DE3942451A1 - Vorrichtung zur einstellung der sekundaerluftmenge an einer gasturbinenbrennkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung der Sekundärluftmenge an einer Gasturbinenbrennkammer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der Zeitschrift "Automotive Engineering" Volume 90, Nr. 5 vom Mai 1982 ist auf der Seite 40 das Flammrohr einer Gastur­ binenbrennkammer dargestellt, welches am austrittsseitigen Ende über den Umfang des Flammrohres verteilt angeordnete Sekundär­ luftöffnungen aufweist, die durch eine ring- bzw. hülsenförmige Drosseleinrichtung, welche ebenfalls über ihren Umfang verteilt angeordnete Luftöffnungen aufweist, mittels einer Steuerein­ richtung durch Verdrehen der Drosseleinrichtung gegenüber den Sekundärluftöffnungen kontinuierlich verschließbar bzw. öffen­ bar sind. Auf diese Weise kann die Zufuhr von Sekundärluft zur Sekundärzone des Flammrohres gesteuert werden.

Durch die Unterschiede in der Ausdehnung des beim Aufheizen von der Flamme direkt beaufschlagten Flammrohres gegenüber der au­ ßerhalb liegenden Drosseleinrichtung und die durch Temperatur­ unterschiede in der Strömung im Flammrohr bedingten ungleich­ förmigen Temperaturen im Flammrohr in Umfangsrichtung, die eine Abweichung des Flammrohres von der ursprünglichen Form verur­ sachen, muß zwischen diesen beiden Bauteilen zur Vermeidung eines Blockierens der Drosseleinrichtung am Flammrohr ein Mindestabstand vorgesehen werden, durch welchen wiederum die zwischen diesen Bauteilen strömende Leckluftmenge erhöht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Ein­ stellung der Sekundärluftmenge an einer Brennkammer einer Gas­ turbine der bekannten Art so zu verbessern, daß ein Blockieren der Vorrichtung verhindert und gleichzeitig die Leckluftmenge verringert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weite­ re Merkmale gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

Zwischen dem Flammrohr der Brennkammer einer Gasturbine, wel­ ches in seiner Sekundärzone mit Sekundärluftöffnungen ausgestat­ tet ist, und der die Zufuhr von Sekundärluft zur Sekundärzone des Flammrohres steuernden Drosseleinrichtung ist ein das Flamm­ rohr konzentrisch umgebendes ebenfalls mit über seinen Umfang verteilt angeordneten Luftöffnungen versehenes Hüllrohr vorgese­ hen, welches mit dem Flammrohr fest verbunden ist und zwischen Flammrohr und Hüllrohr einen Ringraum bildet. Die im Hüllrohr angeordneten Luftöffnungen können mittels einer Steuereinrich­ tung kontinuierlich verschlossen bzw. geöffnet werden, wodurch die Zufuhr von Sekundärluft zum Ringraum und damit in die Sekun­ därzone des Flammrohres gezielt steuerbar ist. Die von außen mit Umgebungstemperatur durch Belüftungsöffnungen in den Ring­ raum gelangende Luft bewirkt im Ringraum ein Lufttemperaturni­ veau, das zwischen dem Niveau der Umgebungsluft und dem Tempe­ raturniveau im Flammrohr liegt. Auf diese Weise kann der Tempe­ raturgradient zwischen dem Hüllrohr und der die Luftöffnungen des Hüllrohres verschließenden Drosseleinrichtung geringer ge­ halten werden als der hohe Temperaturgradient zwischen den sonst üblicherweise direkt aneinanderliegenden Bauteilen, das heißt zwischen dem Flammrohr mit seinen Sekundärluftöffnungen und der diese verschließenden Drosseleinrichtung. Ein zur Ver­ meidung der Blockierung der Funktion der Drosseleinrichtung wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der genannten Bauteile notwendiges Spiel zwischen diesen kann durch die ver­ änderten Temperaturgradienten geringer gehalten und Leckverlu­ ste können so ebenfalls verringert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben.

