EP0059490B1

EP0059490B1 - Ringbrennkammer mit Ringbrenner für Gasturbinen

Info

Publication number: EP0059490B1
Application number: EP82200099A
Authority: EP
Inventors: Bernard Dipl.-Ing. Matt; Theo Woringer; Gerassime Dr.Dipl.-Ing. Zouzoulas
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1981-03-04
Filing date: 1982-01-27
Publication date: 1984-12-12
Also published as: CA1189330A; EP0059490A1; US4455840A; JPS6339812B2; JPS57157936A; DE3261484D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ringbrennkammer mit Ringbrenner für Gasturbinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Gegenüber Einzelbrennkammern haben Ringbrennkammern u. a. den Vorteil einer kompakteren Bauweise der Gasturbinen. Der Druckverlust, den eine Ringbrennkammer herkömmlicher Bauart verursacht, liegt jedoch eher über demjenigen einer Einzelbrennkammer. Beiden gemeinsam ist aber, daß die Temperaturverteilung vor der Turbine nicht befriedigt.
Die heute üblichen Brenner für Ringbrennkammern bestehen aus einer relativ kleinen Anzahl von über den Umfang der Ringbrennkammer verteilten Einzelbrennern, im allgemeinen 10 bis 20, in Ausnahmefällen bis zu 48. Die Temperaturverteilung im Gasstrom am Eintritt in die Turbine ist daher, wie schon gesagt, nicht so gleichmäßig wie es wünschenswert wäre, insbesondere bei einer geringen Anzahl von Einzelbrennern. Dazu kommt, daß bei diesen Brennern eine zufriedenstellende Flammenstabilisierung eine große Rezirkulationszone benötigt, die mit Drallerzeugern oder Flammenhaltern großer Blockierung erzeugt wird, die zu den Druckverlusten in der Brennkammer beitragen.
Nachteilig ist bei solchen konventionellen Brennern ferner, daß zumindest in der Zündzone des Brennstoff/Luft-Gemisches stöchiometrische Verhältnisse und damit örtlich hohe Flammentemperaturen herrschen, was die Bildung unerwünschter Stickoxide begünstigt. Der gesamte Luftdurchsatz durch den Brenner ist dabei, abgesehen vom Kühlluftstrom für die Brennkammerwandung, aufgeteilt in einen Primärluftstrom, der durch die Brennzone strömt, und in einen oder mehrere Mischluftströme, die nach dem Brenneraustritt weiter stromabwärts mit den Verbrennungsgasen gut vermischt und verwirbelt werden müssen, wozu große Geschwindigkeiten mit entsprechend großen Druckverlusten erforderlich sind.
Aus der US-PS 4 100 733 ist ein Gasturbinentriebwerk bekannt, das eine Mehrzahl von Einzelbrennkammern in ringförmiger Anordnung um den Wellentunnel herum aufweist. Diesen Einzelbrennkammernsind kreisringförmige Brenner mit einer Mischeinrichtung für flüssige und gasförmige Brennstoffe vorgesetzt, die mindestens eine scheibenförmige Kammer aufweisen, die ihrerseits durch konzentrische Blechringe in einander radial benachbarte Ringräume unterteilt ist. Über einen inneren und einen äußeren Ringkanal wird Brennstoff in diese Ringräume zugeführt, die durch axiale, luftdurchströmte Mischrohre in regelmäßige Felder unterteilt sind. Diese Mischrohre sind mit je einem Paar radial bzw. tangential gerichteter Düsen versehen, über welche eine Vermischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff stattfindet. Das Brennstoff/Luft-Gemisch wird nach dem Austritt aus den erwähnten Ringräumen in der Brennkammer verbrannt. Das Brennstoff/Luft-Gemisch wird bei schwacher Last nur in einem der Ringräume, dem primären Ringraum, erzeugt. Bei höherer Last wird auch im zweiten, sekundären Ringraum Brenngemisch gebildet und dahinter verbrannt.
Bei der aus Fig. 1 der genannten Patentschrift ersichtlichen Anordnung einer Mehrzahl solcher Einzelbrenner wird der durch den Ringquer.- schnitt zwischen Wellenkanal und Außenmantel . mögliche Luftdurchsatz nicht ausgenützt, da sich mit den Einzelbrennern der genannte Ringquerschnitt nicht voll überdecken läßt.
Dieser Nachteil wird vermieden, wenn statt mehrerer Einzelbrenner eine einzige, in der oben beschriebenen Weise ausgebildete Brennereinrichtung vorgesehen wird, die den erwähnten Ringquerschnitt, der den maximalen Luftdurchsatz ermöglicht, ausfüllt. Eine solche Brennereinrichtung umschließt also mit ihrem zentralen Teil den Wellentunnel. Daraus resultieren aber Nachteile bezüglich Montage und Demontage, speziell bezüglich letzterer, und zwar insofern, als diese Bauart herstellungsbedingt einstückig ausgeführt wird und dadurch die Montage, vor allem aber auch die Demontage erschwert. Bei einer nur an der Brennereinrichtung erforderlichen Reparatur oder zwecks deren Auswechslung muß bei kleineren Gasturbinen der in der erwähnten Fig. 1 gezeigten Bauart der Verdichter- oder der Turbinenrotor vom gemeinsamen Wellenstrang gelöst werden, was die Wartungs- und Instandhaltungskosten ungebührlich verteuert.
Wegen der unhandlichen Abmessungen, der erschwerten Montage, Demontage und Reparaturmöglichkeiten kommt eine solche Bauart auch für Brennereinrichtungen von großen stationären Gasturbinenanlagen, bei denen die Brennereinrichtung von der Turbine selbst räumlich getrennt ist, nicht in Frage.
Mit der vorliegenden, im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definierten Ringbrennkammer mit Ringbrenner sollen die vorerwähnten Nachteile der bekannten Bauarten von Ringbrennkammern mit Einzelbrennern vermieden werden.
Darüber hinaus besteht die der Erfindung zugrundeliegende Konzeption des Mischungs- und Verbrennungsvorganges darin, daß bereits vor der Zündzone eine sehr gute, innige Vermischung der Luft mit dem gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff stattfinden soll, was niedrigere Temperaturspitzen, eine gleichmäßigere Temperaturverteilung vor der Gasturbine und eine verminderte Stickoxidbildung zur Folge hat. Durch eine entsprechend gewählte Luftge_- schwindigkeit werden dabei Rückzündungen vermieden. Außerdem entfallen dadurch die üblichen, stark widerstandserhöhenden Elemente zur Erzeugung von Turbulenz oder einer Rückströmung, so daß auch die damit verbundenen Druckverluste vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Ringbrennkammer mit Ringbrenner soll außerdem vom Prinzip her sowohl für gasförmige als auch für flüssige Brennstoffe sowie für den gleichzeitigen Betrieb mit gasförmigen und flüssigen Brennstoffen eingerichtet werden können.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In den Zeichnungen stellt dar:

