DE1476817A1 - Vorrichtung zur Einleitung von Waerme in die Austrittsgase einer Gasturbine - Google Patents

Vorrichtung zur Einleitung von Waerme in die Austrittsgase einer Gasturbine

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DE1476817A1
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Description

John Zink Company, Tulsa 5, Oklahoma/USA
4401 South Peoria Avenue
Unser Zeichen: J 470
Vorrichtung zur Einleitung von Wärme in die Austrittsgase einer Gasturbine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Einleitung von Warne in die Austrittsgase einer Gasturbine· Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung der Ausnutzung der Wärme der Abgase einer Gasturbine und betrifft speziell einen Brenner für einen gasförmigen Brennstoff, der innerhalb einer Leitung brennt, welche die Abgabe zu einer Wärme-Wiedergewinnungsanlage führt, so dass die Restwärme der Abgase, deren Temperatur durch die Verbrennung des Brennstoffes auf einen höheren Wert gebracht wurde, zur Erzeugung von Dampf oder für andere Zwecke verwendet werden kann, beispielsweise in einem Wärmeaustau·· scher, wobei diese Anlagen einen Wärmeeingang mit einer
Temperatur Gel·
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Temperatur benötigen, die Über der Temperatur der aus der Gasturbine austretenden Gase liegt«
Die Temperatur der Abgase, die aus einer Gasturbine austreten, kann in der Grössenordnung von 1 200 F liegen· Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Brenner zu schaffen, um den Abgasen einer Gasturbine Wärme zuzuführen, um die Temperatur der Abgase auf einen höheren Wert zu bringen, so dass die Restwärme der Abgase zuzüglich der durch den Brenner zugeführten Wärme zur Herstellung von Dampf in einem Abwärmeboiler verwendet werden kann oder in einer anderen Wärmeaustauscheranlage verwendet werden kam).
Die Abgase einer Gasturbine enthalten Sauerstoff in einer Menge, die etwa 76- des Sauerstoffes entspricht, der in der Luft vorhanden ist« Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Brenner innerhalb einer Leitung zu schaffen, welche Abgase einer Gasturbine führt, wobei der Brenaer derart angeordnet und ausgebildet ist, dass ein gasförmiger Brennstoff innerhalb der Turbinenabgase brennen kann, ohne dass es erforderlich ist, zusätzlichen Sauerstoff in die Leitung oder in den brennenden gasförmigen Brennstoff einzuleiten·
Ein
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Brenner zur Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffes in einer geschlossenen Leitung zu schaffen, welchedie Abgase einer Gasturbine führt, wobei diese Abgase etwa 3/4 der Sauerstoff Menge der Luft enthalten und wobei die Temperatur der Abgase etwa 1 200 F beträgt und wobei die Abgase einen Druck haben, der über dem Atmoephärendruck liegt, wobei der Brenner derart aufgebaut ist, dass eine stabile exotherme Oxydation des Brennstoffes stattfindet und zwar auch dann, wenn die Temperaturerhöhung des gasförmigen Brennstoffes, der mit der begrenzten Sauerstoffmenge im Kanal gemischt ist, die Temperaturerhöhung des Brennstoff gemisches begrenzt·
Erfindungsgemäss ist eine Brennerspitze innerhalb der Leitung angeordnet und es sind Leitungen vorgesehen, um gasförmigen Brennstoff der Brennerspitze zuzuführen, und diese Brennerspitze weist Auslassöffnungen auf, deren Achsen in Richtung stromab der Abgasleitung divergieren und es ist ein kegelstumpfförmiger Schirm vorgesehen, der diese Brennerspitze umgibt und dieser Schirm bildet einen stromabweisenden Hohlraum, der einen eingeschlossenen Winkel hat, der wenigstens 20° grosser ist als der eingeschlossene Winkel der Achsen der Auslassöffnungen und
dieser
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dieser kegelstumpfförmige Schirm weist im Abstand voneinander angeordnete Öffnungen auf, deren summierte (iuersohnittsflächen etwa 8 bis 12 # der Oberfläche des kegel stumpfiörmigen Schirmes ausmachen, wobei diese Öffnungen es ermöglichen, dass eine Menge der Abgase zur Brennerspitze gelangt, um eine stabile Verbrennung des gasförmigen Brennstoffes auf recht zuerlial ten.
