DE3814947C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer einer Gasturbinenanlage mit einem Diffusor, einer Frontein­ richtung aus mindestens zwei koaxial angeordneten Ringschaufel­ wirblern zum Verwirbeln des dem Feuerraum der Brennkammer zugeführten Luftstroms und mindestens einem zwischen den Wirblern angeordneten Ringsammler-Flammenhalter, der einen Kanal für die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs in seinen Innenraum und Auslaßöffnungen zum Auslaß des gasförmigen Brennstoffs in die Flammenaufrechterhaltungszone aufweist, und einer Zündkerze zum Zünden des ihren Elektroden zuge­ führten Brennstoff-Luft-Gemisches und zum Erzeugen der Zünd­ flamme. Eine solche Brennkammer ist aus der DE-OS 27 40 859 bekannt, wobei über die Anordnung der Zündkerze und die Lage der Zündflamme dieser Druckschrift nichts zu entnehmen ist.

Eine ähnliche Brennkammer einer Gasturbinenanlage ist aus dem Katalog des NIIEINFORMENERGOMASH, UdSSR, "Tsentrobezhnye kompressornye mashiny i privodnye turbiny k nim" (Zentri­ fugalkompressoren und deren Antriebsturbinen), Teil II, Moskau, 1987, Seiten 51 bis 53 bekannt. Diese Brennkammer hat einen Diffusor und eine an dessen Austritt angeordnete Fronteinrichtung mit gleichmäßig auf dem Kreisumfang der Brennkammer verteilten Zündeinrichtungen. Die Fronteinrichtung besteht aus koaxial angeordneten Ringschaufelwirblern, die die in die Brennzone eintretenden ringförmigen Luftstrahlen gegensinnig verdrallen, und zwischen den Wirblern angeordneten Ringsammler-Flamnenhaltern zur gleichmäßigen Verteilung des gasförmigen Brennstoffs auf dem Umfang der Brennkammer und zur Aufrechterhaltung der Flamme des Brennstoff-Luft-Gemisches. Entsprechend weist jeder der Ringsammler-Flammenhalter einen Kanal für die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs in seinen Innenraum und Auslaßöffnungen für den Austritt dieses Gases in die Flammenaufrechterhaltungszone auf.

Die Bauart der Zündeinrichtungen, die in dieser Brennkammer verwendet werden, ist im SU-Erfinderschein 6 42 580 beschrieben. Die Zündeinrichtungen sind im Diffusor vor der Frontein­ richtung angeordnet, wobei jede Zündeinrichtung ein zylindri­ sches Gehäuse hat, in welchem die Zündkerze eingebaut ist und in dem der Zone, wo die Elektroden dieser Zündkerze liegen, Luft und Startgas zugeführt werden.

Beim Anfahren der Gasturbinenanlage wird das Startgas der in die Gehäuse der Zündeinrichtungen aus dem Diffusor ein­ strömenden Luft zugemischt und an den Elektroden der Zündkerzen gezündet, wobei Zündflammen entstehen, die durch die Wirbler der Fronteinrichtung bis in die Flammenaufrechterhaltungs­ zone reichen und das Haupt-Brennstoff-Luft-Gemisch zünden.

In der bekannten Brennkammer kommt es nicht immer zu einem zuverlässigen Zünden der Zündflammen, weil die in das Gehäuse jeder der Zündeinrichtungen aus dem Diffusor eintretenden Luftströme während der Anlaufzustände unstabil sind. Im Diffusor gibt es Gebiete mit Ablösungen und Wirbeln, deren Lage und Intensität sich während des Anlaufens ändert. Infolge der Unstabilität des Luftstroms im Diffusor können die Be­ dingungen für die normale Gemischbildung des Startbrennstoffs mit der Luft und die Aufrechterhaltung der Zündflamme gestört werden, so daß das Start-Brennstoff-Luft-Gemisch durch den Funken der Zündkerze nicht gezündet wird bzw. die Zündflamme abreißt. Dann wird auch der Hauptstrom des Brennstoff-Luft-Ge­ mischs in der Flammenaufrechterhaltungszone der Hauptflamme nicht gezündet.