Die einzige Figur zeigt in einem teilweisen Schnitt vereinfacht ein zu einer Längsachse 1 rotationssymmetrisches Flammrohr 2 einer nicht weiter gezeigten Gasturbinenbrennkammer. In der Sekundärzone 3 des Flammrohres 2 befinden sich über den Umfang desselben verteilt angeordnete Sekundärluftöffnungen 4, durch welche Sekundärluft in die Sekundärzone einströmen kann. Au­ ßerhalb des Flammrohres 2 ist konzentrisch zu diesem, das heißt also mit der selben Längsachse 1, ein Hüllrohr 5 angeordnet, das in Richtung zum austrittsseitigen Ende des Flammrohres eine rohrförmige Verlängerung 6 trägt, welche stromab der Sekundär­ luftöffnungen 4 in einer Ebene 7 mit dem Flammrohr 2 fest ver­ bunden, z. B. verschweißt ist. Das Hüllrohr 5 weist dabei über seinen Umfang verteilt angeordnete verschließbare Luftöffnungen 11 auf, durch welche Sekundärluft von außerhalb der Brennkammer in den durch das Hüllrohr 5 und seine Verlängerung 6 einerseits sowie das Flammrohr 2 andererseits gebildeten Ringraum 12 und weiter durch die Sekundärluftöffnungen 4 in das Innere des Flammrohres 2 in der Sekundärzone 3 gelangen kann. Je nach An­ ordnung und Ausführung der Luftöffnungen 11 im Hüllrohr 5 kann die Eindringtiefe der Sekundärluft in die Sekundärzone 3 des Flammrohres 2 und das dort herrschende Temperaturprofil beeinflußt werden. So müssen die Luftöffnungen 11 nicht unbe­ dingt - wie in der Figur gezeigt - in axialer Richtung verschoben zu den Sekundärluftöffnungen 4 angeordnet sein, son­ dern können auch in gleicher oder ähnlicher Ebene liegen. Eben­ so läßt sich eine Beeinflussung der Sekundärluftströmung durch eine Variation der Anordnung der Luftöffnungen 11 auf dem Um­ fang des Hüllrohres 5 erzielen wie auch durch die Wahl der Durchmesser und damit der Öffnungsflächen der Luftöffnungen 11. So hat es sich als besonders günstig herausgestellt, wenn das Verhältnis der Öffnungsflächen aller Luftöffnungen 11 im Hüll­ rohr 5 zu den Öffnungsflächen aller Sekundärluftöffnungen 4 im Bereich zwischen 1 und 2 - vorzugsweise bei 1,5 - liegt. Die Zufuhr von Sekundärluft zum Ringraum 12 wird mittels einer Dros­ seleinrichtung 13 gesteuert.

Diese Drosseleinrichtung 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ringförmiger Schieber 14 ausgebildet, welcher über ein an ihm befestigtes Gestänge 15 von einer nicht gezeigten Steuer­ einrichtung betätigt die Luftöffnungen 11 durch axiales Ver­ schieben gemäß Pfeil 16 kontinuierlich öffnen bzw. verschließen kann und auf diese Weise den Zustrom von Sekundärluft durch die Luftöffnungen 11 in den Ringraum 12 ermöglicht bzw. verhindert.

In einer anderen hier nicht dargestellten Ausführungsform ist es denkbar, daß die Drosseleinrichtung 13 statt aus dem bereits beschriebenen Schieber 14 aus einem drehbaren Ring besteht, der ebenfalls Luftöffnungen aufweist. Durch ein Verdrehen des Rings in geeigneter Weise, z. B. über einen Zahnantrieb, werden die Öffnungen im Ring mit denen im Hüllrohr 5 in Deckung gebracht und ermöglichen so die Zufuhr von Sekundärluft in den Ringraum 12 bzw. umgekehrt.

Das andere Ende 8 des Hüllrohres 5 steht über den Flammrohr­ wulst 9 mit dem Flammrohr 2 in Verbindung, wobei zwischen dem Ende 8 des Hüllrohres 5 und dem Flammrohrwulst 9 zwischen die­ sen beiden Bauteilen ein Ringspalt als Belüftungsöffnung 10 gebildet wird. Das Hüllrohr 5 weist dabei über seinen Umfang annähernd gleichmäßig verteilte, sich in den Ringspalt 10 er­ streckende und den Spaltabstand ausfüllende schmale, zum Bei­ spiel 0,2-1 Grad breite, Nasen 17 auf, die einen Mindestspalt­ abstand des Ringspaltes 10 festlegen und damit ein Verschließen desselben durch Wärmeausdehnung verhindern. Der Ringspalt 10 wird vorteilhafterweise durch zwei Kegelmantelflächen 18 und 19 definiert, deren gemeinsame Kegelspitze in einem Punkt 20 im Schnittpunkt der Längsachse 1 mit der die Befestigung der Ver­ längerung 6 des Hüllrohres 5 am Flammrohr 2 definierenden Ebene 7 liegt. Durch die Anordnung der auf den Kegelmantelflächen 18 und 19 liegenden Oberflächen des Ringspaltes 10 mit dem gemein­ samen Dehnungszentrum der den Ringspalt 10 bildenden Bauelemen­ te - Hüllrohr 5 und Verlängerung 6 einerseits sowie Flammrohr 2 andererseits - im Schnittpunkt 20 von Längsachse 1 und Ebene 7 wird auch bei instationären Betriebszuständen der Brennkammer unter Einwirkung unterschiedlicher, im wesentlichen zur Längs­ achse 1 rotationssymmetrischer Temperaturgradienten, die auf das Flammrohr 2 einwirken, ein nahezu konstanter Spaltabstand im Ringspalt 10 zwischen den diesen bildenden Bauelementen er­ zielt.

