CH679799A5 - - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine ringförmige Brennkammer für Gasturbinen mit einem an die Brennkammer anschliessenden ringförmigen und zur Arbeitsturbine führenden Gasführungskanal, wobei die Brennkammerachse und die Turbinenachse zusammenfallen.

Eine ringförmige Brennkammer ist beispielsweise aus der US-Patentschrift Nr. 4 368 619 bekannt. Bei dieser Turbine ist an der Einlaufseite ein Axialverdichter angeordnet, welcher die angesaugte Luft komprimiert und in die nachfolgenden Primär-und Sekundär-Brennkammern fördert. Hinter der Brennkammer sind Leitschaufeln und das Laufrad einer Arbeitsturbine angeordnet. Im Zentrum der Turbine befindet sich die Antriebs- und Verbindungswelle für die verschiedenen rotierenden Bauteile, wobei die Welle, bzw. die rotierenden Teile am Gehäuse der Turbine abgestützt sind. Die in dieser bekannten Turbine dargestellte Brennkammer erstreckt sich ringförmig um die Achse der Turbine und ist im Innern des einen ringförmigen Querschnitt aufweisenden Strömungskanales angeordnet. Der innere Teil der Brennkammerwandung ist dabei mit der inneren Wandung des Gasführungska-naies verbunden und rotiert mit diesem um die Achse der Turbine. Um die ringförmige Brennkammer sind zusätzliche Strömungskanäle und Leitbleche angeordnet, welche der Verbesserung der Strömung und der Leistung der Turbine dienen sollen. Der Aufbau dieser Brennkammer mit den zugehörigen Nebenströmungskanälen ist relativ kompliziert, und bei grossen Veränderungen des Lastbereiches ergeben sich, wie auch bei anderen Turbinen, teilweise schlechte Wirkungsgrade. Eine Beeinflussung der Strömung oder des Druckes in der Brennkammer und dem anschliessenden Gasführungskanal ist nicht möglich.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammer für Gasturbinen zu schaffen, bei welcher die Geometrie des an die Brennkammer anschliessenden Gasführungskanales und/oder der Brennkammer selbst verändert werden kann, wodurch eine Optimierung des Verbrennungsvorganges, eine Erhöhung des Wirkungsgrades und eine Reduktion der Schadstoffemissionen erreicht werden soll.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Brennkammer aus mehreren ringförmigen Segmenten, welche die Wandung der Brennkammer bilden besteht, mindestens eines dieser Segmente mit dem zugehörigen Teil der Wandung der Brennkammer gegenüber den übrigen Segmenten verschiebbar ist, die Verschiebung etwa parallel zur Turbinenachse erfolgt und die Randbereiche des verschiebbaren Segmentes und diejenigen der angrenzenden festen Segmente als Dichtbereiche ausgebildet sind. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein verschiebbares Segment mit dem inneren oder äusseren Anfangsteilstück des Gasführungskanales verbunden, dieses Anfangsteilstück des Gasführungskanales ist mit dem Segment verschiebbar, und die Querschnittsfläche des Gasführungskanales ist in diesem Bereiche veränderbar. Die Unterteilung der Brennkammer in Segmente ermöglicht die Gestaltung auch komplizierter Formen von Brennkammern, wobei mindestens ein geeignetes Segment verschiebbar ausgebildet ist. Durch Verschiebung mindestens eines der Segmente in Richtung der Längsachse der Turbine wird der ringförmige Durchströmquerschnitt des Gasführungskanales erweitert oder verengt und/oder die Querschnittsfläche quer zur Ringachse der ringförmigen Brennkammer verändert. Diese Veränderungen der Geometrie verändert die Strömungsbedingungen für die in der Brennkammer entstehenden Heissgase und erlaubt Veränderungen der Zustandsgrössen dieses Heissgasstromes, d.h. von Druck, Geschwindigkeit oder Temperatur. Insbesondere bei Teillast sind die Querschnitte an die geringeren Strömungsvolumen anpassbar, wodurch ein optimaler Betrieb der Brennkammer, und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades und der Schadstofffreiheit des Heissgasstromes erreicht wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein verschiebbares Segment so angeordnet ist, dass gleichzeitig die Querschnittsfläche der Brennkammer und des Gasführungskanales veränderbar ist. Dabei ist die Definition der Qnerschnittsflächen so zu verstehen, dass als Querschnittsfläche der Brennkammer eine Fläche verstanden wird, welche in einer durch die Längsachse der Turbine verlaufenden und sich radial erstreckenden Ebene liegt und diese Fläche rechtwinklig zur Ringachse der Brennkammer liegt. Als Querschnittsfläche des Gasführungskanales ist demgegenüber diejenige ringförmige Fläche zu verstehen, welche rechtwinklig zur Richtung des Gasstromes, bzw. zur Turbinenachse steht und durch die Wandungen des Gasführungskanales an dessen engster Stelle begrenzt ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind vor der Brennkammer mehrere Mischkammern zur Vermischung von Brennstoff und Luft angeordnet. Bei dieser Anordnung wird in den Mischkammern vorerst ein optimales Gemisch von Brennstoff und Luft hergesteilt, und dieses dann in die Brennkammer eingeblasen, wo die Zündung erfolgt. Diese Anordnung gewährleistet eine gleichmässige Verteilung des Brennstoffes im Gasstrom, und damit eine raschere und vollständigere Verbrennung. Entlang der ringförmigen Brennkammer sind die Mischkammern so verteilt, dass in allen Bereichen der Brennkammer gleiche Einström- und Brennbedingungen herrschen.

