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Gasbrenner, vorzugsweise für Brennkammern von Gasturbinenanlagen Bei
den Gasbrennern, die in ortsgebundenen Gasturbinenanlagen für Krafterzeugung Verwendung
finden, wird üblicherweise die Mischung des Brenngases und der Verbrennungsluft
in der Flammenzone der Brennkammer vorgenommen, wobei die gute Durchmischung dieser
Betriebsmittel durch Verwirbelung der Verbrennungsluft mittels beschaufelter »Drallkörper«
erreicht wird. Es sind auch Parallelstrombrenner mit bienenwabenartiger Anordnung
der Luft- und Gasdüsen bekannt, bei welchen die sehr feine Aufteilung der Betriebsmittel
in Luft- und Gasstrahlen deren Vermischung bewirkt. Bei den zuletzt erwähnten drallfreien
Brennern sind der Regelung des Gasdurchsatzes wegen der engen Zündgrenzen der gasförmigen
Brennstoffe jedoch Grenzen gesetzt, welche deren Verwendung in großen, der Krafterzeugung
dienenden Gasturbinenanlagen weitgehend ausschließt. Weil wegen der niedrigen Verbrennungsgeschwindigkeit
der meisten Brenngase bei diesen Brennern leicht unbeständige Flammen auftreten,
ist bei ihnen der erreichbare Gasdurchsatz ebenfalls stark begrenzt. Bei Verwendung
von »Drallkörpern« für die Verwirbelung der Betriebsmittel können hohe Gasdurchsätze
und ein großer Regelungsbereich erreicht werden, doch ist ihre Einrichtung ziemlich
kompliziert und kostspielig.
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Für die Verwendung in Gasheizapparaten ist ein Gasbrenner mit einem
innerhalb des Gaszuführungsrohres angeordneten Luftzuführungsrohr bekannt, bei welchem
zwischen einer in Abstand vor den Mündungen der Rohre liegenden Prallplatte und
einer parallel zu dieser verlaufenden und unterhalb dieser liegenden sowie mit Luftdurchlaßöffnungen
versehenen zweiten Platte ein Mischraum angeordnet ist, in welchem der sich fächerartig
ausbreitende Gasstrom zwischen zwei Luftschichten zu liegen kommt, von denen die
obere den Gasstrom bestreicht und die untere senkrecht auf ihn auftrifft, wodurch
eine gute Durchmischung des Gases mit der Verbrennungsluft erzielt werden soll.
Dabei ist ein Gasschleier einerseits oben von einem fächerartig sich radial ausbreitenden
Luftschleier überlagert, und anderseits dringt Luft von unten durch verschieden
groß ausgeführte Öffnungen der unteren Platte in den Gasschleier ein oder durch
diesen hindurch. Bei diesem Gasbrenner muß sich das Gas schließlich mit der gesamten
zugeführten Luftmenge vermischen. Dessen Mengenregelung ist deshalb nur innerhalb
der für ein bestimmtes Gasgemisch charakteristischen Zündgrenzen (z. B. etwa 6 bis
13,5 % Volumen in Luft bei Methan) durchführbar. Im ganzen Querschnitt, worin die
Vermischung von Gas und Luft stattfindet, treten große Durchflußgeschwindigkeiten
auf, die eine Flammenstabilisierung beeinträchtigen. Somit würde sich dieser Gasbrenner
für die Brennkammer einer Gasturbinenanlage seinem Prinzip nach überhaupt nicht
eignen, indem er nur verhältnismäßig kleine Gasmengen zu verbrennen vermag.
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Die Erfindung betrifft nun einen Gasbrenner, vorzugsweise für Brennkammern
von Gasturbinenanlagen, bei welchem ein Teil der Verbrennungsluft in axialer Richtung
durch eine Lochplatte und das Gas in radialer Richtung zugeführt wird, und der die
Nachteile der bekannten Gasbrenner vermeidet. Er ist gekennzeichnet durch eine derartige
Anordnung der Luft- und Gaseintrittsöffnungen, daß je ein Gasstrahl zwischen zwei
Reihen von Luftstrahlen zu liegen kommt, wobei die Richtungen der Gasstrahlen und
der Luftstrahlen senkrecht zueinander stehen und sich die Strahlen nur an ihren
Randbegrenzungen treffen, wo die Turbulenz groß und die Strömungsgeschwindigkeiten
niedrig sind.
