß 44 eintretenden Luft wird zur Kühlung der Mantelstücke 18 und 20 verwendet, wie nachfolgend beschrieben wird.

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Um Wiederholungen zu vermeiden, nimmt die Beschreibung nur auf die Domplatte 32 Bezug. Die Domplatte 33 ist mit dem Mantelstück 20 in derselben Weise verbunden, wie die Domplatte 32 mit dem. Mantelstück 18. In den Fig. 2 und 3 ist eine ringförmige Domplatte 32 mit der in Stromabwärtsrichtung zeigenden Seite gegen die Verbrennungszone gerichtet und damit der während des Verbrennungsvorganges erzeugten Hitze ausgesetzt, die in Stromaufwärtsrichtung zeigende Seite der Platte 32 ist dagegen der Luft im Einlaßraum 46 ausgesetzt. Die ringförmige Domplatte 32 besitzt im allgemeinen einen V-förmigen Querschnitt mit einem Scheitel 48, von dem zwei Schenkel 50 und 52 abstehen. Der Scheitel 48 liegt in der Nachbarschaft zum Mantelstück 18 und enthält ein angehobenes Teil 54, das zusammen mit dem Mantelstück 18 einen ringförmigen, sich am Umfang erstreckenden offenen Hohlraum ausbildet, der in die Verbrennungszone mündet..

Vom Scheitel 48 erstreckt sich ein Schenkel 50 in stromaufwärtiger Richtung und liegt an dem Mantelstück 18 an. Im Schenkel 50 sind mehrere Nuten 57 am Umfang verteilt angeordnet und verlaufen vom Hohlraum 56 stromaufwärts. Die Nuten 57 bilden zusammen mit dem Mantelstück 18 mehrere Kanäle, die den Einlaßraum 46 mit dem Hohlraum 56 verbinden. Der Schenkel 52 verläuft ebenfalls vom Scheitel 48 stromaufwärts, er bildet jedoch mit dem Mantelstück 18 einen spitzen Winkel 58. Der Schenkel 52 und der Scheitel 48 bilden zusammen eine durchgehende erste Oberfläche 60, die der Verbrennungszone 22 zugewendet ist. Die Oberfläche 60 besitzt bezüglich dem Mantelstück 18 ebenfalls einen spitzen Winkel 58.

Der Luft-Einlaßraum 46 befindet sich auf einer wesentlich kleineren Temperatur als die Temperatur der heißen Gase und läßt sich daher zur Kühlung der Domplatte 32 verwenden. Die

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Kühlluft im Einlaßraum 46 wird gegen und längs einer zweiten Oberfläche 59 des Schenkels 52 geführt, die bezüglich des Mantelstücks 18 ebenfalls den spitzen Winkel 58 einnimmt. Die Oberfläche 59 leitet Kühlluft in mehrere am Umfang verteilt angeordnete Durchlaßöffnungen 62, die sich im Scheitel 48 befinden und einen Fluidpfad zwischen dem Einlaßraum und dem offenen Hohlraum 56 bilden. Die Durchlaßöffnungen sind im Scheitel 48 so angeordnet, daß sie bezüglich des Mantelstücks 18 ebenfalls den spitzen Winkel 58 besitzen und zur ersten Oberfläche 60 benachbart angeordnet sind. Die durch die Durchlaßöffnungen 62 fließende Kühlluft wird in mehreren Strömen auf das Mantelstück 18 geleitet, um das Mantelstück 18 innerhalb des Hohlraumes 56 durch Aufprallen der Luft zu kühlen. Das Auftreffen der Luftströme auf das Mantelstück 18 bewirkt innerhalb des Hohlraumes 56 eine Ablenkung und eine Vermischung der Ströme mit benachbarten Strömungen. Die Spitze 64 an der stroraabwärtigen Spitze des Scheitels 48 dient als Führung, die den vermischten Strom aus Kühlluft in die Verbrennungszone 22 im wesentlichen längs der inneren Oberfläche des Mantelstückes 18 leitet. Der resultierende dünne Film aus Kühlluft dient als Schutzschild zwischen den heißen Verbrennungsgasen und der inneren Oberfläche des Mantelstücks 18. Zusätzlich dient der dünne Film zur konvektiven Kühlung des Mantelstücks 18.

Die Durchlaßöffnungen 62 besitzen einen kleinen Durchmesser, so daß die durch die Durchlaßöffnungen 62 hindurchfließende Kühlluft eine große Geschwindigkeit besitzt und eine hochwirksame konvektive Kühlung des Scheitels 48 selbst an dessen äußerster, stromabwärts zeigender Spitze bewirkt. Da die Durchlaßöffnungen 62 außerdem den gleichen spitzen Winkel wie die erste Oberfläche 60 besitzen, besitzen die Durchlaßöffnungen 62 längs ihrer gesamten Länge einen konstanten Abstand von der Oberfläche 60. Dieses Merkmal er-

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möglichst eine gleichförmige Kühlung der Oberfläche 60, da die Metalldicke zwischen den Durchlaßöffnungen 62 und der Oberfläche 60 konstant ist. Eine gleichförmige Kühlung verhindert örtliche Beschädigungen und thermische Crackprozesse·, die ansonsten im Scheitelbereich 48 der Domplatte 32 vorhanden wären.