Da außerdem in der bekannten Brennkammer die Zündflammen durch die Kanäle zwischen den Flammenhaltern und die Schaufel­ wirbler in die Flammenaufrechterhaltungszone schlagen, kann es beim Lecken der Absperrarmaturen in der Zuleitung des Start-Verbrennungsgases vorkommen, daß die Schaufeln der Wirbler bzw. die Wandungen der Sammler-Flammenhalter durch­ brennen. Dies beeinträchtigt die Zuverlässigkeit der Gas­ turbinenanlage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer für eine Gasturbinenanlage zu schaffen, in welcher die Zuver­ lässigkeit des Zündens des Brennstoff-Luft-Gemisches beim Anfahren der Gasturbinenanlage und die Betriebszuverlässigkeit der Anlage insgesamt erhöht sind.

Ausgehend von einer Brennkammer der eingangs genannten Bauart wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Inneren des Ringsammler-Flammenhalters quer zur Umfangs­ richtung zwei Trennwände in kleinem Abstand voneinander angeordnet sind, und die Zündkerze am Ringsammler-Flammen­ halter derart befestigt ist, daß ihre Elektroden in der durch diese Trennwände begrenzten Zone seines Innenraums liegen, wobei der Ringsammler-Flammenhalter Kanäle für die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs in diese Innenraumzone aufweist und die zwischen den Trennwänden liegenden Abschnitte der Wandungen des Ringsammler-Flammenhalters Öffnungen für die Zufuhr der Luft in die durch die Trennwände begrenzte Innen­ raumzone sowie Öffnungen für den Austritt der Zündflamme aus dieser Innenraumzone in die Flammenaufrechterhaltungszone aufweisen.

Somit liegt in der erfindungsgemäßen Brennkammer einer Gas­ turbinenanlage die Zündkerze in einer Zone, in der die Be­ dingungen für die normale Gemischbildung und die Aufrechter­ haltung der Zündflamme besser gewährleistet sind und die näher zur Flammenaufrechterhaltungszone der Hauptflamme liegt. Die Luft strömt den Elektroden der Zündkerze nicht aus dem Diffusor zu, sondern aus einem Bereich der Frontein­ richtung, in welchem der Luftstrom bei allen Betriebszuständen der Brennkammer infolge der erheblichen Abnahme des Querschnitts der Kanäle in der Fronteinrichtung stabil ist. Dieser Raum, der die Zündzone bildet, ist praktisch von dem Hauptluftstrom isoliert, wodurch es möglich wird, das für ein zuverlässiges Zünden erforderliche stabile Mischen des gasförmigen Brenn­ stoffs mit der Luft zu erzielen.

Somit werden in der erfindungsgemäßen Brennkammer günstige Bedingungen für das Zünden der Zündflamme gewährleistet, wodurch die Zuverlässigkeit des Anfahrens der Gasturbinenanlage erhöht wird. Die Erhöhung der Zuverlässigkeit des Betriebs der Gasturbinenanlage ergibt sich daraus, daß die Zündflamme aus der Zündzone unmittelbar in die Flammenaufrechterhaltungs­ zone gelangt und keine zusätzliche thermische Beanspruchung der Fronteinrichtung verursacht.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Kanäle für die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs in den durch die Trennwände begrenzten Raum als Öffnungen in den Trennwänden ausgeführt. Dies vereinfacht die Konstruktion, da eine unabhängige Zufuhr von Startbrennstoff unnötig wird.

Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die Brennkammer einer Gasturbinenanlage im halben Längsschnitt;

Fig. 2 den Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 die Einzelheit A in Fig. 1 im vergrößerten Maßstab und

Fig. 4 den Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3.

Die Brennkammer der Gasturbinenanlage besteht aus, aufeinander­ folgend in Strömungsrichtung angeordnet, einem Diffusor 1, einer Fronteinrichtung 2 und Flammrohren 3. Die Fronteinrich­ tung 2 besteht aus zwei koaxial angeordneten Ringschaufel­ wirblern 4 und einem Ringsammler-Flammhalter 5, der zwischen den Wirblern 4 angeordnet ist. Die Schaufeln der Wirbler 4 erzeugen einen gegensinnigen Drall der ringförmigen Luft­ strahlen, die in den Feuerraum der Brennkammer eintreten, welcher von den Flammrohren 3 begrenzt ist. Der Drall der ringförmigen Luftstrahlen ist in Fig. 2 durch Pfeile gekenn­ zeichnet.

