DE4242721A1

DE4242721A1 - Gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: DE4242721A1
Application number: DE4242721A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Althaus; Burkhard Dr Schulte-Werning
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1992-12-17
Filing date: 1992-12-17
Publication date: 1994-06-23
Also published as: EP0602384A1; JP3523309B2; US5426943A; JPH06221562A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer mit um weltfreundlichen Brennern, welche aus mindestens zwei in Strömungsrichtung aufeinander positionierten, hohlen kegel förmigen Teilkörpern bestehen, deren Längssymmetrieachsen zueinander radial versetzt verlaufen, wobei die Wände der Brennkammer durch Kühlung vor zu hohen Materialtemperaturen geschützt werden, und ein Verfahren zum Betrieb der Brenn kammer.

Stand der Technik

Derartige Gasturbinenbrennkammern sind bekannt. So werden z. B. Ringbrennkammerwände von Gasturbinen, die mit umwelt freundlichen Brennern ausgerüstet sind, welche aus mindestens zwei in Strömungsrichtung aufeinander positionierten, hohlen kegelförmigen Teilkörpern bestehen, deren Längssymmetrie achsen zueinander radial versetzt verlaufen, wodurch strö mungsmäßig entgegengesetzte tangentiale Lufteintrittsschlit ze für einen Verbrennungsluftstrom entstehen, wobei im von den kegelförmigen Teilkegelkörpern gebildeten Kegelhohlraum mindestens eine Düse zur Eindüsung des Brennstoffes plaziert ist, durch eine Kombination von Konvektions- und Filmkühlung mit Hilfe eines Kühlmassenstromes vor zu hohen Materialtempe raturen geschützt.

Konstruktiv wird vor den Brennern eine Haube angeordnet, über die der Hauptmassenstrom direkt den Brennern zuströmt und die das zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Kühlmassenstro mes notwendige Druckgefälle erzeugt. Diese Drosselung ver schlechtert aber den Wirkungsgrad, während gleichzeitig der über die Filmkühlung der Brennkammer zugeführte Massenstrom indirekt zu einer Verschlechterung der NO_x-Werte beiträgt.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbinenbrennkammer gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 den Kühlkanal so zu ge stalten, daß eine reine Konvektivkühlung der Brennkammerwän de ermöglicht wird, und daß durch ein Verfahren zum Betrieb der Brennkammer der Wirkungsgrad der Gasturbinenbrennkammer erhöht wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Gas turbinenbrennkammer einen Kühlkanal besitzt, der eine in Strömungsrichtung der Kühlluft veränderliche Höhe und/oder veränderliche Oberflächenrauhigkeit aufweist, und daß die Gasturbinenbrennkammer so betrieben wird, daß der gesamte vom Verdichter kommende Massenstrom durch den Kühlkanal fließt, zur Konvektivkühlung der Brennkammerwände eingesetzt wird und anschließend der gesamte Massenstrom an der Ver brennung teilnimmt.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß durch eine Verringerung der Drosselverluste der Wir kungsgrad der Gasturbinenbrennkammer erhöht wird und daß gleichzeitig die NO_x-Emissionen minimiert werden.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Höhe des Kühlkanals in Strömungsrichtung der Kühlluft stetig abnehmend, vorzugsweise linear abnehmend ist, um eine Anpassung der Kühlwirkung an eine lokal unterschiedliche Wärmebelastung zu erreichen. Die Höhe des Kühlkanals in Strömungsrichtung kann aber auch bei spielsweise exponentiell abnehmend sein.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Oberflächenrauhigkeit der Innenwände des Kühlkanals in Strömungsrichtung der Kühlluft variabel (zunehmend) ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Es zeigt

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Gasturbinenbrennkammer;

Fig. 2 die Abhängigkeit der Kühlluftgeschwindigkeit und der Wärmeübergangszahl von der Höhe des Kühlluft kanals über die Brennkammerlänge gesehen.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeits mittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer 1 dargestellt. Es ist eine Ringbrenn kammer mit einer Brennkammerinnenwand 2 und einer Brennkammeraußenwand 3. Die beiden Wände 2,3 begrenzen den Kühlkanal 4 der Brennkammer 1. Die Brennkammer 1 ist mit umweltfreund lichen Brennern 5 ausgerüstet, von denen zwecks Vereinfachung der Darstellung nur ein Brenner 5 in Fig. 1 abgebildet ist. Diese Brenner 5 bestehen aus mindestens zwei in Strömungs richtung aufeinander positionierten, hohlen kegelförmigen Teilkörpern, deren Längssymmetrieachsen zueinander radial versetzt verlaufen, wodurch strömungsmäßig entgegengesetzte tangentiale Lufteintrittsschlitze für einen Verbrennungs luftstrom entstehen, wobei im von den kegelförmigen Teilke gelkörpern gebildeten Kegelhohlraum mindestens eine Düse zur Eindüsung des Brennstoffes plaziert ist. Vor den umwelt freundlichen Brennern 5 ist eine Haube 6 angeordnet.