Fig. 1 einen schematischen Ausschnitt aus einer Gasturbine mit einer erfindungsgemäßen Ringbrennkammer/Ringbrenner-Kombination,
Fig. 2 eine Vorderansicht auf einen Sektor eines Ringbrenners als Bestandteil der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 einen Radialschnitt gemäß dem Schnittverlauf 111-111 von Fig. 2,
Fig. 4 einen Radialschnitt durch einen mit Gas und mit flüssigem Brennstoff betreibbaren Dualringbrenner gemäß der Erfindung, die
Fig. 5 bis 7 in schematischer Form die wirksamen Brennzonen des Dualringbrenners nach Fig. 4 bei verschiedenen Lastzuständen,
Fig. 8 einen Radialschnitt durch einen Sektor einer weiteren Ausführungsform eines für Gasbetrieb vorgesehenen Ringbrenners, und die
Fig. 9 einen Querschnitt gemäß dem in Fig. 8 eingetragenen Schnittverlauf IX-IX.

Aus Fig. 1 geht die Anordnung einer erfindungsgemäßen Ringbrennkammer mit Ringbrenner innerhalb einer ansonsten konventionellen Gasturbine hervor. Die Kombination Brennkammer 2 und Brenner 3 ist hier mit 1 bezeichnet und besitzt ein gemeinsames Gehäuse. Praktisch werden die Brennkammer 2 und der Brenner 3 getrennte Bauteile sein, insbesondere bei größeren Einheiten, da bei diesen, wie unten dargelegt wird, der Ringbrenner 3 vorzugsweise aus Sektoren zusammengesetzt ist. Die Verbrennungsluft wird, abgesehen von einer geringen Kühlluftmenge, die an Abzapfstellen 4, 5 und 6 zur Küh_- lung des Wellenkanals und des Gehäuses abgezweigt wird, vom Verdichter 7 durch einen Kreisringdiffusor 8, der sich vor dem Ringbrenner 3 zu einem Stoßdiffusor 9 erweitert, in den Brenner 3 gefördert, wo sie mit dem Brenngas oder zusätzlich zum Brenngas noch mit einem zerstäubten flüssigen Brennstoff über den ganzen Kanaiquerschnitt gleichmäßig innig vermischt wird. Am Brenneraustritt entzündet sich das Brenngemisch und die Verbrennungsgase gelangen durch die Brennkammer 2, wo ihnen die vor dem Brenner abgezweigte Kühlluft zugeführt wird, zur Arbeitsleistung in die Turbine 10. Im Kreisringdiffusor 8 ist eine ringförmige Stolperleiste 11 vorgesehen, die als Turbulenzerzeuger dient und damit eine etwa gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung über die Höhe des Diffusorkanals bewirkt.
Die Brennkammer 2 kann als Folge der noch zu erläuternden vorteilhaften Eigenschaften des Ringbrenners als im wesentlichen glatter Kanal gemäß Fig. 1 ohne die sonst üblichen Einbauten zur Verwirbelung des Brenngemisches ausgeführt werden. Die Beschreibung der Erfindung beschränkt sich daher im folgenden auf den Ringbrenner allein, der, wie schon erwähnt, im allgemeinen als ein von der Ringbrennkammer getrennter Bauteil ausgeführt wird.
