EP0870990A1 - Gasturbine mit toroidaler Brennkammer - Google Patents

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EP0870990A1
EP0870990A1 EP97810167A EP97810167A EP0870990A1 EP 0870990 A1 EP0870990 A1 EP 0870990A1 EP 97810167 A EP97810167 A EP 97810167A EP 97810167 A EP97810167 A EP 97810167A EP 0870990 A1 EP0870990 A1 EP 0870990A1
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EP
European Patent Office
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combustion chamber
interior
toroidal
burner
chamber according
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EP97810167A
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EP0870990B1 (de
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Jakob Prof. Dr. Keller
Roger Suter
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General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/425—Combustion chambers comprising a tangential or helicoidal arrangement of the flame tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/52—Toroidal combustion chambers

Definitions

  • the present invention relates to a combustion chamber according to the preamble of the claim 1. It also relates to a method for operating such a combustion chamber.
  • Combustion chambers of modern gas turbine groups are preferably designed as ring combustion chambers. In the direction of flow, they are arranged axially between the compressor and the turbine, care being taken that the hot gases formed there are optimally guided between the two flow machines, normally between the compressor and the turbine, in terms of flow and combustion technology. This regularly leads to the fact that such ring combustion chambers have a relatively long axial extent, in particular the combustion-technical specifications or Minimum requirements are met. The combustion-related aspects exert a not insignificant influence on the absolute axial length of such combustion chambers.
  • the length of a main ring combustion chamber is regularly decisive for the design of the entire gas turbine group, for example whether more than two bearings must then be provided for the rotor support or whether the gas turbine group must be designed with two shafts. This initial situation is accentuated when the gas tube group is operated with sequential firing; then the axial lengths of the two ring-shaped combustion chambers are decisive for the feasibility and largely also for the marketable acceptance of such machines.
  • the gas turbine groups with annular combustion chambers which have become known from the prior art consistently have a respectable length for the above-mentioned considerations, as a result of which the further step to a qualitative leap regarding the compactness of these systems remains obstructed.
  • elongated combustion chambers tend to cause pulsations to initiate within the combustion chamber section, these pulsations then adversely affect the operation of the burners, especially if these premix burners work with an integrated premixing section and as a flame holder have a backflow zone.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as set out in the claims is characterized, the task is based on a combustion chamber of the beginning to propose the above-mentioned type of precautions, which are at least the ones listed above Can overcome disadvantages.
  • a major advantage of the invention is that the combustion chamber while maintaining high combustion efficiency and minimizing pollutant emissions are extremely compact has axial length, such that this combustion chamber in the composite none with the turbomachines of a gas turbine group Influence more on the rotor length.
  • combustion chamber is basically of the simplest design. Your combustion and fluidic conception allows an optimal fluidic operation when loading the downstream turbine.
  • this combustion chamber is essentially toroidal Configuration, with certain deviations from an ideal torus shape permitted are.
  • Such a combustion chamber can be easily between any two Arrange turbomachines.
  • the combustion chamber according to the invention almost predestined, for example as a retrofit unit instead of one Silo combustion chamber to be installed in existing gas turbines.
  • this combustion chamber unfolds, particularly in the case of premix burns. with a view to maximizing efficiency and minimizing of pollutant emissions, their full strength.
  • the premix burners proposed here are, however, for operation the toroidal combustion chamber is not an indispensable condition.
  • This combustion chamber can also be easily designed thanks to its design operate with diffusion burners.
  • This combustion chamber also allows efficient cooling of your liner with a minimized Amount of the cooling medium used in each case. This is a very important aspect, especially in those cases where the cooling of the Combustion chamber uses a lot of air from the compressor.
  • this combustion chamber is also suitable, both with and without loss of quality to be operated with liquid as well as gaseous fuels. Especially when operating with a liquid fuel, as can be seen below an excellent minimization of pollutant emissions achieve.
  • the excellent flame stabilization from the above-mentioned fluidic connections minimizes pollutant emissions, especially with regard to NOx emissions. With these, emissions of less than 5 vppm (15% O 2 ) can be achieved.