Das Wesentliche der Erfindung besteht nun darin, daß der gesamte vom Verdichter 7 kommende Massenstrom für eine reine Konvektivkühlung der Brennkammer 1 eingesetzt wird. Das ge schieht durch eine Anpassung der Kühlwirkung an die lokal un terschiedliche thermische Belastung, indem der Kühlkanal 4 eine in Strömungsrichtung der Kühlluft stetig abnehmende Höhe aufweist. Im Ausführungsbeispiel ist die Höhe des Kühlkanals 4 linear abnehmend. Diese kann aber z. B. auch exponentiell abnehmend sein. Bekannt ist, daß durch den Einsatz von Längs- und Querrippen 8 die Konvektivkühlwirkung verbessert werden kann, deshalb können zusätzlich im Kühlkanal 4 Längs- und Querrippen 8 angeordnet sein. Desweitern kann auch wahl weise die örtliche Oberflächenrauhigkeit variiert werden.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, erhöhen sich die Kühlluftgeschwin digkeit u bzw. die Wärmeübergangszahl α mit abnehmender Höhe des Kühlkanals 4 in Strömungsrichtung der Kühlluft. Das be deutet, daß die höchste Kühlwirkung dort erzielt wird, wo in der Brennkammer 1 die höchsten Temperaturen entstehen, d. h. es wird genau dort am meisten gekühlt, wo die größte Kühl wirkung notwendig ist.

Der gesamte vom Verdichter 7 kommende Massenstrom wird durch den Kühlkanal 4 geleitet und kühlt infolge reiner Konvektiv kühlung die Brennkammerinnenwand 2. Er wird dabei durch die Kühlung vorgewärmt und strömt anschließend innerhalb der Haube 6 direkt den Brennern 5 zu. Somit nimmt der gesamte Massenstrom im Inneren der Brennkammer 1 an der Verbrennungs teil und beeinflußt positiv die NO_x-Bildung.

In Abhängigkeit von der Brennkammerauslegung verringern sich die Drosselverluste und es kommt zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber dem bekannten Stand der Technik.

Bezugszeichenliste

1 Brennkammer
2 Brennkammerinnenwand
3 Brennkammeraußenwand
4 Kühlkanal
5 Brenner
6 Haube
7 Verdichter
8 Rippen
u Kühlluftgeschwindigkeit
α Wärmeübergangszahl
L Länge des zylindrischen Teils der Brennkammer

Claims

1. Gasturbinenbrennkammer (1) mit umweltfreundlichen Bren nern (5), welche aus mindestens zwei in Strömungsrich tung aufeinander positionierten, hohlen kegelförmigen Teilkörpern bestehen, deren Längssymmetrieachsen zuein ander radial versetzt verlaufen, wodurch strömungsmäßig entgegengesetzte tangentiale Lufteintrittsschlitze für einen Verbrennungsluftstrom entstehen, wobei im von den kegelförmigen Teilkegelkörpern gebildeten Kegelhohlraum mindestens eine Düse zur Eindüsung des Brennstoffes pla ziert ist, und mit einem durch die Brennkammerinnenwand (2) und die Brennkammeraußenwand (3) begrenzten Kühlka nal (4), in welchem die Kühlluft entlangströmt und in welchem Längs- und Querrippen (8) angeordnet sein kön nen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (4) eine in Strömungrichtung der Kühlluft veränderliche Höhe und/oder veränderliche Oberflächenrauhigkeit aufweist.

2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Höhe des Kühlkanals (4) in Strömungs richtung stetig abnehmend ist.

3. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Kühlkanals (4) in Strömungsrichtung der Kühlluft linear abnehmend ist.

4. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Kühlkanals (4) in Strömungsrichtung der Kühlluft exponentiell abnehmend ist.

5. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit der Innenwände des Kühlkanals (4) in Strömungsrichtung der Kühlluft zu nehmend ist.

6. Verfahren zum Betrieb der Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte vom Verdichter (7) kommende Massenstrom durch den Kühlkanal (4) fließt und für eine reine Konvektivkühlung der Brennkammerin nenwand (2) eingesetzt wird und der gesamte Massenstrom an der Verbrennung teilnimmt.