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Beim beschriebenen Gasbrenner treten Brennstoff und Luft in Form von
senkrecht zueinander gerichteten Strahlen in den Flammenraum der Brennkammer ein,
und zwar so, daß diese Strahlen sich nur an ihren Randbegrenzungen treffen, wo die
Turbulenz groß und die Strömungsgeschwindigkeiten niedrig sind. Trotz großer Geschwindigkeit
der Luft im Kern der einzelnen Strahlen wird dadurch der kleinen Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Gasflamme Rechnung getragen, daß diese sich in den Zwischenräumen. der radial
geordneten Luftstrahlen, und zwar im Randgebiet jedes einzelnen Strahles, entwickelt.
Die Vermischung von Gas und Luft findet in den Mischzonen
der einzelnen
Strahlen statt, und die Flammenfront stabilisiert sich in dem Raum, der in der Längsrichtung
der Brennkammer von, der Lochplatte an so weit reicht, als jeder Luftstrahl von
einer Wirbelungszone (einem Totwasserraum) umgeben ist. Durch geeignete Wahl der
Größe der Luftdurchtrittsöffnungen in jeder radial geordneten Reihe derselben kann
die Stabilität der Flamme beeinflußt werden. Mit Vorteil werden die in, der Lochplatte
radial geordneten Eintrittsöffnungen für die Verbrennungsluft mit wachsendem Abstand
von der Längsachse des Flammenraumes größer gemacht. Diese Anordnung gestattet eine
genaue Dosierung des Luft-Brennstoff-Gemisches in Richtung der Halbmesser des Flammenraumes,
wobei der Impulsaustausch bei der Vermischung die Brennstoff-Gas-Strahlen so umlenkt,
daß sie in einer Zone mit stöchiometrischen Verbrennungsverhältnissen bleiben. Beim
beschriebenen drallfreien Gasbrenner können sowohl die Gasmenge wie auch die Luftmenge
innerhalb weiter Grenzen sich ändern, ohne daß die Güte der Verbrennung und die
Stabilität der Flamme beeinträchtigt werden. -Überdies wird mit diesem Brenner gegenüber
den bekannten Einrichtungen eine wesentliche Verbilligung und Vereinfachung erreicht.
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Die Zeichnung zeigt am Beispiel eines für die Anwendung in Gasturbinenbrennkarnmern
ausgebildeten Gasbrenners eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, wobei
Fig. 1 einen Schnitt durch den oberen Teil einer solchen vertikal angeordneten Brennkammer
darstellt, während Fig. 2 in etwas vergrößertem Maßstab eineAnsicht des Brenners
gemäß den Pfeilen A-A der Fig. 1 widergibt.
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In Fig. 1 ist 1 der Außenmantel einer zylindrischen Brennkammer, innerhalb
welchem ein Flammrohr 2 achsgleich angeordnet ist. Die Verbrennungsluft wird der
Brennkammer durch die Leitung 3 zugeführt, das Brenngas durch die Leitung 4. Der
Flammenzone im oberen Teil des Flammrohres wird die Verbrennungsluft durch die Öffnungen
5 in der Lochplatte 6 zugeführt, während die Mischluft, die der Abkühlung der heißen
Brenngase dient, durch weitere Öffnungen 7 im Mantel des Flammrohres in dessen Innenraum
eintritt. Durch Öffnungen 8 in dem in der Flammenzone gelegenen Teil der Brenngaszuführung
4 strömt das Brenngas in die Flammenzone ein. Die öffnungen 5 sind, wie Fig. 2 zeigt,
radial geordnet und bilden Reihen, die in radialer Richtung von der Längsachse des
Flammrohres abstehen. Durch diese Öffnungen treten Strahlen von Verbrennungsluft
in Richtung seiner Längsachse in den Flammenraum ein. Die Öffnungen 8 in der Brenngaszuführung
4 sind so angeordnet, daß Gasstrahlen in radialer Richtung in den Flammenraum eintreten,
und zwar so, daß je ein Gasstrahl zwischen zwei Reihen von Luftstrahlen zu liegen
kommt. Die Richtungen der Gasstrahlen und der Luftstrahlen stehen also senkrecht
zueinander. Das Gas verbrennt in den Mischräumen zwischen den Strahlen, in denen
die Turbulenzzonen der einzelnen Gas- und Luftstrahlen sich gegenseitig durchdringen.
Es ist vorteilhaft, die Lufteintrittsöffnungen wie in Fig. 2 dargestellt mit wachsendem
Abstand von der Längsachse des Flammrohres größer zu machen.