DE3511740A1

DE3511740A1 - Brennkammer

Info

Publication number: DE3511740A1
Application number: DE19853511740
Authority: DE
Inventors: Tadeusz Dipl.-Ing. Ennetbaden Zaba
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1985-03-30
Filing date: 1985-03-30
Publication date: 1986-10-09

Description

Bo/eh 34/85

29.3-85

BRENNKAMMER

Die Erfindung betrifft die Brennkammer einer Gasturbine oder einer Heissgaserzeugung. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkammer.

Die Wandkühlung von Brennkammern für Gasturbinen oder für Heissgaserzeugung wird normalerweise mit Luft vorgenommen .

Genügt die Luftmenge für die Brennkammerwandkühlung nicht, oder wird die herangeführte Verbrennungsluft vor Eintritt in die Brennkammer auf sehr hohe Temperaturen erhitzt, so ist diese Luft für die Wandkühlung einer Brennkammer oder Heissgaserzeugung nicht mehr tauglich. In solchen Fällen wird für die Kühlung einer Brennkammerwand ein anderes Medium, vorzugsweise Wasser oder Dampf, eingesetzt. Durch den Einsatz solcher Mittel handelt man sich indessen thermodynamische Nachteile ein. Beim Einsatz von Wasser oder Dampf als Kühlungsmittel entsteht die immanente Gefahr, dass im Reaktionsbereich eine

34/85

■h-

gewisse Grenztemperatur unterschritten werden kann, wodurch es dann zu höheren CO-Emissionswerten kommt.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.

Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art, die thermodynamischen Verluste durch Verkleinerung der Kühlwärme und Abführung der Wärme bei möglichst hoher Temperatur zu minimieren. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, die NO -Emission zu begrenzen.

Die Strahlungs- und Konvektionswärme beschlägt die der Flamme ausgesetzte Seite der Aussenrohre. Der im Zwischenraum zwischen Aussen- und Innenrohr resp. Innenrohren strömende Dampf wird rasch auf eine höhere Temperatur gebracht, wodurch das wasserführende Innenrohr auch erwärmt wird. Das dort fliessende Wasser wird verdampft; hinsichtlich Erwärmung des durch das Aussenrohr strömenden Dampfes findet eine Begrenzung statt, und nach kurzer Anlaufzeit bleibt die Temperatur des Dampfes und die der beiden resp. verschiedenen Rohre annähernd konstant.

Durch eine entsprechende Wahl der Rohrdurchmesser, der Formgebung der Innenrohre, der Geschwindigkeit der in den Rohren strömenden Medien sowie der heissdampfseitigen Oberflächenbeschaffenheit der Rohre kann die vorherrschende Temperatur im Aussenrohr auf einen maximal zulässigen Wert begrenzt werden. Gegenüber einer normalen Kühlung, beispielsweise durch Wasserverdampfung, kann hier die , Temperatur der Brennkammerwand, d.h. der Aussenrohre, wesentlich erhöht werden, womit der Wärmefluss zwischen Flamme und Rohrwand stark reduziert wird.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.

34/85

-S-

Es zeigt:

Fig. 1 eine Brennkammer mit dazugehöriger Schaltung einer Brennkammerwandkühlung,

Fig. 2 Ausschnittsweise eine aus Rohren bestehende Brennkammerwand,

Fig. 3 ausschnittsweise eine aus Rohren bestehende Brennkammerwand mit Schweissrippen,

Fig. 4 eine erste Ausführung eines Innenrohres und Fig. 5 eine weitere Ausführung eines Innenrohres.

Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmedien ist mit Pfeilen bezeichnet. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Brennkammer für Gasturbinen mit dazugehöriger Schaltung einer Wandkühlung. Ueber die Brennstoffzuführung 1 gelangt der Brennstoff in die Düse 2, die, insbesondere wenn als Brennstoff Gas und/oder OeI vorgesehen sind, vorzugsweise eine Dualdüse ist, wie sie beispielsweise im EP-A-O 095 788 bereits eingehend beschrieben worden ist. Am Eintritt im Brennraum 3 sind Drallkörper 5 vorgesehen, durch welche die herangeführte Verbrennungsluft 4 hindurchströmt. Die hier stattfindende Drallerzeugung beschleunigt einerseits die Mischung zwischen Brennstoff und Luft und nutzt andererseits die auftretende Rückströmung zur Verbesserung der Zündbedingungen aus. Die aufbereiteten heissen Gase strömen dann durch den Brennkammeraustritt 25 in die nicht dargestellte Turbine oder werden für andere Zwecke verwendet.

34/85

Die Brennkammerwand selbst besteht aus einer Reihe von in Umfangsrichtung der Brennkammer nebeneinander angeordneten Aussenrohren 16, die sich in Längsrichtung des Brennraumes erstrecken. Eine Umwälzpumpe 7 saugt über die Leitung 23 Wasser aus einer Trommel 6 an und speist damit über die Umwälzleitung 8 einen Wasserkollektor 9. Von hier aus zweigen einzelne Wasserzuführungsrohre 27 ab, die sich dann als konzentrische Innenrohre 10 zu den Aussenrohren 16 erstrecken. Das in den Innenrohren 10 sich bildende Wasser/Dampfgemisch strömt über die Entnahmerohre 28 in einen Wasser/Dampfkollektor 11; über die Leitung 12 wird dieses Gemisch der Trommel 6 zugeführt, wo das Wasser ausgeschieden wird. Während das Wasser für den soeben beschriebenen Kreislauf wieder zur Verfügung steht, wird der Sattdampf der Trommel 6 entnommen und über die Sattdampfleitung 13 einem im unteren Bereich der Brennkammer plazierten Sattdampfkollektor 14 zugeführt. Vom Kollektor 14 strömt dann der Sattdampf über die Dampfverteilungsrohre 15 zu den wandbildenden Aussenrohren 16. Nach deren Durchströmung wird der nun überhitzte Dampf - am oberen Ende der Aussenrohre 16 - über die Ableitungsrohre 17 einem Heissdampfkollektor 18 zugeführt. Selbstverständlich können die Wasser- und Dampfströmungen durch die Rohre 10 resp.