  • the other pollutant emissions such as CO and UHC, can also be reduced with the combustion chamber according to the invention, because the toroidal space, ie the vortex guidance of the hot gases, also acts as an intensive, compact burnout zone.
  • the low pollutant emissions at part load were also discussed above.
  • Fig. 1 shows a combustion chamber for operating a gas turbine group.
  • This combustion chamber 1 has an annular toroidal shape, which is only hinted at shown rotor 4 extends.
  • This toroidal combustion chamber 1 is also of an extremely compact radial design, such that that they can easily be accommodated within a housing 2 which is suitable for a Ring combustion chamber is designed.
  • this has toroidal combustion chamber 1 has a minimized axial expansion, so that the the latter in itself has no influence on the rotor length of this gas turbine group exercises, with which such a rotor then fails very briefly, which is under has a positive effect on the storage of others.
  • the combustion technology Processes in the axial flow direction within a state of the art belonging ring combustion chamber run in the toroidal described here Combustion chamber 1, within the toroidal interior 8, at least in itself Quality, the loading of the downstream turbine 3 then optimal takes place, because in the toroidal interior 8 itself forms Hot gas flow, which has a uniform temperature and pressure profile.
  • Operation of the toroidal combustion chamber 1 is accomplished by a number of premix burners 5 maintained in the circumferential direction of the combustion chamber 1 are distributed regularly or irregularly.
  • the design of this premix burner 5 is preferably based on the proposals according to EP-B1-0 321 809 or EP-A2-0 704 657, all statements in these publications form an integral part of the present description.
  • This Premix burners 5 are fed from a plenum 6 with combustion air 7, which comes from a compressor not shown in detail.
  • the combustion air 7 flows tangentially into the premix burner 5 and produces one there Swirl flow, which propagates in the toroidal interior 8 and there into a Vortex flow from hot gases 9 with a stable core 10 passes over.
  • This Hot gas flow 9 then flows continuously in a uniform mass and consistency as well as without flow deflections into a hot gas channel 11, the End in the circumferential direction is preferably equipped with guide vanes 12. After this hot gas flow 9 over the guide vanes 12 on the fluid-related issues of the downstream turbine 3 optimally aligned is then applied to the blades belonging to the turbine using known technology.
  • the fluidic formation of the vortex hot gas flow 9 is due to the disposition of the premix burner 5 in the circumferential direction influenced, with the configuration of the proposed here Combustion chamber 1, with respect to the position of the premix burner 5 in the circumferential direction the toroidal combustion chamber 1, all options are open.
  • Fig. 1 are the Premix burner 5, based on its inflow level into the toroidal interior 8, applied tangentially and, based on the level of exposure to the Turbine 3, they run at an acute angle.
  • the fluidic The quality of the vortex hot gas flow 9 can be changed accordingly by the premix burner 5, for example, on the circumference of the toroidal Combustion chamber 1 is at right angles to the loading level of the turbine 3 to be ordered.
  • Another arrangement can be at an angle of over 90 ° have the said exposure level. With all arrangements remains the tangential inflow of those induced by the premix burners 5 Generation of the hot gases 9 preferably exist in the toroidal interior 8, thus the stability of the annular core 10 of this hot gas flow remains guaranteed.
  • the activation or deactivation of the individual premix burners 5 happens fluently here, i.e. the individual premix burners 5 are in an operational interdependence with each other, so that when commissioning or decommissioning the individual premix burners, which without Get started, respond with maximized responsiveness.
  • this shell 13 opposite the wall of the combustion chamber 1 formed space 14 flows in a cooling air flow 15, the is branched off from the compressor unit via an annular channel 17.
  • the flows Quantity of cooling air flow 16 basically in the plenum 6.
  • This used for cooling Air volume 16 can meanwhile, for example, in the combustion chamber 1 or in the premix burners 5 are introduced, in each case at a suitable point. What the Swirl flows from the burners must be ensured that their Number remains subcritical across all operating levels of the combustion chamber. It follows that gas tightness is basically the case with a base load of the machine of the vortex core is largely uniform, which is due to its stability and on the dwell times of the hot gases in this area.
