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Einrichtung an z-yklon-Brennkammern für Gasturbinen Die Erfindung
bezieht sich auf Verb-rennungs-Einrichtungen rnit einer Zyklon-Brennkammer - d.
h. auf Einrichtungen an einer Brennkammer, worin Brennstoffteilchen in Luft verbrannt
werden, welche in die Kammer tangential oder nahezu tangential eintritt und sich
vom Umfang her mit einer Drall- oder Wirbel-Bewegung in Richtung auf die Achse der
Kammer zu und auf diese Weise nach einem axialen Mittelauslaß für die Verbrennungsgase
bewegt -, die bei Gasturbinen Verwendung finden, und, wird vor allem darin gesehen,
daß. die Luft in einem Hauptstrom zugeführt wird, der über die Außenwarndung oder
-wandungen der Brennkammer als Kühlung hinwegströmt, und daß ein Zweigstrom, welcher
vom Hauptstrom abgezweigt wird und in welchem ein Steuerventil vorgesehen ist, dem
Brennerluft-Einlaß in die Brennkammer zugeführt wird, wobei die Menge der Luft,
welche durch den Hauptstrom ais Kühlung hin-,durchströmt, beträchtlich größer als
die Menge der Luft ist, welche den Zweigstrom als Brennerluft durchströmt. Es ist
im allgemeinen bei Verbrennungs-Einrichtungen bekannt, Verbrennungsluft von einem
Hauptstrom her - in z. B. ein Flammrohr hinein - abzuzweigen. Ebenfalls ist es bekannt,
ein Steuerventil in einem Brennluftstrom vorzusehen. Die beiden voraufgeführten
Merkmale sollen daher je für sich allein nicht Gegenstand der Erfindung sein.
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In Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens wird eine Einrichtung
vorgeschlagen., bei der eine Mehrzahl von Zweig- oder Teilströmen vom Hauptstrom
abgezweigt wird, um dadurch Brennerluft-Öffnungen, welche rund um die Kammer vorgesehen
sind, voneinander getrennt zu versorgen, und bei welcher ferner je eine besondere
Brennstoffeinspritzdüse in jedem der Brenner vorgesehen ist, die sich besonders
auszeichnet durch eine Mehrzahl, von
unabhängig bedienbaren Steuerventilen,
von denen jedes in einem der Zweigströme angeordnet ist, und daß jede der Brennstoffeinspritzdüsen
mit einer Brennstoffleitung in Verbindung ist und durch eine Mehrzahl von unablässig
voneinander bedienbaren Brennstoff-Steuerventilen mit Brennstoff versorgt wird.
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Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Einrichtung, die in einem
Außengehäuse, umgeben von einem Kühlluftraum, einen axialen Kühllufteinlaß und einen
axialen Gas- und Kühlluftauslaß aufweist, wird noch darin gesehen, daß eine Mehrzahl
von. Abzweig- oder Gabelrohren außerhalb des Außengehäuses angeordnet sind, welsche
das Außengehäuse mit den Einlässen zur Brennkammer verbindet, wobei Steuerventile
in den Abzweig- oder Gabelrohren vorgesehen sind.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal kann eine Einrichtung, bei
der in einem Außengehäuse, umgeben von einem Kühlluftraum, ein Lufteinlaß und ein
Auslaß vorgesehen sind, welch letzterer Kühlluft vom Außengehäuse her zusammen mit
Verbrennungsgasen von der Brennkammer her weiterfördert, auch so ausgebildet sein,
daß die Einlässe zur Brennkammer ebenfalls innerhalb -des Außengehäuses vorgesehen
sind und durch Ventile gesteuert werden, welche in .der Offenstellung von der Außenkammer
'her Ströme von Brennerluft einlassen, welche vom Kühlstrom in die Brennkammer abgezweigt
sind.
