DE2728399A1

DE2728399A1 - Brennkammer fuer eine gasturbine

Info

Publication number: DE2728399A1
Application number: DE19772728399
Authority: DE
Inventors: Richard Ing Grad Kalbfuss
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1977-06-24
Filing date: 1977-06-24
Publication date: 1979-01-11
Also published as: SE7807058L; US4211069A; DE2728399C2; FR2395401A1; JPS5412017A

Description

BROWN, BOVERI & CIE · AKTIENGESELLSCHAFT U^ |ä» —

MANNHEIM _/,_ BROWN BOVERI

Mp.ANr. 575/77 Mannheim, den 3. Juni 1977

ZFE/P1-Wg/Bt

Brennkammer für eine Gasturbine«

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbine mit einem Brennrohr, das von einem von der Verbrennungsluft durchströmbaren Kühlmantel umgeben ist und dessen offenes Ende in ein ebenfalls vom Kühlmantel umgebenes Übergangsstück für die Abfuhr der Treibgase mündet.

Der Ausbildung der Übergangsstelle vom Brennrohr zum Übergangsstück einer Brennkammer ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Denn einmal muß, bedingt durch die hohen Betriebstemperaturen, eine ausreichende radiale und axiale Ausdehnungsmöglichkeit der Bauteile ohne gegenseitige Beeinflussung gewährleistet und gleichzeitig für eine ausreichende Kühlung der Übergangsstelle Sorge getragen sein. Für die Kühlung soll hierbei keine allzu große Kühlmittelmenge erforderlich sein, dies gilt insbesondere dann, wenn das Kühlmittel nach Gebrauch mit den erzeugten heißen Treibgasen von der Übergangsstelle abgeführt werden soll. Eine bekannte Brennkammer, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, erfüllt diese Forderungen nicht.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art die Übergangsstelle von Brennrohr zum Übergangsstück so auszubilden, daß einmal freie Ausdehnungsmöglichkeiten der Teile ohne gegenseitige Berührung gegeben sind bei gleichzeitiger guter Kühlung der Übergangsstelle mit einfacher Kühlluft- bzw. Kühlmitteldosierung. Auch soll die Brennkammer einfach aufgebaut und den betrieblichen Anforderungen gewachsen sein und eine lange Standzeit besitzen.

Erfindungsgemäß besteht die Lösung dieser Aufgabe darin, dafi zwischen dem Brennrohr und dem Übergangsstück wenigstens ein Luftspalt gebildet ist, der in einen Zwischenraum mündet, welcher im Bereich der Übergangsstelle vom Brennrohr zum Übergangsstück von zwei mit gegenseitigem Abstand im Kühlmantel angeordneten Drosseln begrenzt ist, die den Kühlmantel gleichzeitig aufteilen in einen ersten Kühlmantel, der im wesentlichen das Brennrohr umgibt und. für die Zufuhr der Verbrennungsluft vorgesehen ist, und in einen zweiten Kühlmantel, der hauptsächlich das Übergangsstück umgibt und der mit einem gasförmigen Kühlmittel, vorzugsweise Luft, beaufschlagbar ist, dessen Druck höher ist als der Druck des Treibgases im Bereich der Übergangsstelle vom Brennrohr zum Übergangsstück, wobei der zwischen den Drosseln gebildete Zwischenraum über Drosselspalte mit den Kühlmänteln in Verbindung steht.

Durch den zwischen Brennrohr und Übergangsstück gebildeten Luftspalt ist eine freie radiale und axiale voneinander unabhängige Ausdehnung dieser Teile ermöglicht. Die Kühlung