Der Ringsammler-Flammenhalter 5 stellt ein ringförmiges Hohlelement mit zum Umströmen ungünstiger Form dar, das entsprechend seiner Benennung zwei Funktionen hat. Zum einen dient dieses Element als Brennstoffsammler zur gleichmäßigen Verteilung des gasförmigen Brennstoffs auf dem Kreisumfang der Brennkammer. Hierzu wird der Brennstoff durch einen Kanal (nicht eingezeichnet) aus dem Brennstoffsystem der Anlage in seinen Innenraum 6 eingeleitet und tritt durch Auslaßöffnungen 7 in die Flammenaufrechterhaltungszone der Hauptflamme aus. Zum zweiten gewährleistet der Ringsammler- Flammenhalter 5 die Aufrechterhaltung der Flamme des Brenn­ stoff-Luft-Gemisches dadurch, daß sich hinter ihm eine ver­ wirbelte Zone mit kreisenden Nebenströmungen und einem äußerst intensiven turbulenten Austausch aufbaut.

Die Brennkammer gemäß Fig. 1 und 2 hat zwei Wirbler 4 und einen Ringsammler-Flammenhalter 5, jedoch kann die Anzahl dieser Elemente vergrößert werden, beispielsweise kann die Brennkammer drei Wirbler und zwei zwischen ihnen angeordnete Ringsammler-Flammenhalter aufweisen.

Zwischen der Außen- und der Innenwand des Ringsammler-Flammen­ halters 5 sind in geringer Entfernung voneinander zwei Trenn­ wände 8 quer zur Umfangsrichtung eingebaut. Beispielsweise können die Trennwände 8 in radialer Richtung angeordnet sein, wie in Fig. 2 dargestellt, in der die Achse 9 der Brennkammer senkrecht zur Ebene der Zeichnung steht und sich als Punkt abbildet. Auf der dem Diffusor 1 zugekehrten Wand des Ringsammler-Flammenhalters 5 ist zwischen den Trenn­ wänden 8 eine Zündkerze 10 befestigt, wobei deren Elektroden in der Zone 11 des Innenraums 6 des Ringsammler-Flammenhalters 5 liegen, die durch die Trennwände 8 begrenzt ist. Diese Innenraumzone 11 dient zum Zünden der Zündflamme.

Der Abschnitt des Ringsammler-Flammenhalters 5, der durch die Trennwände 8 begrenzt ist, ist im größeren Maßstab in Fig. 3 und 4 dargestellt. In der Innen- und in der Außenwand des Ringsammler-Flammenhalters 5 sind in der Nähe der Elektroden 12 der Zündkerze 10 Öffnungen 13 für den Lufteintritt ausge­ führt, die die Innenraumzone 11 mit dem unmittelbar vor der Fronteinrichtung 2 liegenden Bereich der Brennkammer verbinden. Für die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs in die durch die Trennwände 8 begrenzte Innenraumzone 11 sind Öffnungen 14 in den Trennwänden 8 ausgeführt. Dadurch sind spezielle Kanäle für die Zufuhr des Brennstoffs in die Zone 11 entbehrlich, weil das Startgas für die Zündflamme aus dem Ringsammler-Flammenhalter 5 unmittelbar kommt. Falls aber in der Brennkammer eine selbständige Zuleitung von Startbrennstoff vorgesehen ist, fehlen die Öffnungen 14 in den Trennwänden 8 und es ist eine Leitung für die Zufuhr des Start-Verbrennungsgases durch die Wandungen des Ringsammler- Flammenhalters 5 in die Zone 11 verlegt.

In der Rückwand (in Strömungsrichtung der Luft) des Ringsammler- Flammenhalters 5 sind Öffnungen 15 für den Austritt der Zündflamme in die Flammenaufrechterhaltungszone vorgesehen.