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Schließlich wird erfindungsgemäß noch vorgeschlagen, daß die Kammer
und das Außengehäuse so ausgebildet bzw. unterteilt sind, daß zwischen ihnen ein
Kühlweg vorhanden ist, über welchen ein Hauptteil der Gesamtluftzufuhr strömt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und Abänderungen desselben sollen
nunmehr an Hand der Zeichnung ausführlicher beschrieben werden, und zwar zeigt Fig.
i eine räumliche Gesamtdarstellung, Fig.2 einen Querschnitt durch die Anordnung
nach Fig. i, Fig. 3 in räumlicher Darstellung eine besondere Ausführungsform des
Flammrohres, Fig. 4. einen Längsschnitt durch einen abgeänderten Einlaßkopf, während
Fig. 5 einen Teilschnitt gemäß der Schnittlinie V-V in Fig. 4 wiedergibt.
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Wie sich aus den Fig. i und 2 ergibt, besteht das Außendruckgehäuse
aus einem mit Flanschen versehenen zylindrischen Körper i (der in der nachfolgend
beschriebenen Weise mit Aussparungen versehen ist) und aus in Umfangsrichtung mit
Flanschen versehenen, eine Mittelaussparung aufweisenden domförmigen Enddeckel 2,
welche an den Enden des Körpers i mittels Bolzen 3, die durch die aufeinandersitzenden
Flansche hindurchgehen, gehalten werden. Die Brennkammer innerhalb des Druckgehäuses
hat im wesentlichen drei tangentiale Eintrittsöffnungen, die gleichwinklig um den
Umfang herum verteilt angeordnet sind, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist.
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Diese Brennkammer ist eine hohlwandige Kammer, welche aus einer Innenhülle
und einer Außenhülle besteht; die letztere weist einen Hauptkörper auf, der aus
zwei mit Mittelaussparung versehenen äußeren Endplatten 4" besteht, welche durch
sechs Hohlrippen 4d an jedem Ende versteift sind, sowie aus einer Hüllplatte 4g,
welche durch Längs-Hohlrippen 4e verstärkt ist, welche die Enden der Rippen 4d miteinander
verbinden.
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Die Platten 4" und 4g weisen Schlitze 4k auf, welche zwischen .den
rohrförmigen Rippen vorgesehen sind und Einlässe für die Zufuhr von Kühlluft zum
Innern der Hohlwandungen bilden, welches Innere mit dem Innern aller Hohlrippen
in Verbindung steht; die letzteren stehen mit ringförmigen Sammelräumen in Verbindung,
welche Kühlluft in den Auslaß für Verbrennungsgase fördern, welche die Brennkammer
verlassen.
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Die letztere Brennkammer sitzt im Außengehäuse, umgeben von einem
allseitigen freien Raum für die Kühlluft, und wird mittels Paare von zusammenwirkenden
Halteelementen. 15-r6 und 17-18 genalten, welche thermische Ausdehnung zulassen,
während sie die Brennkammer daran hindern, körperliche Bewegung in radialer und
Umfangsrichtung auszuführen.
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Das Flansch-Einlaßrohr 2u fördert in die Mittelaussparung ineinem
der Enddeckell2 (Fig.1) ein und ist am Deckel :z angeschweißt oder sonstwie befestigt.
Ein Flansch-Auslaßrohr 2b sitzt in ähnlicher Weise an dem anderen der Enddeckel2.