Der Ringbrenner 3 wird vorzugsweise, insbesondere bei größeren Einheiten, aus Kreisringsektoren zusammengesetzt. Die Anzahl solcher Sektoren wird im allgemeinen von der Größe des Brenners abhängen. Der in den Fig. 2 und 3 in Ansicht und in einem Radialschnitt dargestellte Sektor 12 überdeckt 22,5°, d. h., daß der zugehörige ganze Brenner aus 16 solcher Sektoren besteht. Den äußersten Teil des Sektors bildet der Gasverteilerkasten 13, der, wie Fig. 3 zeigt, durch ein Trennschott 14 in eine Hauptgaskammer 15 und eine Zündgaskammer 16 unterteilt ist, denen das Gas durch die Gaszuleitungen 17 und 18 zugeführt wird. Diese beiden Gaszuleitungen zweigen ihrerseits von einer nicht dargestellten Sammelleitung ab. Vom Gasverteilerkasten 13 zweigen von den beiden Gaskammern 15 und 16 radiale Plattenkanäle 19 bzw. 20 ab, die von in Umfangsrichtung verlaufenden Plattenkanälen 21 bzw. 22 senkrecht geschnitten werden. Die Plattenkanäle 19 bis 22 bilden ein mit dem Gasverteilerkasten 13 kommunizierendes, gitterartiges Kanalnetz, das Waben von angenähert quadratischem Querschnitt begrenzt, in die während des Betriebes aus Düsen 23, 24, die in allen Kanalwandungen vorgesehen sind, Gas einströmt. Aus Fig. 3 geht hervor, daß sowohl für das Hauptgas als auch für das Zündgas für jede Wabe je eine Reihe von in einer Ebene liegenden Düsen vorgesehen ist. Es könnten aber natürlich auch, je nach Brennerleistung, zwei oder mehr solcher Düsenreihen vorgesehen sein, die entweder in Strömungsrichtung fluchtend oder gestaffelt hintereinander angeordnet sein können.
Bei der dargestellten Ausführung bestehen bei den zwei mittleren Wabenreihen alle vier Begrenzungen aus den Plattenkanälen 19 bzw. 20, während bei der äußersten und der innersten Wabenreihe die radial äußere bzw. radial innere Begrenzung von Abschirmblechen 25 bzw. 26 gebildet wird. In diese beiden Wabenreihen wird also nur aus zwei radialen und aus einem in Umfangsrichtung verlaufenden Plattenkanal Gas zugeführt.
Am Brenneraustritt, d. h., am vorderen Ende aller Plattenkanäle für das Zündgas sind Flammenhalter 27 vorgesehen, die bei den zwei mittleren Wabenreihen den aus Fig. 2 ersichtlichen doppeltrapezförmigen Umriß aufweisen. Zur Wahrung der Übersichtlichkeit ist die vollständige Vorderansicht dieser Flammenhalter nur für zwei mittlere und zwei äußere Waben eingezeichnet.
Wie Fig. 3 zeigt, ist der Querschnitt der Flammenhalter U-förmig, wobei im Steg Flammenhalterdüsen 28 und im schlitzförmigen Austrittskanal vor den Flammenhalterdüsen Prallplatten 29 vorgesehen sind, die in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise gegeneinander versetzt sind, um eine gute Verwirbelung des austretenden Gasstrahles für die Stützflamme zu erzielen.
Zum Anfahren des Brenners wird die Stützflamme gezündet, die dann das gleichzeitig aus den Zündgasdüsen 24 ausströmende Gas am Brenneraustritt entzündet. Da sowohl die Zündgasdüsen 24 als auch die Flammenhalterdüsen 28 von der Zündgaskammer gespeist werden, ist der Gasstrom für die Stützflamme etwa proportional dem Gasstrom aus den Zündgasdüsen, mit dem die Turbine im Leerlauf und eventuell bei Schwachlast betrieben werden kann. Für höhere Leistung wird aus den Hauptgasdüsen 23 Hauptgas zugeschaltet.