Der beschriebene Ringspalt 10, der als Belüftungsöffnung für den Ringraum 12 dient, führt diesem von außen Kühlluft mit der außen herrschenden Temperatur T1 zu, wodurch die Temperatur im Ringraum 12 ein Temperaturniveau von T2 < T1 erhält, während die in der Sekundärzone 3 des Flammrohres 2 herrschende Tempe­ ratur ein Niveau T3 < T2 aufweist. Die eben beschriebene Vertei­ lung dieser Temperaturen hat zur Folge, daß die Differenz der mittleren Bauteiltemperaturen zwischen Drosseleinrichtung 13 und Hüllrohr 5 geringer ist, als die Differenz der mittleren Bauteiltemperaturen zwischen Drosseleinrichtung 13 und Flamm­ rohr 2. Diese geringere Temperaturdifferenz zwischen Drossel­ einrichtung 13 und Hüllrohr 5 gestattet es, den zum Spielausgleich zwischen diesen beiden Bauteilen notwendigen Spalt 21 gering zu halten und damit die Leckverluste aufgrund durch diesen Spalt 21 strömender Leckluft zu minimieren.

In einer anderen, hier nicht zeichnerisch dargestellten Ausfüh­ rungsform kann auf die durch den Ringspalt 10 gebildeten Belüf­ tungsöffnungen verzichtet werden, indem die Drosseleinrichtung 13 derart ausgebildet ist, daß sie bzw. der Schieber 14 Ausspa­ rungen, zum Beispiel Kerben, aufweisen, durch welche auch bei die Luftöffnungen 11 verschließender Stellung der Drosselein­ richtung 13 ein bestimmter definierter Kühlluftstrom in den Ringraum 12 gelangt und dort das erforderliche Temperaturniveau T2 bewirkt.

Auf die eben beschriebene Weise wird mittels der Erfindung also erreicht, daß bei verminderter Leckluftmenge die Funktionsfähig­ keit einer Verstellvorrichtung für die Zufuhr von Sekundärluft in das Flammrohr einer Gasturbinenbrennkammer gewährleistet ist.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Einstellung der Sekundärluftmenge an einer Brennkammer einer Gasturbine mit einem Flammrohr, das austritts­ seitig über seinen Umfang verteilt angeordnete Sekundärluftöff­ nungen aufweist, wobei die Zufuhr von Sekundärluft zu diesen Sekundärluftöffnungen mittels einer durch eine Steuereinrich­ tung betätigten, konzentrisch zur Längsachse des Flammrohres angeordneten Drosseleinrichtung kontinuierlich verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Flammrohr (2) und Drosseleinrichtung (13) ein das Flammrohr (2) konzentrisch umgebendes und an ihm befestigtes einen Ringraum (12) bildendes Hüllrohr (5) vorgesehen ist, welches über seinen Umfang verteilt angeordnete Luftöffnungen (11) aufweist, die von der mittels der Steuereinrichtung betätigten Drosseleinrichtung (13) kontinuierlich schließbar bzw. öffenbar sind, und
daß im Hüllrohr (5) Belüftungsöffnungen (10) vorgesehen sind, welche eine Belüftung des Ringraums (12) bei geschlossener Drosseleinrichtung (13) ermöglichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftungsöffnungen (10) durch die Luftöffnungen (11) im Hüllrohr (5) bei geschlossener Drosseleinrichtung (13) teilweise freigebende Aussparungen in der Drosseleinrichtung (13) gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (5) mit seinem einen Ende am austrittsseitigen Ende des Flammrohres (2) befestigt ist und mit seinem anderen Ende (8) zusammen mit einem mit dem Flammrohr (2) verbundenen Flammrohrwulst (9) einen Ringspalt (10) bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (10) durch zwei Kegelmantelflächen (18, 19) gebildet ist, deren gemeinsame Kegelspitze (20) auf der Längsachse (1) des Flammrohres (2) in der Befestigungsebene (7) des Hüllrohres (5) am austrittsseitigen Ende des Flammrohres (2) liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (5) am Ringspalt (10) über seinen Umfang gleichmäßig verteilte, sich in den Spalt (10) erstreckende und den Spaltabstand ausfüllende Nasen (17) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung (13) gegenüber den Luftöffnungen (11) des Hüllrohres (5) in axialer Richtung des Flammrohres (2) verschiebbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung (13) über ihren Umfang entsprechend der Verteilung der Luftöffnungen (11) auf dem Hüllrohr (5) verteilt angeordnete Luftzufuhröffnungen aufweist und daß die Drosseleinrichtung (13) mit ihren Luftzufuhröffnungen gegenüber den Luftöffnungen (11) im Hüllrohr (5) verdrehbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Flächen der Luftöffnungen (11) im Hüllrohr (5) zu den Flächen der Sekundärluftöffnungen (4) im Flammrohr (2) im Bereich zwischen 1 und 2 liegt.