  • FIG. 2 shows the toroidal combustion chamber 1 from the outside, according to view II from FIG. 1, this representation detached from the rest of the gas turbine infrastructure is. From this figure, the geometric design of the Combustion chamber and the division and position of the premix burner 5. The premix burners 5 are tangential to the circumference of the toroidal one Combustion chamber 1 arranged; moreover, they point in at an angle Direction of flow. On the fluid dynamic aspects from this constellation has already been discussed in more detail in FIG. 1.

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Abstract

Bei einer Brennkammer einer Gasturbogruppe weist der Innenraum (8) dieser Brennkammer (1) eine ringförmig toroidale Form auf. Auf den Umfang dieser Brennkammer sind eine Anzahl mit dem Innenraum in Wirkverbindung stehenden Brenner (5) angeordnet, welche eine Drallströmung (9) auslösen. Diese bildet dann ihrerseits einen Vortex-Kern (10), der die Stabilität der Flammenfront gewährleistet. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkammer.
Stand der Technik
Brennkammern von modernen Gasturbogruppen werden vorzugsweise als Ringbrennkammern ausgelegt. In Strömungsrichtung werden sie axial zwischen Verdichter und Turbine angeordnet, wobei darauf geachtet wird, dass die dort gebildeten Heissgase zwischen den beiden Strömungsmaschinen, im Normalfall zwischen Verdichter und Turbine, strömungs- und verbrennungstechnisch optimal geführt werden. Dies führt regelmässig dazu, dass solche Ringbrennkammern eine verhältnismässig lange axiale Erstreckung aufweisen, sollen insbesondere die verbrennungstechnischen Vorgaben resp. Minimalanforderungen erfüllt werden. Die verbrennungstechnischen Aspekte üben einen nicht unwesentlichen Einfluss auf die absolute axiale Länge solcher Brennkammern aus. Regelmässig ist die Länge einer Hauptringbrennkammer ausschlaggebend für die Konzeption der ganzen Gasturbogruppe, so beispielsweise, ob dann für die Rotorabstützung mehr als zwei Lager vorgesehen werden müssen, oder ob die Gasturbogruppe zweiwellig ausgelegt werden muss. Eine Akzentuierung dieser Ausgangslage ergibt sich dann, wenn die Gastubogruppe mit einer sequentieller Befeuerung betrieben wird; dann sind die axialen Längen der beiden ringförmig konzipierten Brennkammern ausschlaggebend für die Machbarkeit und weitgehend auch für die marktfähige Akzeptanz solcher Maschine.
Die aus dem Stand der Technik bekanntgewordenen Gasturbogtuppen mit Ringbrennkammern weisen aus obengenannten Ueberlegungen durchwegs eine respektable Länge auf, wodurch der weitere Schritt zu einem qualitativen Sprung betreffend Kompaktheit dieser Anlagen verbaut bleibt.
Zudem ist hinzuweisen, dass langgestreckte Brennkammern dazu neigen, Pulsationen innerhalb der Brennraumstrecke zu initiieren, wobei diese Pulsationen dann negativ den Betrieb der Brenner beeinflussen, insbesondere wenn diese Vormischbrenner mit einer integrierten Vormischstrecke arbeiten und als Flammenhalter eine Rückströmzone aufweisen.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Anspruchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art Vorkehrungen vorzuschlagen, welche mindestens die obenaufgelisteten Nachteile zu beheben vermögen.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Brennkammer unter Aufrechterhaltung einer hochstehenden Verbrennung hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Minimierung der Schadstoff-Emissionen eine äusserst kompakte axiale Länge aufweist, dergestalt, dass ebendiese Brennkammer im Verbund mit den Strömungsmaschinen einer Gasturbogruppe keinen gewichtigen Einfluss mehr auf die Rotorlänge ausübt.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass diese Brennkammer von grundsätzlich einfachstem Aufbau ist. Ihre verbrennungs- und strömungstechnische Konzeption lässt einen optimalen strömungsmässigen Betrieb bei der Beaufschlagung der nachgeschalteten Turbine zu.