Kühlluft in dem Einlaßraum 46 tritt außerdem in die Nuten 57 ein und fließt durch diese Nuten in den Hohlraum 56. Die Nuten 57 sind vorgesehen, um die transiente Temperaturantwort des Mantelstücks 18 und des Schenkels 50 stromaufwärts vom Scheitel 48 während des Starts der Turbine zu verbessern. Da das Mantelstück 18, der Schenkel 50 und die Haube 40 sich stromaufwärts von dem Scheitel 48 in einer überlappenden Verbindung befinden, ist die effektive Dicke des Brenners größer als an anderen Stellen. Beim Start der Turbine erreichen daher die überlappten Stellen relativ langsam die stationäre Betriebstemperatur, die im wesentlichen die Temperatur der Luft im Raum 46 ist. Eine langsame Temperaturantwort kann zur Erzeugung von thermischen Spannungen im Brenner führen. Die Nuten 57 ermöglichen, daß die Luft aus dem Raum 56 die transiente Temperaturantwort am überlappten Bereich durch konvektiven Wärmetransfer von der Luft zum Mantelstück 18 und dem Schenkel 50 verbessert.

Eine Befestigungseinrichtung aus Mutter 66 und Schraube 68 verbindet den Schenkel 50 der Domplatte 32, das Mantelstück und den Schnauzenring 40 an einer stromaufwärts vom Scheitel liegenden Stelle feßt miteinander. Diese Lage der Befestigungseinrichtung hat den Vorteil, daß sie den heißen Verbrennungsgasen nicht unmittelbar ausgesetzt ist, und daß außerdem die Befestigungseinrichtung den längs der inneren Oberfläche des Mantelstücks 18 fließenden Kühlluftfilm nicht unterbricht.

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Claims

Ansprüche

1. Brenneranordnung mit zwei Brenner-Mantelstücken, die radial voneinander beabstandet sind und zwischen sich eine Verbrennungszone bilden, mit einem Domeinsatz zwischen den Mantelstüeken, der das stromaufwärtige Ende der Verbrennungszone darstellt, und mit einer Einlaßhaube, die den Domeinsatz umgibt und einen Einlaßraum stromaufwärts von der Verbrennungszone ausbildet,
gekennzeichnet durch: eine ringförmige Domplatte (32, 33) mit im wesentlichen V-förmigem Querschnitt, von deren Scheitelabschnitt (48) sieh ein erster Schenkel (50) und ein zweiter Schenkel (52) erstrecken, wobei der Scheitelbereich (48) benachbart an einem der Mantelstücke (18) und stromatuArärts vom ersten und zweiten Schenkel (50, 52) angeordnet ist, und die einen abgehobenen Teil im Scheitelbereich zwischen dem Scheitel (48) und einem der Mantelstücke (18) aufweist, wobei der abgehobene Teil mit einem der Mantelstücke (18) einen zur Verbrennungszone (22) offenen Hohlraum (56) bildet, und sich der erste Schenkel (50) stromaufwärts von dem Scheitelabschnitt (48) parallel und an einem der Mantelstücke anliegend erstreckt, und der zweite Schenkel (52) und der Scheitelabschnitt (48) eine kontinuierliche erste Oberfläche (60) bilden, die der Verbrennungszone (22) zugewendet ist und einen spitzen Winkel (58) mit einem der zwei Mantelstücke (18) einschließt,

mehrere im Scheitelabschnitt (48) angeordnete Durchlaßoffnungen (62), die im wesentlichen den spitzen Winkel (58) mit einem der Mantelstücke (18) bilden und benachbart zur ersten Oberfläche (60) liegen, wobei die Durchlaßoffnungen (62) Pluidverbindungen zwischen dem Einlaßraum (46) und dem Hohlraum (56) bilden und derart angeordnet sind, daß durch die Durchlaßöffnungen (62) strömendes Kühlmittel in den Hohlraum (56) gerichtet ist und auf eines der Mantelstücke (18) aufprallt,

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lösbare Befestxgungsexnrichtungen (66, 68) zur Befestigung des ersten Schenkels (50) an einem der Mantelstücke (18), wobei die Befestigungseinrichtungen (66, 68) stromaufwärts vom Scheitel (48) angeordnet sind.

2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der abgehobene Teil des Scheitelabschnittes (48) ein Lippensegment enthält, das von einem der Mantelstücke (18) beabstandet ist und im wesentlichen parallel zu diesem und stromabwärts von den Durchlaßöffnungen (62) verläuft.

3. Brenneranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Schenkel (52) eine zweite Oberfläche (59) enthält, die dem stromabwärts strömenden Kühlmittel in dem Einlaßraum (46) zugewendet ist und im wesentlichen den spitzen Winkel (58) mit einem der Mantelstücke (18) bildet, und daß die zweite Oberfläche (59) in die Durchlaßöffnungen (62) im Scheitel (48) mündet, wobei stromabwärts strömendes Kühlmittel durch die zweite Oberfläche (59) im wesentlichen in dem spitzen Winkel in die Durchlaßöffnungen (62) geleitet wird.

4. Brenneranordnung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem ersten Schenkel (50) und dem Mantelstück (18) Kanäle (57) vorgesehen sind, die eine Pluidverbindung zwischen dem Einlaßraum (46) und dem Hohlraum (56) bilden.

5. Brenneranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kanäle (57) aus mehreren am Umfang beabstandet angeordneten Nuten bestehen, die stromauSrärts vom Hohlraum (56) zum Einlaßraum (46) führen.

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