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Anordnung der Verbrennungskammern am Wärmeaustauscher von Gasturbinen
mit innerer Verbrennung Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinenanlagen, die mit
Wärmeaustauschern ausgestattet sind und mit innerer Verbrennung arbeiten, d. h.
auf Gasturbinenanlagen, in Nvelchen die komprimierte Luft, die als Betriebsfluidum
dient, in zwei Stufen erhitzt wird, zunächst durch die Übertragung von Wärme aus
den Turbinenabgasen und dann durch Verwendung eines Teils ihres Sauerstoffs für
die Verbrennung.
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Gasturbinenanlagen, die Wärmeaustauscher in Verbindung mit Verbrennungskammern
umfassen, hat man bereits vorgeschlagen. Bei denselben sind die Röhren des Wärmeaustauschers
so innerhalb der Endwandung der Verbrennungskammer angeordnet, daß die Richtung
der Luftströmung durch die Wärmeaustauscherröhren sich in. einer Linie mit der Richtung
der Luftströmung durch die Verbrennungskammer befindet. Dieselbe verläuft derart,
daß ein Teil von der ankommenden komprimierten Luft, die vermittels der Turbinenabgase
im Wärmeaustauscher vorgewärmt ist, um die Verbrennungskammer herumgeführt wird,
während dier Rest durch die Kammer hindurchgeht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Verbrennungskammer innerhalb
des Luftauslaßorgans oder der Auslaßorgane des Wärmeaustauschers angeordnet und
so ausgebildet, daß die Richtung der Luftströmung durch den Wärmeaustauscher im
wesentlichen
senkrecht zur Richtung der Luftströmung durch die Verbrennungskammer verläuft.
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Im allgemeinen ist nur eine Verbrennungskammer in jedem Luftawslaßorgan
des Wärmeaustauschers eingebaut, so daß die Zahl der Verbrennungskammern und der
Auslaßorgane dieselbe ist. Indes kann es vorteilhaft sein., eine Anrcahl Verbrennungskammern
in ein und demselben Auslaßorgan auszubilden.
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Die Luftaus.laßorgane sind zweckmäßig als zylindrische Trommeln von
genügender Größe ausgebildet und mit Innenprallplatten versehen, so daß die aus
den Wärmeaustauscherrö'hren oder -leitungen hervorgehende Luft um die Verbrennungswände
herumgeht und dieselben vor ihrem Eintritt kühlt. Die Prallplatten können zweckmäßig
so angeordnet sein, daß sie eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Luft um die
Verbrennungskammern herum nach den Luftöffnungen hin und damit eine entsprechende
Kühlung der Wandung der Verbrennungskammern herbeiführen.
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Nur ein verhältnismäßig kleiner Teil der komprimierten Luft ist erforderlich,
um einen angemessen-en Luftüberschuß für die vollständige Verbrennung zu ergeben..
Der größere Teil der Luft dient dem Zwecke, die Verbrennungsprodukte zu verdünnen,
um eine unzulässig hohe Temperatur am Turbineneinlaß zu vermeiden.
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Der größte Teil der Verdünnungsluft wird vorzugsweise einer Mischabteilung
der Verbrennungskammer zugeführt, d. h. einer Fortsetzung der Verbrennungskammer,
die über die Stelle, an welcher die Verbrennung sich vollständig vollzieht, hinaus
sich erstreckt.
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Ein gewisser Betrag der Verdünnungsluft wird zweckmäßig für die Kühlung
der Flansche und der Expansionskragen der von der Verbrennungskammer zur Gasturbine
führenden Leitung zurückbehalten. Für diesen. Zweck ist eine innere Leitung, welche
die Fortsetzung dier Verbrennungskammer bildet, in die Hauptleitung eingelassen.
Die Hauptmenge des Gasflusses erfolgt durch die innere Leitung. Verdünnungsluft
geht durch den Ringraum zwischen den beiden Leitungen und vereinigt sich mit dem
Hauptfiuß, wo die innere Leitung endet. Die innere Leitung kann so weit in die Hauptleitung
hineinreichen, als sie sich gerade erstreckt. Es ist vorteilhaft, den Wärmeausta.uscheroberteil
mit wenigstens einem zu versehen, der den vollen Querschnitt des Kopfes besitzt,
so daß die gesamte Verbrennungskammer mit Luftprallplatten herausgenommen und erforderlichenfalls
schnell ersetzt werden kann. Der Wärmeaustauscher ist zweckmäßig so ausgebildet,
daß er sich insbesondere gut für die Unterbringung der Verbrennungskammern in den
Luftauslaßorganen eignet. Diese Bauart kann, leicht mit zwei oder mehreren Auslaßorganen
ausgestaltet werden, so daß ahne weiteres zwei oder mehrere Verbrennungskammern
vorgesehen werden können.
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Durch Einbau der Verbrennungskammern in die Luftauslaßorgane des Wärmeaustauschers
kommen Zwischenleitungen in Fortfall, so daß ein entsprechender Druckabfall vermieden
wird. Die Ausgestaltung wird infolge des Fortfalls von Leitungsverbindungen und
Zwischenleitungen vereinfacht. Gegebenenfalls wird die äußere Fläche derart verringert,
daß die Wärmeverluste gering sind.