Diese Brennkammer ist geometrisch gesehen im wesentlichen von toroidaler Konfiguration, wobei gewisse Abweichungen von einer idealen Torusform zulässig sind. Eine solche Brennkammer lässt sich problemlos zwischen zwei beliebigen Strömungsmaschinen anordnen. Des weiteren ist die erfindungsgemässe Brennkammer geradezu prädestiniert, als Retrofit-Einheit beispielsweise an Stelle einer Silobrennkammer bei bestehenden Gasturbinen eingebaut zu werden.
Darüber hinaus entfaltet diese Brennkammer, insbesondere bei Vormischverbrennungen, im Hinblick auf eine Maximierung des Wirkungsgrades und Minimierung der Schadstoff-Emissionen, ihre volle Stärke.
Dadurch, dass der Verbrennungsprozess innerhalb dieser Brennkammer ganzheiheitlich in einem toroidalen kompakten Raum abläuft, lassen sich gleichzeitig mehrere strömungstechnische Vorteile erzielen, welche bis anhin nur durch die Implementierung kostspieliger und komplizierter Massnahmen erzielt werden konnten. Diese Vorteile lassen sich wie folgt auflisten, wobei die nachfolgenden Darlegungen nicht beanspruchen, abschliessend zu sein:
  • Die Behebung von Pulsationen, welche insbesondere bei Vormischverbrennung die Flammenfront und die mit dieser in Interdependenz stehende Rückströmzone negativ attackieren.
  • Die Verteilung und Eindüsung des oder der Brennstoffe ist von einfachster Ausgestaltung. Die Brenner reagieren weitestgehend insensitiv auf Ungleichmässigkeiten in der Brennstoffeindüsung, sei es durch Druckunterschiede, sei es durch Verzögerungen der Ansprechbarkeit bei Lastwechseln hervorgerufen.
  • Eine Leckage beim Einbringen der Verbrennungsluft oder eine ungleichförmige Eindüsung des Brennstoffes entfalten keine oder nur eine geringe Beeinflussung der sogenannten "Pattern"-Faktoren am Turbineneintritt. Somit wird innerhalb des ringförmigen toroidalen Innenraumes eine robuste und durch äussere Faktoren oder Interferenzen nicht alterierte Heissgasströmung von der Form einer Drallströmung gebildet.
  • Strömungstechnisch wird innerhalb dieses ringförmigen toroidalen Innenraumes eine kongeniale drallförmige Heissgasströmung für die Beaufschlagung der nachgeschalteten Turbine gebildet, indem die Heissgase ohne weitere Strömungsumlenkungen direkt zur Turbine strömen. Das sich bildende Fliehkraftfeld dieses Wirbels führt dann ursächlich zu einer starken Vergleichmässigung der Gastemperaturverteilung in Umfangsrichtung, dergestalt, dass die Beschaufelung der Turbine über den ganzen Umfang dann mit Heissgasen beaufschlagt wird, welche einen gleichmässigen Druck- und Temperaturprofil aufweisen.
    Die Torusform der Brennkammer kombiniert mit dem Fliehkraftfeld reduziert den konvektiven Wärmeübergang wegen des Gaszentrifugeneffektes und der Strömung an konkaver Wand auf ein Minimum. Zudem wird bei vergegebenem Brennkammer-Volumen die kleinstmögliche Oberfläche erreicht.
  • Die Interdependenz zwischen den einzelnen auf den Umfang des ringförmigen toroidalen Innenraumes verteilten Brennern ist gross. Zugleich verhält sich der Betriebsverlauf bei einer Ausserbetriebssetzung einzelner Brenner nicht ruckartig hinsichtlich der geförderten Heissgase zur Turbine. Demnach lässt sich eine solche Brennkammer, ohne auf die Vorteile der sich im ringförmigen toroidalen Innenraum bildenden Heissgaströmung zu verzichten, problemlos von einem Teillastbetrieb aus auf Vollast auffahren, oder umgekehrt nach unten regeln. Die Querzündung wird somit entscheidend verbessert. Eine Zündung über kalte Brenner hinweg ist möglich. Sonach ist die Brennerstufung in Umfangsrichtung auch bei einreihigen Brenneranordnung möglich. Das einfache Betriebskonzept führt auch bei Teillast zu niedrigen Schadstoff-Emissionen (Nox, CO, UHC).