In vorteilhafter Weise kann eine Anzahl von Brennerspitzen innerhalb der Abgasleitung angeordnet sein, die in Umfangsrichtung im Abstand voneinander liegen.
Es kann ferner vorteilhaft sein, dass ein Leitblech innerhalb der Abgasleitung in der Nähe der Brennerspitzen angeordnet ist, wobei dieses Leitblech in der Nähe der Brennerspitzen eine Einschnürung oder eine Strömungsquerschnitts. Verengung bildet«
Weitere Ziele und Merkmale der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Zugrundelegung der Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:
Fig« 1 eine scheraatisohe Ansicht einer Anlage, bei der die Erfindung Anwendung findet, wobei ein Teil der Abgasleitung der Gasturbine im Schnitt gezeigt ist,
Fig. 2
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Fig« 2 eine Teilschnittansicht der Abgasleitung im ver-
grösserten Masstab, wobei Teile der Brenner in Seitenan sicht und teilweise im Schnitt gezeigt ist,
Fig. 3 eine Schnittansiuht, genommen längs der Linie 3-3
der Fig. 1 in vergrößertem Masstab
und Fig. 4 eine Schnittansicht in vergrössertem Masstat eines
Brennerkopfes·
Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für Erhöhung der Temperatur der Abgase einer Gasturbine, die in Fig, I bei 10 dargestellt ist. Die Abgase der Turbine werden in eine Leitung 11 eingeleitet, wobei in der Fig. 1 diese Leitung 11 unverhaltnismiissig gross dargestellt ist, um die Anordnung der Teile besser zeigen zu können. Der Brenner, der noch in einzelnen beschrieben werden soll, ist in Fig. mit 12 bezeichnet. Dieser Brenner verbrennt einen gasförmigen Brennstoff innerhalb der Leitung 11, vm den Turbinenabgasen Wärme zuzuführen. Die Leitung 11 erstreckt sich zu einer Wärmegewinnungsanlage, die bei 14 dargestellt ist. Die Wärmegowiimungsnnlage kann ein Boiler sein, der zur Dampferzeugung dient oder eine andere Wärmeaustauscheranlage. Nachdem die Abgase ihre Wurme abgegeben haben, treten die Abgase in
eins 309842/04 11 BADORiGiMAL
eine Leitung 16 ein und gelangen von dort über einen Rauchabzug 17 in die Atmosphäre. Die Abgasleitung und die anderen Teile, in denen die Abgase geführt werden, bilden ein geschlossenes Leitungssystem, welches die atmosphärische Luft ausschliesst und der Druck in diesem Leitungssystem liegt über dem Atmosphärendruck·
Die Abgase einer typischen Gasturbine enthalten Kohlen— dioxyd, Wasserdampf, Stickstoff und Sauerstoff. Der Sauerstoffgehalt der Abgase beträgt etwa 76 0J* des Sauerstoffgehaltes der Luft. Luft als Sauerstoffquelle für die Verbrennung von Brennstoffen enthält etwa 2o,9o $ Sauerstoff und bei der Verbrennung liegt die Flammentemperatur In der Umgebung von 3 600 F, Bei der Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffes in tier Leitung 11, in der der Sauerstoffgehalt lediglich bei etwa 3/-1 des Sauerstoffgehaltea der Luft liegt, entsteht eine Flammentemperatur, die beträchtlich unterhalb der Temperatur liegt, die bei der normalen Verbrennung mit Luftauuerstoff erfolgt. Es tritt also ein Problem der stabilen Verbrennung vonBrennstoffen in Turbinenabgasen auf und dieses Problem ist wesentlich grosser als das Problem der stabilen exothermen Oxydation von Brennstoffen in Luft.