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Die Umfangsform der Brennkammer kann am besten aus Fig.2 ersehen werden
und setzt sich zusammen ausi drei spiralförmigen Kurventeilen, welche miteinander
über radiale oder nahezu radiale Stufenteile in Verbindung stehen. Gegenüber der
drei Stufenteile, wo die Eintrittsöffnungen für die Brennerluft und den Brennstoff
angeformt sind, ist eine Aussparung im Zylinderteil i des Außengehäuses vorgesehen,
von welcher in .im wesentlichen tangentialer Richtung zum Gehäuse sich ein Flansch-Rohrkörper
i" erstreckt. An diesem Körper i" sitzt über Bolzen 2o, welche durch die Flansche
hindurchführen, ein Flansch-Einlaßkopf ig, welcher ein rechtwinkliges Rohr bzw.
einen Rohrkrümmer darstellt, an welchem die Brennstoffzufuhrleitung 25 über Bolzen
26, die sich durch die Flansehe erstrecken, angeschlossen ist. Quer durch den Kopf
i9 sich erstreckend und durch die Bolzen 2o zwischen den Flanschen des Kopfes ig
und dem Rohrkörper i" des äußeren Gehäuses gehalten, ist die mit Aussparung versehene
Einlaßdeckplatte 2i vorgesehen. Der Körper i" und das benachbarte Ende des Kopfes
ig sind in ovaler Form ausgebildet, um sie einer Reihe von Brennern anzupassen.
Jeder dieser Brenner sitzt in einem besonderen Rohr 22, dessen zylindrischer Oberteil
an der Deckplatte 21 sitzt und in eine der Aussparungen darin hineinpaßt. Auf diese
Weise kann Kühlluft vom äußeren Gehäuse nicht in das Rohr 22 gelangen, und die Deckelplatte
21 bewirkt darüber hinaus eine Trennung zwischen der Kühlluft im äußeren Gehäuse
und der Luft im Einlaßkopf ig. Die unteren Enden .der Rohre 22 sind von rechteckiger
Querschnittsform;
sie gleiten in dem tangentialen Einlaß der Brennkammer
und füllen ihn aus, so daß keine nennenswerte Menge von Kühlluft in den Brennerluft-Elrilaß
und die Brennkammer eindringen kann.
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Die Brenner 24 brauchen nicht im einzelnen erläutert zu werden, da
ihre Ausbildung für die Erfindung nicht wesentlich ist und jeder von der üblichen
Form sein kann. Er kann beispielsweise aus einem Flammrohr innerhalb .des Brennergehäuses,
aus einem Staukörper zum Aufrechterhalten einer stabilen Verbrennungszone und aus
einer Einspritzdüse für flüssigen Brennstoff, möglicherweise mit Lufteitiblasung,
innerhalb des Flammrohres sich zusammensetzen und mit dem Brennstoff und der Brennerluft
über einen Rohrstutzen versorgt werden, der durch die Wandung des Einlaßkopfes 19
hindurchfuhrt. Die Zubringerleitung 27 für den flüssigen Brennstoff steht mit dem.
äußeren Ende dieses Rohrstutzens in Verbindung.
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Die Ventile 28 in der Brennstoffleitung 27 zu jeder Düse werden aus
der Brennstoffsammelleitung 29 gespeist und können gleichzeitig zum Verändern der
gesamten Brennstofförderung oder auch unabhängig so geregelt werden, , daß die Brennstoffzufuhr
in jedem Düsenkopf unabhängig von den anderen gedrosselt oder abgeschaltet werden
kann. Die Ventile 28 sind nicht im einzelnen dargestellt, da sie eine übliche Ausführungsform
beliebiger Art haben können.
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Die drei Brennerluft-Förderleitungen 25, welche zu den drei Einlaßköpfen
i9 führen, weisen rechtwinklige Biegungen bzw. Bogenknie auf. Die Luftverbindungen
zu diesen Rohren sind vom Flansch-Kühlluft-Einläßrohr 33 abgezweigt, welches über
Bolzen mit dem Plansch-Einlaß am Enddeckel 2 (der Übersicht halber ist ein Teil
dieses Rohres 33 weggebrochen dargestellt) in Verbindung steht. Um dieses Abzweigen
der Luft zu bewirken, ist ein Gabelstück 34 vorgesehen, dessen Hauptteil mit einem
Flansch versehen ist und über Bolzen 35 mit dem Flanschende der Kühlluftleitung
33 in Verbindung steht. Jeder der drei Abzweigungen 34, des Gabelstückes 34 steht
mit einem dei Brennerluftrohre 25 über eine besondere Ventileinrichtung in Verbindung.