16 gegenläufig zueinander gerichtet sein. Vom Heissdampfkollektor 18 wird der heisse Dampf dann über die Leitung 19 abgeführt. Dieser Dampf wird im vorliegenden Fall mit Wasser vermischt, das aus der Umwälzleitung entnommen wird. Die Wasserzuführungsleitung 20 weist ein Drosselorgan 21 auf, das die Wasserquantität in Abhängigkeit zum vom Verbraucher 24 verlangten Dampf- , temperaturwert regelt. Eine weitere Speisepumpe 22 sorgt dafür, dass die Trommel 6 mit Frischwasser versorgt wird. Ein Teil des aus dem Heissdampfkollektor 18 ausströmenden Dampfes wird über die Heissdampf-Beimischleitung

-·*-- 31/85

-7-

dem Brennprozess der Brennkammer zugeführt; damit lassen sich die NO -Emissionswerte, die stark vom Einfluss einer zu hohen Brenntemperatur abhängig sind, soweit minimieren, dass die vom Gesetzgeber tolerierte NO -Emission eingehalten werden kann. Bei der in Fig. 1 gezeigten konzentrischen Anordnung zwischen Innenrohr 10 und Aussenrohr 16 kann das letztgenannte auf eine maximal zulässige Temperatur gekühlt werden, wenn die Geschwindigkeit des dort hindurchströmenden Dampfes ca. 200 m/s beträgt.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der nebeneinander angeordneten Aussenrohre 16, welche ohne Zwischenräume, also dicht, aufeinander treffen. Flammenseitig sind die Aussenrohre 16 mit einer keramischen Schicht 26 versehen, die den Wärmefluss verkleinert. Selbstverständlich können zwischen den einzelnen Aussenrohren 16, der Korbausführung folgend, Spalte vorgesehen werden. In einem solchen Fall müssten dann die Aussenrohre 16 mit einer zusätzlichen Wand ummantelt werden.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt einer Variante von nebeneinander angeordneten Aussenrohren 16, welche nach dem "Flossenprinzip" zusammengebaut sind. Zu diesem Zweck müssen die einzelnen Aussenrohre 16, in Längsrichtung zur Brennkammer und in der Ebene des Mittelkreises 31, mit Schweissrippen 30 versehen werden, welche diametral entgegengesetzt angeordnet sind. Mit diesem Ausführungsprinzip lässt sich die Dichtheit zwischen den einzelnen Aussenrohren 16 problemlos erstellen.

Fig. 4 und 5 zeigen weitere Ausführungen von Verlaufs- , geometrien der Innenrohre. Bei Fig. 4 ist das Innenrohr 10a wellenförmig angelegt; bei Fig. 5 ist die Wasserführung auf zwei Innenrohre 10b aufgeteilt, welche eine Doppelhelixe bilden. Sebstverständlich kann das Innen-

3^/85

rohr auch schraubenförmig verlaufen. Bei allen diesen Ausführungsarten stehen primär Festigkeitsüberlegungen im Vordergrunde, so die Minimierung der Wärmespannungen. Der durch die Dampfv/erteilungsrohre 15 in das Aussenrohr 16 einströmende Dampf wird durch Konvektions- und Strahlungswärme der Flamme erhitzt und gibt seine Wärme weiter an die Innenrohre 10a, 10b ab. Durch heissdampfseitige Anbringung künstlicher Rauheiten an den Rohxen können die Wärmeübergangszahlen erhöht werden.

- Leerseite -

Claims

34/85

PATENTANSPRÜCHE

Brennkammer einer Gasturbine oder einer Heissgaserzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand der
Brennkammer aus einer Reihe won in Umfangsrichtung
nebeneinander angeordneten Aussenrohren (16) besteht, die sich in Längsrichtung der Brennkammer erstrecken und in deren Rohrinneren je mindestens ein Innenrohr (10, 10a, 10b) vorgesehen ist.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (10) konzentrisch zum Aussenrohr

angeordnet (16) ist.
3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (10) in Längsrichtung wellenförmig verläuft.
4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (10a) schraubenförmig verläuft.
5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrohre (10b) eine Doppelhelixe bilden.
6. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Aussenmantel des Aussenrohres (16),

in der Ebene des Mittelkreises (31) Schweissrippen

(30) angebracht sind, welche diametral entgegengesetzt angeordnet sind.
7. Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweissrippen (30) sich über die ganze

Länge des Aussenrohres (16) erstrecken.

■ι.

34/85
8. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenrohre (16) und die Innenrohre (10) heissdampfseitig künstlich aufgerauht sind.
9. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die flammenseitige Seite des Aussenrohres (16) eine keramische Beschichtung (26) trägt.
10. Verfahren zum Betreiben der Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des aus den Aussenrohren (16) ausströmenden Heissdampfes dem Brennprozess der Brennkammer zugeführt wird.