Die erfindungsgemässe Anordnung und Ausgestaltung der Brennkammer erzeugt einen gleichmäs-sigen und gleichförmigen Heissgasstrom über den ganzen Querschnitt des Gasführungskanales. Die nach dem Gasführungskanal angeordneten Turbinenschaufeln werden deshalb in allen Bereichen des Gasstromes von einem Heissgas mit gleicher Temperatur, Geschwindigkeit und gleichem Druck angeströmt. Dies gewährleistet eine weitere Optimierung des Betriebes einer mit einer erfindungsge-mässen Brennkammer ausgerüsteten Turbine. Allfällig notwendige Sekundärluftströme sind in be5

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kannter Weise in die Brennkammer und/oder in den Gasführungskanal eingeführt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen darstellenden prinzipiellen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer schematisch dargestellten Gasturbinenanlage mit einer Brennkammer und anschliessendem Gasführungskanal, wobei ein Segment der Kammer verschiebbar ist und der Querschnitt der Brennkammer konstant bleibt,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Brennkammer mit einem verschiebbaren Segment, wobei der Querschnitt der Brennkammer und des Gasführungskanales gleichzeitig verstellbar sind.

Die schematische Darstellung eines Querschnittes durch den Bereich der Brennkammer in einer Turbine gemäss Fig. 1 zeigt einen Schnitt entlang einer durch die Längsachse 3 der Turbine verlaufenden Radialebene. Nicht dargestellt sind die Verdichterstufe und die entsprechenden Zuleitungen vor der Brennkammer 1 und die nach dem Gasführungskanal 2 angeordnete Arbeitsturbine sowie die allfällig notwendigen Sekundärluft-Zuführungen. Die Brennkammer 1 ist ringförmig um die Längsachse 3 der Turbine angeordnet, wobei diese Achse 3 gleichzeitig die Rotationsachse des Ringraumes der Brennkammer 1 bildet. An die Brennkammer 1 schliesst ein ebenfalls ringförmiger Gasführungskanal 2 an, in welchem der Heissgasstrom in Richtung des Pfeiles 18 strömt. Vor der Brennkammer 1 sind mehrere Mischkammem 14 angeordnet, welche über Verbindungskanäie 20 mit der Brennkammer 1 verbunden sind. Den Mischkammern 14 wird Luft über die Zuleitung 15 und Brennstoff über die Zuleitung 16 zugeführt. Entlang des Umfang es der Brennkammer 1 sind mehrere Zündeinrichtungen 17 eingebaut, welche zum Starten des Verbrennungsprozesses in der Brennkammer 1 benötigt werden. Als Brennstoff können flüssige oder gasförmige Stoffe eingesetzt werden. Im Zentrum der Turbine befindet sich die Turbinenwelie 19.

Die Brennkammer 1 wird im gezeigten Beispiel von zwei ringförmigen Segmenten 4 und 5 begrenzt. Das innere Segment 4 ist dabei relativ zum Turbinengehäuse 9 fest angeordnet und begrenzt mit seiner Wandung 6 einen Teil der Brennkammer 1. Das äussere Segment 5, welches sich ebenfalls als Ring um die Achse 3 erstreckt ist parallel zur Achse 3 in Richtung der Pfeile 13 verschiebbar. Die innere Wandung 7 dieses Segmentes 5 bildet einen Teil der Wandung der Brennkammer 1. Das verstellbare Segment 5 ist mit der Aussenwand 12 des Anfangsteilstückes des Gasführungskanales 2 verbunden. Dieses Wandungsteilstück 12 ist somit mit dem Segment 5 parallel zur Achse 3 verschiebbar. Die Dichtbereiche sind so gestaltet, dass die Randbereiche 8 und 10 der beiden Segmente 4 und 5 überlappend ausgebildet sind, wodurch eine Abdichtung der Brennkammer 1 gewährleistet ist. Auch die Randbereiche 9 des Gehäuses und 11 der Aussenwand des Gasführungskanales überlappen sich gegenseitig, so dass auch hier eine Abdichtung ermöglicht wird. Bei sehr hohen Temperaturbelastungen der Wandungen ist die eigentliche Abdichtung zusätzlich und ringförmig ausserhalb der Überlappung angeordnet.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Form der Brennkammer 1 und des Gasführungskanales 2 bleibt der Querschnitt der Brennkammer 1 bei Verschiebungen des Segmentes 5 in Richtung des Pfeiles 13 konstant. Durch die Verschiebung des Segmentes 5 wird jedoch der ringförmige Querschnitt an der engsten Stelle des Gasführungskanales 2 verändert. Dies betrifft den ringförmigen Querschnitt rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Heissgases. Je nach Richtung der Verschiebung des Segmentes 5 wird dieser Querschnitt kleiner oder grösser und kann so gewählt werden, dass bei Veränderungen des Durchströmvolumens immer gleiche Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Durch Veränderung des Querschnittes bei gleichbleibendem Durchströmvolumen kann auch der Druck in der Brennkammer 1 beeinflusst werden. Diese Verstellmöglichkeit des Segmentes 5 erlaubt somit eine einfache Einflussnahme auf die Zustandsgrössen des Heissgasstromes, und damit eine Optimierung des Turbinenprozesses.