Diese Einrichtung besteht aus einem Flansch-Ventilgehäuse 36, das über Bolzen 37
an jedem Ende mittels Flansche an einem Abzweig 34a des Gabelstücks 34 und an einer
der Leitungen 25 angeschlossen ist, und aus einem Ventil innerhalb des Gehäuses,
das beispielsweise als Klappventil 38 ausgebildet ist und auf einer Spindel
39 sitzt, die von außen her bedient werden kann, und zwar über den Ventilhebel
40, der mit dem Gabelende der Kolbenstange 41 einer üblichen Steuervorrichtung 42
in Verbindung steht. Jede dieser Steuereinrichtungen kann in bekannter Weise mittels
eines besonderen Steuergeräts 43 gesteuert werden, welches ein elektrischer Schalter
ist, wenn die Steuereinrichtung 42 elektrisch betrieben wird und an die Netzleitungen
45 angeschlossen ist, das aber auch als Ventil ausgebildet sein kann, wenn die Steuereinrichtung
42 als Druck-Steuergerät ausgebildet ist. Wenn die drei Ventile 38 zusammen betätigt
werden, so regeln sie die Zufuhr von Brennerluft zu den drei Einlässen in die Brennkammer
gemeinsam, jedoch unabhängig von der 'Förderung der Kühlluft durch das Rohr 33 zum
äußeren Gehäuse. Wenn die Ventile 38 unabhängig voneinander betätigt werden, können
sie die Luftzufuhr zu einem Eimaß der BrennkaTnmer unabhängig von den anderen drosseln
oder abschalten. Die Steuergeräte 42 können in allgemein. bekannter Weise so .eingerichtet
sein, daß die Ventilfe zusammen in progressiver Weise betätigt oder daß sie vollständig
und unabhängig in einer gewissen Zeitfolge geschlossen werden. Ähnliche Steuergeräte
können für die Brennstoffventile 28 vorgesehen werden.
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Bei einer Abänderung des bisher beschriebenen Ausführungsbeispiels
werden die drei getrennten Rohre 22 durch ein einziges Flammrohr 23 ersetzt, welches
zylindrisch an seinem oberen Ende ist, jedoch den Querschnitt allmählich verändert,
und zwar zunächst in eine langrunde Form, welche sich der Gestalt des rohrförmigen
Durchlasses i" anpaßt, und an seinem unteren Ende in eine rechteckige Form, welche
sich dem Einlaß in die Brennkammer anpaßt, wobei dieses Rohr 23 in räumlicher Darstellung
durch Fig. 3 veranschaulicht ist.