Durch die vielen, gleichmäßig über den inneren Umfang der Wabenkanäle verteilten Gasdüsen 23 und 24 in Verbindung mit dem langen Mischungsweg bis zum Brenneraustritt findet bereits vor dem Brenneraustritt auch ohne Verwirbelung eine sehr gute Vermischung des Gases mit der Luft statt, so daß bei kleinem Druckabfall eine sehr gute, über den ganzen Brennerquerschnitt gleichmäßige Verbrennung mit großem Luftüberschuß stattfindet. Dementsprechend ausgeglichen ist auch die Temperaturbeaufschlagung der Turbine durch die Verbrennungsgase, denen in der Brennkammer lediglich noch in der Randzone die an den Abzapfstellen 4, 5 und 6 entnommene Kühlluft durch Schlitze 30 in der Brennkammerwand zugeführt wird.
Die Fig. 4 zeigt einen Radialschnitt durch einen Sektor eines mit flüssigem und gasförmigem Brennstoff betreibbaren Dualbrenners. Dieser besitzt zusätzlich zu den Elementen des für seinen Gasbetrieb vorgesehenen Brenners vor dem Brenneraustritt in einer radialen Reihe angeordnete Brennstoffdüsen 31, die über Brennstoffleitungen 32 reihen- oder gruppenweise, je nach Lastzustand, zusätzlich zum Gas zugeschaltet oder aber allein, nachdem der Brenner mit dem Zündgas über die Leerlaufleistung hochgefahren worden ist, das zum Betrieb unter Last erforderliche Verbrennungsgas liefern, wobei das Zündgas abgeschaltet werden kann, da die Flammenstabilisierung dann durch die am Brenneraustritt infolge der Wirbeln herrschende Rückströmzone bewirkt wird.
Die Achsen der Brennstoffdüsen 31 fluchten mit den Schnittlinien der radialen und der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Plattenkanäle, so daß der Brennstoffstrahl an den Kreuzungspunkten der Platten in jeweils vier Wabenkanälen hinein zerstäubtwird.
Die Fig. 5 bis 7 zeigen schematisch diese Aufteilung der Brennstoffstrahlen und die bei verschiedenen Lastzuständen aktiven Brennstoffdüsen, und zwar die Fig. 5 bei Leerlauf, die Fig. 6 bei einer Teillast und die Fig. 7 bei Vollast. Für Teillast sind in bekannter Weise je nach Einzelfall verschiedene Kombinationen von aktiven Brennstoffdüsen möglich.
Bei der in Fig. 8 und 9 dargestellten Variante eines Brenners für ausschließlichen Gasbetrieb dient das über die Zündgaskammer 32, Zündgaskanäle 33 und von letzteren abzweigenden Längsrohren 34 einem am Brenneraustritt vorgesehenen Rohrgitternetz zugeführte Zündgas nur zur Flammenstabilisierung. Die Turbine wird über den ganzen Lastbereich ausschließlich durch Hauptgas betrieben, das aus der Hauptgaskammer 35 in radiale Plattenkanäle 36 und aus diesen durch Hauptgasdüsen 37 in die von benachbarten Plattenkanälen 36 gebildeten Luftkanälen gelangt. Die zur Turbinenachse parallelen Längsrohre 34 münden in das erwähnte Rohrgitternetz an den Knoten, die von sich kreuzen den Radialrohren 38 und Ringrohren 39 gebildet werden. Sowohl die Radialrohre 38 als auch die Ringrohre 39 sind mit je zwei Reihen von Flarnmenhalterdüsen 40 bzw. 41 versehen, deren Achsen zur Durchströmungsrichtung des Brenners unter einem spitzen Winkel geneigt sind.
Das Rohrgitternetz dieser Ausführungsform bildet zwar keine geschlossen begrenzten Kanäle wie bei den Ausführungen nach den Fig. 2 bis 4, infolge der dichten Verteilung der Hauptgasdüsen 37 über die Kanalhöhe und insgesamt über den Brennerquerschnitt ist aber ebenfalls eine gute, gleichmäßige Vermischung von Gas und Luft mit den eingangs beschriebenen Vorteilen gewährleistet.