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der Übergangsstelle wird hierbei durch luft und Kühlmittel übernommen, die vom Zwischenraum durch den Luftspalt in das Übergangsstück einströmt, wobei durch die Injektorwirkung des Treibgases, welches das Brennrohr verläßt, die Strömung des Kühlmittels bzw. der Luft gefördert wird. Die Menge der aus dem ersten Kühlmantel in den Zwischenraum einströmenden Luft und des aus dem zweiten Kühlmantel ebenfalls in den Zwischenraum einströmenden Kühlmittels wird allein durch die Größe der Drosselspalte bestimmt. Hierdurch kann der Luftspalt zwischen Brennrohr und Übergangsstück allein nach konstruktiven Gesichtspunkten und ggf. sehr groß ausgelegt werden, ohne befürchten zu müssen, daß durch einen weiten Luftspalt erhebliche Mengen Kühlmittel oder Luft in das Übergangsstück einströmen und die heißen Treibgase abkühlen, Durch die Aufteilung des Kühlmantels in einen das thermisch hochbelastete Brennrohr umgebenden ersten Kühlmantel, der von der gesamten Verbrennungsluft durchströmt wird, und in einen zweiten Kühlmantel, der das thermisch geringer belastete Übergangsstück umgibt und der lediglich von dem zum Zwischenraum fließenden Kühlmittel durchströmt wird, ist auf einfache Weise eine Kühlung erreicht, die auf die jeweilige thermische Beanspruchung der Bauteile abgestimmt ist.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß die dem zweiten Kühlmantel benachbarte zweite Drossel einen das Übergangsstück umfassenden und an diesem befestigten, insbesondere flachen Ringkörper aufweist, welcher in einen Ringspalt eines Außenringes eingreift, der zwischen sich und der Außenwand des Kühlmantels den zweiten Drosselspalt freiläßt und der wenigstens aus zwei Ringsegmenten j besteht, die über einen Verbindungsring miteinander verbunden '■

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sind. Hierdurch kann einmal die Größe des zweiten Drosselspaltes durch die Wahl von Außenringen mit verschiedener Dicke eingestellt werden und zum anderen wird durch die Teilung des Ringkörpers in zwei Ringsegmente eine einfache Montage ermöglicht.

%n einfacher konstruktiver Aufbau ergibt sich dann, wenn die dem ersten Kühlmantel benachbarte erste Drossel eine an der Außenwand des ersten Kühlmantels befestigte Ringscheibe aufweist, die den Kühlmantel durchdringt und zur Bildung des ersten Drosselspaltes mit Abstand vom Brennrohr endet.

Vorteilhafter ist es jedoch, wenn der erste Drosselspalt zwischen dem Brennrohr und einem das Brennrohr umgebenden zylindrischen Hohlkörper gebildet ist, der von einer den Kühlmantel durchdringenden und an der Außenwand des Kühlmantels befestigten ringförmigen Trennwand getragen ist.

Um hierbei das Einströmen von Kühlluft und Kühlmittel in den Ringspalt zu fördern, ist es günstig, den Hohlkörper in den Ringspalt zwischen dem Brennrohr und dem aufgeweiteten oberen Ende des Übergangsstückes anzuordnen.

Eine andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß das Kühlmittel auf eine Temperatur zwischen den Temperaturen des Treibgases und der Verbrennungsluft, vorzugsweise 150⁰C bis 500⁰C vorgewärmt ist. Hierdurch wird

stelle erreicht.

ein weitgehender Spannungsabbau im Bereich der Obergangs-

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Ist schließlich die Brennkammer unmittelbar an einer Gasturbine angeordnet, so kann zur Vereinfachung des Gesamtaufbaus der zweite Kühlmantel an einen für die Kühlung der Gasturbine vorgesehenen Mantelraum angeschlossen sein. Vorzugsweise bilden der zweite Kühlmantel und der Mantelraum eine Einheit.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen hervor. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine Brennkammer gemäß der Erfindung,

Fig. 2 die Einzelheit II der Figur 1 in größerem Maßstab,

Fig. 3 einen axialen Längsschnitt durch einen Teil einer Gasturbine mit unmittelbar am Turbinengehäuse befestigter erfindungsgemäßer Brennkammer und

Fig. 4 die Einzelheit IV der Figur 3 in größerem Maßstab.

Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß Figur 1 ist in der Brennkammer 30 eine an eine Brennstoffleitung 32 angeschlossene Brennstoffdüse 34 vorgesehen. Die Brennkammer selbst ist vom Brennrohr 36 umgeben, das an seinem oberen Ende verschlossen ist und mit seinem unteren Ende im Übergangsstück 44 endet, das die Brennkammer mit einem nicht dargestellten Treibgaseinlaß einer Gasturbine verbindet. Im BrennrDhr 36 sind Luftzufuhröffnungen 38 ausgespart, die die Brennkammer 30 mit dem ersten Kühlmantel 40 verbinden, wobei der erste Kühlmantel 40

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zwischen dem Brennrohr 36 und der mit Abstand zum Brennrohr verlaufenden Außenwand 75 gebildet ist, Da sowohl Brennrohr 36 und Außenwand 75 im Querschnitt kreisförmig ausgebildet sind, weist der erste Kühlmantel im Querschnitt die Form eines Kreisringes auf.