  • Wird die Brennkammer mit Vormischbrennern betrieben, beispielsweise nach einem der Vorschläge gemäss EP-B1-0 321 809 (EV) oder EP-A2-0 704 657 (AEV), welche ein integrierender Bestandteil dieser Beschreibung bilden, so lässt sich die Drallströmung aus den einzelnen Brennern, durch entsprechende Disposition derselben in Umfangsrichtung des ringförmigen toroidalen Innenraumes, leicht in eine einheitliche Vortex-Strömung innerhalb desselben überführen, wobei sich im Zentrum dieses Innenraumes einen stabilen Kern bildet, der die Funktion eines körperlosen Flammenhalters erfüllt. Die Stabilität dieses Vortex-Kerns hängt ursächlich damit zusammen, dass dieser im Bereich seiner Ringachse eine uniforme Dichtheit aufweist.
  • Eine solche ringförmige toroidale Brennkammer ist auch geeignet, in einer sequentiell befeuerten Gasturbogruppe eingesetzt zu werden, vorzugsweise als Hochdruck-Brennkammer, aber nicht nur. So ist deren Einsatz als selbstzündende Brennkammer innerhalb einer sequentiellen Verbrennung ohne weiteres möglich, indem an Stelle der hier vorgeschlagenen Vormischbrenner ein System von Wirbelgeneratoren vorgesehen wird, welche in analoger Weise zu einer brennerbetriebenen Brennkammer einen Vortex-Kern zur Stabilisierung der Flammenfront gegen einen Flammenrückschlag bilden.
Die hier zum Vorschlag gelangenden Vormischbrenner sind indessen für den Betrieb der ringförmigen toroidaler Brennkammer nicht von unabdingbarer Bedingung. Diese Brennkammer lässt sich auch dank ihrer Konzeption ohne weiteres mit Diffusionsbrennern betreiben.
Die geometrisch einfache Ausgestaltung und kompakte Form dieser Brennkammer lässt darüber hinaus eine effiziente Kühlung ihrer Liner mit einer minimierten Menge des jeweils zum Einsatz gelangenden Kühlmediums zu. Dies ist ein sehr wichtiger Aspekt, insbesondere in jenen Fällen, bei welchen zur Kühlung der Brennkammer eine Menge Luft aus dem Verdichter eingesetzt wird.
Ferner ist diese Brennkammer auch geeignet, ohne Qualitätseinbusse sowohl mit flüssigen als auch mit gasförmigen Brennstoffen betrieben zu werden. Insbesondere beim Betrieb mit einem flüssigen Brennstoff lässt sich, wie weiter unten noch näher speziflziert wird, eine hervorragende Minimierung der Schadstoff-Emissionen erzielen.
Die exzellente Flammenstabilisierung aus obengenannten strömungstechnischen Zusammenhängen bewirkt eine Minimierung der Schadstoff-Emissionen, insbesondere was die NOx-Emissionen betrifft. Bei diesen sind Emissionen von kleiner 5 vppm (15% O2) erzielbar. Aber auch die übrigen Schadstoff-Emissionen, wie CO und UHC, lassen sich mit der erfindungsgemässen Brennkammer reduzieren, denn der toroidale Raum, d.h. die Vortex-Führung der Heissgase, wirkt auch als eine intensive kompakte Ausbrandzone. Auf die ebenfalls niedrigen Schadstoff-Emissionen bei Teillast wurde bereits oben näher eingegangen.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erlindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen gekennzeichnet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
  • Fig. 1 eine angeströmte toroidale Brennkammer in axialer Sicht und
  • Fig. 2 einen die Brennkammer bildenden Torus.
    • Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
    Fig. 1 zeigt eine Brennkammer zum Betrieb einer Gasturbogruppe. Diese Brennkammer 1 weist eine ringförmige toroidale Form auf, die sich um den nur andeutungsweise dargestellten Rotor 4 erstreckt. Diese ringförmige toroidale Brennkammer 1 ist auch von einer äusserst kompakten radialen Gestaltung, dergestalt, dass sie sich problemlos innerhalb eines Gehäuses 2 unterbringen, das für eine Ringbrennkammer ausgelegt ist. Gegenüber einer Ringbrennkammer weist diese toroidale Brennkammer 1 eine minimierte axiale Ausdehnung auf, so dass die letztgenannte an sich keine Beeinflussung auf die Rotorlänge dieser Gasturbogruppe ausübt, womit ein solcher Rotor dann sehr kurz ausfällt, was sich unter anderen auf die Lagerung desselben positiv auswirkt. Die verbrennungstechnischen Abläufe in axialer Strömungsrichtung innerhalb einer zum Stand der Technik gehörenden Ringbrennkammer laufen bei der hier beschriebenen toroidalen Brennkammer 1, innerhalb des toroidalen Innenraumes 8, mindestens in selber Qualität ab, wobei die Beaufschlagung der nachgeschalteten Turbine 3 dann optimal vonstatten geht, denn im toroidalen Innenraum 8 selbst bildet sich eine Heissgasströmung, welche eine gleichförmiges Temperatur- und Druckprofil aufweist. Der Betrieb der toroidalen Brennkammer 1 wird durch eine Anzahl Vormischbrenner 5 aufrechterhalten, welche in Umfangsrichtung der Brennkammer 1 regelmässig oder unregelmässig verteilt sind. Die Ausgestaltung dieser Vormischbrenner 5 richtet sich vorzugsweise nach den Vorschlägen gemäss EP-B1-0 321 809 oder EP-A2-0 704 657, wobei sämtliche Aussagen in diesen Druckschriften einen integrierenden Bestandteil der vorliegenden Beschreibung bilden. Diese Vormischbrenner 5 werden von einem Plenum 6 aus mit Verbrennungsluft 7 gespiesen, welche aus einem nicht näher gezeigten Verdichter stammt. Die Verbrennungsluft 7 strömt tangential in die Vormischbrenner 5 und erzeugt dort eine Drallströmung, welche sich im toroidalen Innenraum 8 fortpflanzt und dort in eine Vortex-Strömung aus Heissgasen 9 mit einem stabilen Kern 10 übergeht. Diese Heissgasströmung 9 strömt dann fortlaufend in gleichmässiger Masse und Konsistenz sowie ohne Strömungsumlenkungen in einen Heissgaskanal 11 über, dessen Ende in Umfangsrichtung vorzugsweise mit Leitschaufeln 12 bestückt ist. Nachdem diese Heissgasströmung 9 über die genannten Leitschaufeln 12 auf die strömungstechnischen Belange der nachgeschalteten Turbine 3 optimal ausgerichtet ist, erfolgt dann die Beaufschlagung der zur Turbine gehörenden Laufschaufeln nach bekannter Technik. Die strömungstechnische Bildung der VortexHeissgasströmung 9 wird durch die Disposition der Vormischbrenner 5 in Umfangsrichtung beeinflusst, wobei bei der Konfiguration der hier vorgeschlagenen Brennkammer 1, hinsichtlich der Stellung der Vormischbrenner 5 in Umfangsrichtung der toroidalen Brennkammer 1, alle Optionen offen stehen. In Fig. 1 sind die Vormischbrenner 5, bezogen auf deren Einströmungsebene in den toroidalen Innenraum 8, tangential angelegt und, bezogen auf die Beaufschlagungsebene der Turbine 3, verlaufen sie unter einem spitzen Winkel. Die strömungstechnische Qualität der Vortex-Heissgasströmung 9 lässt sich entsprechend verändern, indem die Vormischbrenner 5 beispielsweise auf dem Umfang der toroidalen Brennkammer 1 rechtwinklig gegenüber der Beaufschlagungsebene der Turbine 3 angeordnet werden. Eine weitere Anordnung kann einen Winkel von über 90° gegenüber der genannten Beaufschlagungsebene aufweisen. Bei allen Anordnungen