Claims

1. Ringbrennkammer mit Ringbrenner für Gasturbinen, mit über den Umfang des im wesentlichen kreisringzylindrischen Eintrittsquerschnittes der Ringbrennkammer in regelmäßiger Verteilung angeordneten Brennerelementen und mit sich radial und in Umfangsrichtung erstreckenden Gaskanälen (19, 20, 21, 22; 33, 34, 36, 38, 39), die ein zusammenhängendes, unter sich leitend verbundenes, gitterartiges Kanalsystem bilden, wobei ein Teil dieser Gaskanäle (19, 20, 21, 22; 36, 38, 39) Reihen von Düsen (23, 24, 28; 37, 40, 41) aufweist, die parallel zur Längserstreckung dieser Gaskanäle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Gaskanäle (19, 21; 36) für die Zuführung von Hauptgas dient, daß diese Gaskanäle (19, 21; 36) als Plattenkanäle ausgebildet sind und Wabenkanäle von annähernd quadratischem Querschnitt für die Mischung des Gases mit der Verbrennungsluft begrenzen, daß die übrigen Gaskanäle (20, 22; 33, 34, 38, 39) für die Zuführung von Zündgas dienen, und daß die am Brenneraustritt für das Zündgas vorgesehenen Düsen als Flammenhalterdüsen (29 + 29; 40, 41) ausgebildet sind.

2. Ringbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Zuführung von Zündgas bestimmten Gaskanäle als Plattenkanäle (20,22) ausgebildet sind und Wabenkanäle von annähernd quadratischem Querschnitt für die Mischung des Gases mit der Verbrennungsluft begrenzen.

3. Ringbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanäle für die Zuführung von Zündgas aus untereinander kommunizierenden radialen Zündgaskanälen (33), Längsrohren (34), Radialrohren (38) und Ringrohren (39) bestehen.

4. Ringbrennkammer nach Anspruch 2 zur Verwendung als Dualringbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ebene vor dem Brennereintritt Brennstoffdüsen (31) für flüssige Brennstoffe vorgesehen sind, wobei die Düsenachsen mit den Achsen der von den radialen und sich in Umfangsrichtung erstreckenden Plattenkanälen (19, 20, 21, 22) gebildeten Knoten fluchten.

5. Ringbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringbrenner in Kreisringsektoren unterteilt ist.