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Bei einer weiteren Abwandlung des gezeigten Ausführungsbeispiels kann
die gesamte Luft für die Kühlung und die Verbrennung das Außendruckgehäuse über
das Rohr 33 in Fig. i erreichen. Die Rohre 25, das Gabelstück 34 und die äußeren
Luftventile kommen in Wegfall, und statt dessen sind die Einlaßköpfe in der aus
Fig.4 ersichtlichen Weise abgeändert bzw. ausgebildet. Der Einlaßkopf 36 ist nun
am oberen Ende, abgesehen von den Durchlässen für die Brennstoffdüsenzuleitungen,
verschlossen. Die drei Rohre 22" werden von einem Halteteil 21", im Gegensatz zur
vorbeschriebenen Deckplatte 2i, gehalten, welche den Zutritt von Luft vom Außengehäuse
her frei zuläßt. Am oberen Ende eines jeden Rohres 22" ist das flache Scheibenventil
48 drehbar um seine Mittelachse vorgesehen, derart, daß die sektorförmigen Öffnungen
darin *mehr oder weniger in Übereinstimmung mit ähnlichen Öffnungen in der Deckelscheibe
des Rohres 22 zu bringen sind. Diese Ventile 48 sind mittels eines Außenhandgriffes
49 zu bedienen. An jedem Ende im Kopf 36 ist eine Schneckenspindel 5o gelagert,
deren Schraubengänge mit einem Zahnsektor 51 im Eingriff sind, welcher an
jedem Ventil 48 vorgesehen ist. Der Handgriff 49, der an dem einen Ende der Schneckenspindel
5o vorgesehen ist, sowie ein Ring 42 auf dem anderen Ende sichern die Spindel gegen
Axialbewegung; die Drehung der Spindel 5o mittels des Handgriffs 49 bewirkt die
gleichzeitige Drehung der drei Scheibenventile 48. Die Ventile und der Handgriff
sind aus Fig.4 ersichtlich; darüber hinaus zeigt Fig.5 eine Draufsicht auf eins
der Ventile 48, einen Teil der Schneckenspindel 5o und den Handgriff 49, und zwar
ohne die übrigen Teile der. Anordnung nach 'Fig. 4. Auf diese Weise kann Luft vom
Außengehäuse in die Rohre 22" eindYingen, wenn die Ventile 48 geöffnet werden. Die
Ventile
48 in den drei Einlaßköpfen können, gemeinsam oder unabhängig voneinander; in der
gleichen Weise betätigt werden, wie dies bereits für die Klappenventile 38 vorbeschrieben
ist.
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Während -des Betriebs der Anlage gelangt Luft, welche vom Kompressor
einer Gastur#binenanlage herrühren kann, über das Kühlluft-EinQaßrohr 33 in das
Außendruckgehäüse und streicht über das Äußere der hohlwandigen- Brennkammer hinweg.
Ein Teil der Luft tritt durch-- die Schlitze in die Hohlwandungen zwecks weiterer
Kühlung der Kammer ein, wobei diese Luft sich insgesamt später mit den Verbrennungsgasen
vereinigt, welche die Kammer verlassen.
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Sind die Luftventile 38 und 48 und die Brennstoffventile 28 sämtlich
offen, so gelangt Luft, welche vom Strom der Kühlluft abgezweigt wird, zu den drei
Einlässen zur Brennkammer und von dort über die Brenner - denen Brennstoff zugeführt
wird und bei denen dann die Verbrennung einsetzt - in die Brennkammer, und zwar
tangential an den .drei Einlässen. Wenn es erwünscht ist, dieeAusgangsleistung der
Brennkammer zu drosseln, so wird die Brennstoffzufuhr durch Schließen der Ventile
28 verringert. Zur gleichere Zeit werden, um das richtige Brennstoff-Luft-Verhältnis
aufrechtzuerhalten, die Ventile 38 oder 48 geschlossen, mit :der Folge, daß weniger
Luft für die Vee'brennung vom Kühlluftstrom abgezweigt wird. Im allgemeinen geht
der Hauptteil der Luft in jedem Falle allein als Kühlluft durch das Gerät. Falls
erwünscht, 'kann bei geringer Ausgangsleistung eines der Ventile 38 oder 48 vollständig
geschlossen werden, wobei das entsprechende Brennstoffventil 28, welches an den
gleichen Einlaßkopf angeschlossen ist, ebenfalls geschlossen wird; die-Luft, welche
sonst durch dieses Ventil hindurchströmen würde, geht jetzt nicht auf die beiden
anderen Lufteinlässe über und stört daher nicht das Brennstoff-Luft-Verhäiltnis;
der größte Teil wird vielmehr dem Luftstrom zugeführt, welcher nur zur Kühlung dient.
Auf diese Weise ermöglicht die erfindungsgemäße Steuer- und Regelanordnung einen
weiten Arbeitsbereich, über welchen ein richtiges Brennstoff-Luft-Verhältnis in
jedem Brenner aufrechterhalten werden kann.