Das ebenfalls im Querschnitt kreisförmige Übergangsstück 44 ist vom zweiten Kühlmantel 42 umgeben, der zwischen dem j Übergangsstück 44 und der Außenwand 75 gebildet ist und der im Querschnitt die Form eines Kreisringes aufweist. Das untere Ende des zweiten Kühlmantels 42 kann gegebenenfalls geschlossen sein. Außerdem weist der zweite Kühlmantel 42 noch eine nicht eingezeichnete Zufuhrstelle für das Kühlmittel auf, ■ z.B. in Form eines Stutzens. I

Zur Trennung der beiden Kühlmäntel 40, 42 ist Jeweils eine ^! erste Drossel 66 und eine zweite Drossel 64 mit axialem Abstand zueinander vorgesehen, so daß zwischen diesen beiden Drosseln ein Zwischenraum 62 gebildet ist. Dieser Zwischenraum 62 ist über den ringförmigen luftspalt 60, der zwischen dem oberen Ende des Übergangsstückes 44 und dem unteren Ende des Brennrohres 36 gebildet ist, mit der Brennkammer 30 verbunden (vgl. insbesondere Figur 2). Die sich überlappenden Bereiche von Brennrohr 36 und Übergangsstück 44 betragen ungefähr 1/10 bis 1/20 der lichten Brennkammerweite. j

Die zweite Drossel 64 ist mit geringem Abstand (ca. 1/10 bis 1/20 des lichten Brennkammerdurchmessers) vom oberen Ende des Übergangsstückes angeordnet. Wie weiter aus Figur 2 zu ersehen, besteht die zweite Drossel 64 im wesentlichen aus einem flachen Ringkörper 70, der das Übergangsstück 44 dicht umgibt, etwa im rechten Winkel zur Längsachse des Übergangsstückes verläuft und an ihm dicht befestigt ist.

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Dieser Ringkörper 70 greift nun an seiner Peripherie in den inneren Ringspalt 72 eines lösen Außenringes 74 von etwa : rechteckigem Querschnitt ein, der unter Bildung des ring- I förmigen zweiten Drosselspaltes 77 vor der Außenwand 75 endet. Der Außenring 74 besteht aus zwei gleichen Ringsegmenten, die über einen Verbindungsring 78 und Schrauben 69 miteinander , verbunden sind. Die Teilung des Außenringes 74 erleichtert ; die Montage, denn ohne diese Teilung könnte der Außenring nur sehr schwer auf den am Übergangsstück durch Schweißung _; befestigten Ringkörper 70 aufgebracht werden. Zudem kann : durch entsprechende Auswahl bzw. Ausbildung des Außendurch- j messers des Außenringes 74 der Luftspalt 77 bei der Montage auf die entsprechenden Betriebsbedingungen abgestimmt werden.

Die obere erste Drossel 66 besteht aus einer flachen Ringscheibe 76, die an der Außenwand 75 dicht befestigt ist und unter Bildung des ebenfalls ringförmigen ersten Drosselspaltes 79 vor dem Brennrohr 36 endet. Die Ringscheibe 76 ist hierbei etwa im rechten Winkel zur Längsachse der Brennkammer 30 angeordnet, ihr Abstand zur zweiten Drossel 64 beträgt etwa 1/10 bis 1/20 des Brennkammer-Durchmessers.

Während des Betriebes wird der Brennkammer 30 über die Brennstoffleitung 32 und die Brennstoffdüse 34 gasförmiger oder flüssiger Brennstoff zugeführt, die für die Verbrennung erforderliche Luft wird über den Stutzen 82 in den ersten Kühlmantel 40 eingeleitet, von wo sie über die Luftzufuhröffnungen 38 in die Brennkammer 30 einströmt. Die erzeugten heißen Treibgase treten in das Übergangsstück 44 über und werden zum nicht dargestellten Treibgaseinlaß der Gasturbine geleitet. Der zweite Kühlmantel 42 ist ebenfalls mit Luft