bleibt die tangentiale Einströmung der von den Vormischbrennern 5 induzierten Erzeugung der Heissgase 9 in den toroidalen Innenraum 8 vorzugsweise bestehen, damit die Stabilität des ringförmigen Kernes 10 dieser Heisgasströmung gewährleistet bleibt. Die Zuschaltung oder Abschaltung der einzelnen Vormischbrennern 5 geschieht hier fliessend, d.h. die einzelnen Vormischbrenner 5 stehen in einer betriebsmässigen Interdependenz zueinander, so dass bei Inbetriebsetzung oder Ausserbetriebsetzung die einzelnen Vormischbrenner, welche ohne Zündvorrichtung auskommen, mit einer maximierten Ansprechbarkeit reagieren. Durch den kompakten Brennraum dieser Brennkammer 1, der allein durch den toroidalen Innenraum 8 gebildet ist, wird auf die Entstehung von Pulsationen entgegengewirkt, da die Vortex-Heissgasströmung aufgrund ihrer strömungsmassigen Stabilität und Impulsstärke keine Rückkopplung von brennkammerspezifischen Frequenzen auf die Vormischbrenner 5 resp. auf die Flammenfront zulässt. Damit wird mit der geometrischen Konfiguration dieser toroidalen Brennkammer 1 auf die Entstehung von Pulsationen in markanter Weise entgegengewirkt. Die unbestritten äusserst kompakte Bauweise dieser toroidalen Brennkammer 1 eignet sich darüber hinaus vorzüglich, eine effiziente Kühlung mit einer minimierten Menge an Kühlmedium zu bewerkstelligen. In Fig. 1 wird gezeigt, wie eine solche Kühlung vonstatten gehen kann. Die toroidale Brennkammer 1 ist von einer Schale 13 umschlossen. Durch einen von dieser Schale 13 gegenüber der Wand der Brennkammer 1 gebildeten Zwischenraum 14 strömt einen Kühlluftstrom 15 heran, der über einen ringförmigen Kanal 17 von der Verdichtereinheit abgezweigt wird. Nach erfolgter Kühlung der Aussenwand der toroidaler Brennkammer 1 strömt die Kühlluftstrommenge 16 grundsätzlich in das Plenum 6. Diese zur Kühlung eingesetzte Luftmenge 16 kann indessen beispielsweise in die Brennkammer 1 oder in die Vormischbrenner 5, jeweils an geeigneter Stelle, eingeleitet werden. Was die Drallströmungen aus den Brennern betrifft, so ist darauf zu achten, dass deren Anzahl über alle Betriebsstufen der Brennkammer unterkritisch bleibt. Daraus ergibt sich, dass grundsätzlich bei einer Basislast der Maschine die Gasdichtheit des Vortex-Kernes weitgehend uniform ausfällt, was sich auf dessen Stabilität und auf die Verharrzeiten der Heissgase in diesem Bereich niederschlägt. Ein so gebildeter Vortex-Kern entfaltet überraschenderweise eine unmittelbare Stabilisierung der Flammenfront im Sinne eines körperlosen Flammenhalters gegenüber den einzelnen peripher angeordneten Brennern, womit die Bestrebungen zu einer Flammenstabiliserung im Herrschaftsbereich dieser Brenner keine absolute Priorität mehr entfalten.
    Fig. 2 zeigt die toroidale Brennkammer 1 von aussen, gemäss Ansicht II. aus Fig. 1, wobei diese Darstellung lösgelöst von der übrigen Infrastruktur der Gasturbine ist. Aus dieser Figur geht in prägnanter Weise die geometrische Ausbildung der Brennkammer sowie die Aufteilung und Stellung der Vormischbrenner 5 hervor. Die Vormischbrenner 5 sind zum einen tangential auf dem Umfang der toroidalen Brennkammer 1 angeordnet; darüber hinaus weisen sie, unter einem Winkel, in Strömungsrichtung hin. Auf die strömungsdynamischen Aspekte aus dieser Konstellation ist unter Fig. 1 bereits näher eingegangen.
    Die dargestellte toroidale Brennkammer 1 erfüllt insbesondere Vorteile, die hier anhand einer Stichwortliste nochmals zusammengefasst werden sollen, wobei sich daraus weitgehend die weiter oben spezifizierten Vorteile ergeben.
    1.