Bei der in Fig. 2 schematisch dargestellten Brennkammerausführung ist das feste Segment 26 aussen angeordnet, und das verstellbare Segment 27 innen. Das feste Segment 26 bildet dabei den Teilbereich 29 der Wandung der Brennkammer 1, und das verstellbare Segment 27 den Teilbereich 30 dieser Wandung. Das feste Segment 26 ist in das Gehäuse 28 integriert und mit der Aussenwand 31 des Gasführungskanales 2 verbunden.

Das verstellbare Segment 27 ist mit dem Anfangsteilstück 33 der Innenwand 32 des Gasführungskanales 2 verbunden, wobei das Ende des Teilstückes 33 auf der Zylinderfläche 34 des Gehäuses 28 überlappend aufliegt. Das andere Ende 35 des ringförmigen Segmentes 27 ist zwischen dem festen Segment 26 und dem inneren Teil des Gehäuses 28 geführt und in Richtung der Pfeile 36 verstellbar. Die entsprechenden VerStelleinrichtungen sind im dargestellten Beispiel nicht gezeigt, können jedoch in bekannter Weise ausgeführt sein. Der Randbereich 38 des festen Segmentes 26 und der Bereich 39 des verstellbaren Segmentes 27 überlappen sich und gewährleisten die Abdichtung der Brennkammer entlang dieser Trennebene, d.h. sie bilden die Dichtbereiche. Wird das verstellbare Segment 27 in Richtung der Pfeile 36 parallel zur Achse 3 verschoben, so kann das Volumen der Brennkammer 1 vergrössert oder verkleinert werden. Gleichzeitig wird der Durchströmquerschnitt des Gasführungskanales 2 an der engsten Stelle verändert, da die Innenwand 32 mitverschoben wird. Die Verstellung des Segmentes 27 ist im Bereiche des Zwischenraumes 37 zwischen diesem Segment 27 und dem Gehäuse 28 möglich. Auch bei diesem Beispiel wird über die Zuleitung 15 Luft und über die Zuleitung 16 Brennstoff in die Mischkammern 14 geführt und dort gleichmässig und optimal vermengt. Von der Mischkammer 14 wird das Gemisch über Verbindungskanäle 20 in die ringförmige Brennkammer 1 gepresst und hier verbrannt. Zum Starten des Brennvorganges sind auch hier Zünd-

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einrichtungen 17 angeordnet. Die durch die Verbrennung erzeugten Heissgase strömen in Richtung des Pfeiles 18 durch den Gasführungskanal 2 zu den Schaufeln der nicht dargestellten Arbeitsturbine.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Ringförmige Brennkammer für Gasturbinen mit einem an die Brennkammer anschliessenden ringförmigen und zur Arbeitsturbine führenden Gasführungskanal, wobei die Brennkammerachse und die Turbinenachse zusammenfallen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1) aus mehreren ringförmigen Segmenten (4, 5 bzw. 26, 27), welche die Wandung der Brennkammer (1) bilden, besteht, mindestens eines dieser Segmente (5, 27) mit dem zugehörigen Teil (7, 30) der Wandung der Brennkammer (1) gegenüber den übrigen Segmenten (4, 26) verschiebbar ist, die Verschiebung etwa parallel zur Turbinenachse (3) erfolgt und die Randbereiche (10, 39) des verschiebbaren Segmentes (5, 27) und die Randbereiche (8, 38) der angrenzenden festen Segmente (4, 26) als Dichtbereiche ausgebildet sind.

2. Brennkammer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein verschiebbares Segment (5, 27) mit der inneren (32) oder äusseren Wandung (12) des Anfangsteilstückes des Gasführungskanales (2) verbunden, dieses Wandungsteilstück (12, 32) des Gasführungskanales (2) mit dem Segment (5, 27) verschiebbar und die Querschnittsfläche des Gasführungskanales (2) in diesem Bereich veränderbar ist.

3. Brennkammer nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein verschiebbares Segment (27) so angeordnet ist, dass gleichzeitig die Querschnittsfläche der Brennkammer (1) und des Gasführungskanales (2) veränderbar ist.

4. Brennkammer nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Brennkammer (1) mehrere Mischkammern (14) zur Vermischung von Brennstoff und Luft angeordnet sind.

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