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Bezüglich der Ausgestaltung ist der Grundsatz befolgt, daß Trommeln
oder Leitungen, die den Gasdruck aufnehmen, nicht hoher Temperatur zu unterwerfen
sind. Hohen Temperaturen sind gleichzeitig auch die Flanschverbindungen nicht ausgesetzt,
um ein Und ichtwerden zu vermeiden. Die gesamte Verbrennungskammer einschließlich
der Leitung welche hoher Temperatur ausgesetzt ist, unterliegt nur sehr geringen
Druckdifferenzen infolge des Druckabfalls.
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Eine konstruktive Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist in
der Zeichnung beispielsweise dargestellt. Die Zeichnung stellt einen Querschnitt
durch die Anordnung dar.
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Die Turbinenabgase umspülen von außen die Röhren i, welche die Wärmeübertragungsfläche
des Wärmeaustauschers bilden. Von diesen Röhren tritt die komprimierte Luft in die
Auslaßtrommel des Wärmeaustauschers. Diese besitzt einen zylindrischen Mantel 2,
der an beiden Enden mit äußeren AbschluBflanschen 3 und 4 versehen ist, so daß innere
Einbauten durch die geöffneten Enden entfernt werden können.
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Die Verbrennungskammer ist im Innern der Auslaßtrommel angeordnet.
Sie besteht aus äußeren zur Auslaßtrommel 2 konzentrischen Rohren 5 und inneren,
zur Auslaßtrommel konzentrischen Rohren g. Die äußeren Rohre 5 sind mit einem Fortsatz
6 von geringerem Durchmesser versehen, der konzentrisch mit der Leiturig 7 in diese
hineinragt, welche zu der (nicht dargestellten) Gasturbine führt. Der Fortsatz 6
endet nahe der gebogenen Leitung 8, welche zu dem Turbineneinlaßflansch führt. Das
innere Rohr g oder Flammrohr ist konzentrisch mit dem äußeren Rohr 5 angeordnet
und: mit ihm durch Zwischenstücke i o und i i verbunden:, die auch als Führungen
für die Verdünnungsluft aus den Röhren i dienen, welche jenseits des Flammrohrs
g in die Verbrennungskammer eintritt. Die Öffnungen 12 dienen ebenfalls, zum Eintritt
für die Verbrennungsluft jenseits der Stelle, wo die Verbrennung vollständig ist.
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Am Endflansch 3 ist die Auslaßtrommel des Wärmeaustauschers durch
einen Enddeckel 13 geschlossen, der den Brenner 14 trägt und mit dem Flammrohr g
durch Flügel 15 verbunden ist, die dazu dienen, der Verbrennungsluft wirbelnde Bewegung
zu erteilen. Vermittels der Luftzuführungen io trägt der Enddleckel das Einlaßende
der Verbrennungskammer.
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Das Aus:laßende der Verbrennungskammer ist durch leine Platte 16 getragen,
die zwischen dem Endflansch 4 der Auslaßtrommel des Wärmeaustauschers und dem Flansch
17 der Leitung 7, die zur Gasturbine führt, eingeklemmt ist. Die Platte 16 ist mit
Öffnungen 18 versehen, die zu dem ringförmigen Raum zwischen dem Fortsatz 6 der
Verbrennungskammer und, der zur Gasturbine führendien Leitung 7
| führen. Iahe am freien Ende ist der Fortsatz 6 mit |
| Ansätzen i<g versehen, die ihn in konzentrischer |
| Lage gegenüber der Leitung 7 halten. |
| Die Verbrennungskammer trägt außen eine Luft- |
| prallplatte 20, die sich vollständig um dieselbe |
| herum erstreckt und gleichzeitig als Zwischen- |
| versteifung für das äußere Verbrennungskammer- |
| ro'hr 5 dient, sowie eine zweite Luftprallplatte 21, |
| welche sich nur über einen Teil des Umfangs des |
| Mantels 2 erstreckt. |
| Die Platte 20 teilt die Luftströmung in zwei Teile, |
| von denen einer nach den Öffnungen 12 und, 18 fließt |
| und ganz als Kühlungs- und Verdünnungsschicht |
| dient, während der andere durch die Öffnungen bei |
| io und 15 geht und teils als Kühlungs- und Ver- |
| dünnungsluft, teils alis Verbrennungsluft dient. Die |
| Platte 21 verteilt die Luft nach dem Einlaßende der |
| Verbrennungskammer, d. h. nach io und 15, längs |
| ihres Umfangs. |
| Es ist ersichtlich, daß die gesamte Verbrennungs- |
| kammer, d. h. alle Teile, die mit dem Rohr 5 zu- |
| sammengebaut sind, aus der Auslaßtrommel des |
| Wärmeaustauschers nach Entfernung des End- |
| deckels 13 herausgezogen werden können. |
| Alle Außenwände, die hoher Temperatur ausge- |
| setzt sind, werden mit einer wärmeisolierenden Ver- |
| kle@idung 2 versehen. |
| Um etwaige Wärmedehnung zu berücksichtigen, |
| ist die Leitung 7 mit Expansionskragen 23 und |
| 24 versehen. |
| Ankerbolzen 25 sind außerhalb der Verkleidung |
| angebracht und verbinden die Flansche 26 und.' 27 an |
| der Auslaßtrommel2 des Wärmeaustauschers und |
| derLeiitung 8, an welcher die Auslaßtrommel und das |
| Turbinengehäuse mit einer im allgemeinen kalt blei- |
| benden Tragstruktur gehalten werden, welche die |
| Auslaßtrommel des Wärmeaustauschers und das |
| Turbinengehäuse von äußeren Kräften infolge des |
| Gasdrucks und der Kompressionskräfte an den Ex- |
| pansioniskragen entlastet. |