    Das Fliehkraftfeld des Wirbels führt zu einer starken Vergleichmässigung der Gastemperaturverteilung in Umfangsrichtung. Die Brennerstufung in Umfangsrichtung ist auch bei einreihigen Brenneranordnung möglich, dies im Gegensatz zu Brennkammern ohne Drall. Ein einfaches Betriebskonzept mit niedrigen Schadstoff-Emissionen (Nox, CO, UHC) ist auch bei Teillast gewährleistet.
    2.
    Die Torusform der Brennkammer kombiniert mit dem Fliehkraftfeld des Wirbels reduziert den konvektiven Wärmeübergang auf ein Minimum (Gaszentrifugeneffekt, Strömung an konkaver Wand). Zudem wird bei vorgegebenem Brennkammer-Volumen die kleinstmögliche Oberfläche erreicht.
    3.
    Die Querzündung innerhalb des Verbundes der Brenner wird entscheidend verbessert. Zündung über kalte Brenner hinweg ist möglich.
    4.
    Eine kompakte Baulänge der Brennkammer ist gegeben.
    Bezugszeichenliste
    1
    Brennkammer
    2
    Gehäuse
    3
    Turbine
    4
    Rotor
    5
    Brenner,Vormischbrenner
    6
    Plenum
    7
    Verbrennungsluft
    8
    Innenraum
    9
    Heissgasen, Heissgasströmung, Vortex-Heissgasströmung, Drallströmung
    10
    Kern von Pos. 9, Vortex-Kern
    11
    Heissgaskanal
    12
    Leitschaufeln
    13
    Schale
    14
    Zwischenraum
    15
    Kühlmedium, Kühlluftstrom
    16
    Kühlluftstrommenge
    17
    Ringförmiger Kanal

    Claims (10)

    1. Brennkammer einer Gasturbogruppe, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1) mindestens einen ringförmigen toroidalen Innenraum (8) aufweist, dass auf dem Umfang der Brennkammer (1) eine Anzahl mit dem Innenraum (8) in Wirkverbindung stehender Brenner (5) angeordnet sind, und dass der ringförmige toroidale Innenraum (8) im wesentlichen in der Anströmungsebene einer zur Gasturbogruppe gehörigen nachgeschalteten Turbine (8) einen in Umfangsrichtung abzweigenden Heissgaskanal (11) aufweist.
    2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heissgaskanal (11) eine strömungsmässige richtungsgleiche Fortsetzung der sich in dem ringförmigen toroidalen Innenraum der Brennkammer bildenden Drallströmung (9) bildet.
    3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heissgaskanal (11) endseitig mit zur Laufschaufeln der nachgeschalteten Turbine (3) in Wirkverbindung stehenden Leitschaufeln (12) bestückt ist.
    4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1) mit Vormischbrennern bestückt ist.
    5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenner (5) gegenüber der neutralen Ringachse des ringformigen toroidalen Innenraums (8) tangential angeordnet sind.
    6. Brennkammer nach einem oder mehrere der Ansprüche 1, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenner (5) gegenüber der senkrechten Achse des ringförmigen toroidalen Innenraums (8) unter einen Winkel angeordnet sind.
    7. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige toroidale Innenraum (8) von einer Schale (13) ummantelt ist, und dass im von der Schale (13) gegenüber der äusseren Form des ringförmigen toroidalen Innenraums (8) gebildeten Zwischenraum (14) ein Kühlmedium (15) strömt.
    8. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenner (5) in Wirkverbindung mit einem Plenum (6) stehen, und dass eine zu diesem Plenum (6) gehörige Verbrennungsluft (7) die Brenner (5) speist.
    9. Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer gemass Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem ringförmigen toroidalen Innenraum (8) eine um dessen Ringachse zusammenhängende aus Heissgasen bestehende Drallströmung (9) mit einem Vortex-Kern (10) bildet, dass die Drehrichtung der Drallströmung (9) die Ausströmungsebene der Heissgase aus dem Innenraum (8) zu einer nachgeschalteten Turbine (3) induziert.
    10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung der Drallströmung (9) von der Betriebsweise der Brenner (5) und der Einströmungsebene der Verbrennungsluft in den Innenraum (8) ausgelöst wird.
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