Beim Anfahren der Gasturbinenanlage wird die Luft von dem Verdichter (nicht eingezeichnet) in den Diffusor 1 gefördert, durchströmt die Wirbler 4 der Fronteinrichtung 2 und kommt in den Feuerraum der Brennkammer, die von den Flammrohren 3 begrenzt ist. Hierbei kommt eine gewisse Luftmenge aus der Zone der Fronteinrichtung 2 durch die in den Wandungen des Ringsammler-Flammenhalters 5 ausgeführten Öffnungen 13 in die von den Trennwänden 8 begrenzte Innenraumzone 11 im Inneren des Ringsammler-Flammenhalters 5. Gleichzeitig wird gasförmiger Brennstoff zugeleitet, der durch die Öffnungen 7 in der Rückwand des Ringsammler-Flammenhalters 5 in die Flammenaufrechterhaltungszone strömt, und durch die Öffnungen 14 in den Trennwänden 8 in die Innenraumzone 11 gelangt, wo er sich mit der Luft vermischt und ein Brennstoff-Luft-Ge­ misch bildet.

Da in der Zone, wo die Öffnungen 13 angeordnet sind, der Luftstrom stabil ist, hängt der Luftdurchsatz durch diese Öffnungen von den Strömungsverhältnissen der Luft im Diffusor 1 nicht ab, und es herrschen auch während des Anlaufens der Anlage in der Zone 11 günstige Bedingungen für die Brenn­ gemischbildung und für das Zünden dieses Gemisches.

Beim Anlegen der Spannung an die Elektroden 12 der Zündkerze 10 wird dieses Gemisch gezündet und erzeugt die Zündflamme, welche durch die Öffnungen 15 in die Flammenaufrechterhaltungs­ zone der Hauptflamme austritt und diese Flamme zündet. Da die Zündflamme unmittelbar in die Flammenaufrechterhaltungs­ zone gelangt, bewirkt sie keine zusätzliche thermische Be­ lastung der Bauelemente der Fronteinrichtung, wodurch die Zuverlässigkeit der Gasturbinenanlage erhöht wird.

Nach dem Zünden der Hauptflamme wird die Zündkerze 10 abge­ schaltet und die Zündflamme erlischt. Das sich in der Zone 11 bildende Brennstoff-Luft-Gemisch tritt durch die Öffnungen 15 in die Feuerzone der Brennkammer, wo es infolge der Wechsel­ wirkung mit der Hauptflamme verbrennt.

Durch die axial verlaufenden Trennwände 8 ist somit innerhalb des Innenraums 6 des Ringsammler-Flammenhalters 5 eine sich über einen kleinen Umfangsabschnitt erstreckende besondere Kammer zum zuverlässigen Zünden und Brennen der Zündflamme in Gestalt der Innenraumzone 11 gebildet.

Claims (3)

1. Brennkammer einer Gasturbinenanlage mit

• - einem Diffusor (1),
• - einer Fronteinrichtung (2) aus mindestens zwei koaxial angeordneten Ringschaufelwirblern (4) zum Verwirbeln des dem Feuerraum der Brennkammer zugeführten Luftstroms und mindestens einem zwischen den Wirblern (4) angeordneten Ringsammler-Flammenhalter (5), der einen Kanal für die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs in seinen Innenraum (6) und Auslaßöffnungen (7) zum Auslaß des gasförmigen Brennstoffs in die Flammenaufrechterhaltungszone aufweist, und
• - einer Zündkerze (10) zum Zünden des ihren Elektroden (12) zugeführten Brennstoff-Luft-Gemisches und zum Erzeugen der Zündflamme,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - im Inneren des Ringsammler-Flammenhalters (5) quer zur Umfangsrichtung zwei Trennwände (8) in kleinem Abstand von­ einander angeordnet sind, und
• - die Zündkerze (10) am Ringsammler-Flammenhalter (5) derart befestigt ist, daß ihre Elektroden (12) in der durch diese Trennwände (8) begrenzten Zone (11) seines Innenraums (6) liegen,
• - wobei der Ringsammler-Flammenhalter (5) Kanäle für die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs in diese Innenraumzone (11) aufweist
• - und die zwischen den Trennwänden (8) liegenden Abschnitte der Wandungen des Ringsammler-Flammenhalters (5) Öffnungen (13) für die Zufuhr der Luft in die durch die Trennwände (8) begrenzte Innenraumzone (11) sowie Öffnungen (15) für den Austritt der Zündflamme aus dieser Innenraumzone (11) in die Flammenaufrechterhaltungszone aufweisen.

2. Brennkammer einer Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle für die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs in die durch die Trennwände (8) begrenzte Innenraumzone (11) als Öffnungen (14) in den Trenn­ wänden (8) ausgeführt sind.