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beaufschlagt, deren Druck höher ist als der Druck des Treibgases im Bereich des Übergangs vom Brennrohr 36 zum Obergangsstück 44. Es strömt daher Luft durch den zweiten ! ^: Drosselspalt 77 in den Zwischenraum 62 und von hier durch j den Luftspalt zwischen Brennrohr 36 und Zwischenstück 44. j j Gleichzeitig strömt Luft aus dem ersten Kühlmantel 40 durch den ersten Drosselspalt 79 in den Zwischenraum 62 und ebenfalls durch den Luftspalt 60 in das Obergangsstück 44 (vgl. Pfeile 112 in Figur 2 und 4). Diese Luftbewegung j wird durch das von der Brennkammer 30 in das Übergangs- ! stück 44 übertretende Treibgas infolge Injektorwirkung verstärkt (vgl. Pfeil 114 in Figur 2 und 4).

Die im vorliegenden Beispiel als Kühlmittel eingesetzte j Luft kann dem zweiten Kühlmantel 42 auf beliebige Art, z.B. mittels eines Ventilators oder eines Verdichters oder aus einem Luftspeicher zugeführt sein. Als Kühlmittel kann auch ein inertes Gas, wie Stickstoff eingesetzt werden, das z.B. Druckflaschen entnommen ist, doch ist Luft der Einfachheit wegen zu bevorzugen.

In Figur 3 ist eine Brennkammer dargestellt, die radial am Gehäuse einer Gasturbine befestigt ist. Das Übergangs- \ stück 44 führt hier direkt zum Treibgaseinlaß 46 der j Turbinenstufe 24, deren Schaufeln auf der Welle 10 befestigt' sind. Der Treibgaseinlaß 46 wird hierbei von einem hohlen ' Ringkörper 50 gebildet, der an das Übergangsstück 44 angeschlossen und zu den Turbinenschaufeln offen ist. Der Ringkörper 50, ein Teil der Welle 10 und der Fußbereich 52 ! der Leitschaufeln ist hierbei von einem Mantelraum 48 um- j geben, der über einen Anschluß 54 mit einem Kühlmittel,

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vorzugsweise Luft, beaufschlagbar ist. Für die Auswahl und

Zufuhr des Kühlmittels gelten auch hier die zu den Figuren |

1 und 2 gegebenen Erläuterungen. Wie weiter aus Figur 3 er- j sichtlich, durchdringt das Übergangsstück 44 den Mantelraum 48,

auch ist zu ersehen, daß Mantelraum 48 und zweiter Kühlaantel i

42 eine Einheit bilden und somit das den Mantelraum 48 zu- j

geleitete gasförmige Kühlmedium die Kühlung des Übergangs- i

Stückes bewirkt und gleichzeitig als Kühlmittel dem zweiten ! Kühlmantel zugeführt wird. Hierdurch ist der Aufwand verringert .

In Figur 4 ist die Einzelheit IV der Figur 3, also der Bereich der Drosseln 64, 66, in größerem Maßstab dargestellt. Die "untere, zweite Drossel 64 entspricht in ihrem Aufbau der j Drossel 64 nach Figur 2, der Bereich der oberen, ersten I Drossel 66 ist dagegen als Ausführungsvariante ausgebildet.

Die zweite Drossel 66 gemäß Figur 4 weist demnach einen dünnwandigen ringzylindrischen Hohlkörper 81 auf, der unter Bildung des zweiten Drosselspaltes 79 das Brennrohr 36 umgibt. Dieser Hohlkörper 81 ist an seinem oberen Ende an einer trichterförmigen Trennwand 73 befestigt, die den ersten Kühlmantel 40 begrenzt und an der Außenwand 75 dicht befestigt ist. Der Hohlkörper 81 ist vom oberen Ende 71 des Zwischenstückes 44 umgeben. Hierzu ist das obere Ende 71 zylinderförmig aufgeweitet, d.h. nach Art einer Muffe ausgebildet, so daß auch zwischen dem Hohlkörper 81 und dem Ende 71 ein Ringspalt verbleibt, der beliebig groß sein kann, wogegen die Drosselspalte 77 und 79 für den Durchtritt von ausreichenden Mengen von Luft bzw. Kühlmittel ausgelegt sind.

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Die Durchströmung des Zwischenraumes 62 erfolgt im Prinzip genau wie "beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 und ist durch Pfeile 112 angedeutet, so daß weitere Ausführungen hier nicht erforderlich sind. Zu bemerken ist Jedoch, daß durch die sich nach unten verjüngende Trennwand 73 eine Kühlluftströmung vom ersten Kühlmantel 40 zum ersten Drosselspalt 79 gefördert wird. Selbstverständlich kann die erste Drossel 66 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 auch entsprechend der Figur 4 ausgebildet sein und umgekehrt.

Der Hauptvorteil der Ausbildung einer Brennkammer gemäß der Erfindung ist darin zu sehen, daß einmal freie Ausdehnungsmöglichkeiten Ton Brennrohr und Übergangsstück gegeben sind bei einfacher und sicherer Kühlung der Verbindungsstelle dieser beiden Teile. Darüber hinaus wird durch die Aufteilung des Kühlmantels 41 in einen das Brennrohr umgebenden ersten Kühlmantel und in einen das Übergangsstück umgebenden zweiten Kühlmantel eine Kühlung ermöglicht, die auf die jeweilige Belastung dieser Teile abgestimmt ist. Durch die Verbindung des zweiten Kühlmantels mit einem Kühlraum oder Kühlsystem einer Turbinenstufe wird hierbei gleichzeitig eine einfache Kühlmittelversorgung erreicht.

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Claims

Patentansprüche

Brennkammer für eine Gasturbine mit einem Brennrohr, das von einem von der Verbrennungsluft durchströmbaren Kühlmantel umgeben ist und dessen offenes Ende in ein ebenfalls vom Kühlmantel umgebenes Übergangsstück für die Abfuhr der Treibgase mündet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Brennrohr (36) und dem Übergangsstück (44) wenigstens ein Luftspalt (60) gebildet ist, der in einen Zwischenraum (62) mündet, welcher im Bereich der Übergangsstelle vom Brennrohr (36) zum Übergangsstück (44) von zwei mit gegenseitigem Abstand im Kühlmantel (41) angeordneten Drosseln (64, 65) begrenzt ist, die den Kühlmantel gleichzeitig aufteilen in einen ersten Kühlmantel (40), der im wesentlichen das Brennrohr (36) umgibt und für die Zufuhr der Verbrennungsluft vorgesehen ist, und in einen zweiten Kühlmantel (42), der hauptsächlich das Übergangsstück (44) umgibt und der mit einem gasförmigaiKühlmittel, vorzugsweise Luft, beaufschlagbar ist, dessen Druck höher ist als der Druck des Treibgases im Bereich der Übergangsstelle vom Brennrohr (36) zum Übergangsstück (44), wobei der von den Drosseln (64, 66) gebildete Zwischenraum (62) über Drosselspalte (77 bzw. 79) mit den Kühlmänteln (40 bzw. 42) in Verbindung steht.

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2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die dem zweiten Kühlmantel (42) benachbarte zweite j Drossel (64) einen das Übergangsstück (44) umfassenden j und an diesem befestigten Ringkörper (70) aufweist, j welcher in einen Ringspalt (72) eines Außenringes (74) j eingreift, der zwischen sich und der Außenwand (75) j des Kühlmantels den zweiten Drosselspalt (77) freiläßt und der wenigstens zwei Ringsegmente aufweist, die über einen Verbindungsring (78) miteinander verbunden sind. (Fig. 2 und 4)

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drossel (66) eine an der Außenwand (75) des ersten Kühlmantels befestigte Ringscheibe (76) aufweist, die den Kühlmantel durchdringt und zur Bildung des ersten Drosselspaltes (79) mit Abstand vom Brennrohr (36) endet. (Fig. 1 und 2)

4. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Drosselspalt (79) zwischen dem Brennrohr (36) und einem das Brennrohr umgebenden zylindrischen Hohlkörper (81) gebildet ist, der von einer den Kühlmantel durchdringenden und an der Außenwand des Kühlmantels befestigten ringförmigen Trennwand (73) getragen ist. (Fig. 4)

5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (81) zwischen dem Brennrohr (36) und dem aufgeweiteten oberen Ende des Übergangsstückes (44) angeordnet ist. (Fig. 4)

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6. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5_f dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel auf eine Temperatur zwischen den Temperaturen des Treibgases und der Verbrennungsluft, vorzugsweise 15O⁰C bis 300⁰C, vorgewärmt ist.

7. Unmittelbar an einer Gasturbine angeordnete Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kühlmantel (42) an einen für die Gasturbinenkühlung vorgesehenen Mantelraum (48) angeschlossen ist. (Fig. 3 und 4)

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