Die
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Die Abgasleitung 11 kann aus irgendeinem Metall bestehen und diese Leitung ist vorzugsweise mit einer Isolationsschicht 21 ausgekleidet, die aus einem wärmebeständigen Material besteht, um den Wärmeverlust des Leitungssystems zu verhindern. Eine Anzahl von Brennerköpfen 22 für gasförmige Brennstoffe ist in der Leitung 11 montiert und diese Brenuerköpfe sind in Umfangsriehtung im Abstand voneinander angeordnet, um die Wärme über den inneren Strö« ■ungsquersclmi1t der Leitung zu verteilen«
Die Brennerkopf« 22 und die zugeordneten Elemente sind von gleichem Aufbau und einderartiger Brennerkopf ist in den Fig. 2 und 4 dargestellt« Die Abgasleitung 11 ist mit einer Anzahl in Unfausrichtung im Abstand voneinander angeordneten Öffnungen 23 ausgerüstet« Jede Öffnung hat derartige Abmessungen, dass ein Brenner durch diese Öffnung hilldurchgeführt werden kann. Jeder Brenner weist ein erstes Rohr 26 und ein zweites Rohr 27 auf« Beide Rohre erstrecken sich durch eine Platte 28, die derart ausgebildet ist, dass diese Platte eine der Öffnungen 23 versciiliessen kann. Die Platte 28 trägt eine Schicht aus einem Isolationsmaterial auf der Innenseite. Die Anordnung ist derart, dass, wenn die Platte, wie in Fig. 2 gezeigt, eingesetzt ist, die Rohre 26 und 27 in der richtigen Lage innerhalb der Abgasleitung 909842/041 1
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leitung 11 angeordnet sind und die öffnung 23 verschlossen ist. Die Platte 28 kann, wie bei 31 gezeigt, an dft· Metallwandung der Abgasleitung 11 angesohweisst seift· Wenn die Abgasleitung 11 einen keilförmigen Querschnitt hat,sind die Platten 28, wie in Fig. 3 gezeigt, gekrümmt« Die zweite Leitung 2? verläuft zur ersten Leitung 26 hin schräg und die beiden Leitungen konvergieren nach innen, ·· dass das innere Ende der zweiten Leitung 27 dicht beim inneren Ende der ersten Leitung 26 liegt« Die zweite Leitung 27 nimmt einen Zttndbrennerkopf 32 auf und eine ftasspeiseleitung und es ist eine geeignete elektrische Zündung 34 vorgesehen und diese Teile sind innerhalb des Rohres 27 angeordnet« Die elektrische Zündung ist in einer Hülse 35 angeordnet und die Zündung kann nach der Zündung des Zttndbrenners herausgezogen werden, um eine Beschädigung der elektrischen Teile der Zündung zu verhindern» Ss ist ein· Anzahl von öffnungen 36im Rohr 27 vorgesehen, wobei diese öffnungen in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordnet sind. Durch diese Öffnungen werden Abgas· der Turbine in das Innere des Rohres 27 geleitet«
Es ist ein kegelstumpfförmiger Soairm 28 vorgesehen, aus einem Blechmaterial hergestellt ist« Das Ende dieses Schirmes, weloMes den kleineren Durchmesser aufweist« ist
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a» freien Iod· d·» ft*kqr«· 2« befestigt. Ein Absehnltt der - keg«lste^pff«y)iig«|| Wandung des Schiraes 38 weist •in· öffnung auft 4i· 4as freie tod· ein«e Ansaliluestttekee
40 aufniswt, w«lo|iffrroji inneren Ind· dee «weiten ftenree 37 f«trac«n wli^. I>«r ij|iMiir«ini 4e» «weiten lU»hr«· 2T
iteht daderiba/iiii'i^l^l^r**«^ «·- .
richteten Seite 4*· K«ieUtuj^fförrtgen Sohirwea 3Θ. t>er
f^%%0l$fy^#k$:^^^^ 2 geseigt, •ine derartig« St^lJiMIg9 dass der verbrennende Brennstoff, der το» Ittoo^reneer eetwiokejt wird, dwrcn den kegel ι
Schira 3· austritt· Die Wandung dee SentIdes 9$
wet et of f nungen 30 eof * line lei t«ne 41 eret recltt eich durch da« «rtte. ]tohr 26 liiafturch und trügt ein« Brenner- «pita« 49 a« inneren t»4·· wobei di«»e Breiuierapltze «n ' 4er tfrdMlmeiM^Nfit· innerlieab dee kecel«t«e^ffir»leen Sohiidee 3β angeordBftt i*t. Be kunne« Leituniteneomtleee u M«a««rMi ind· d«r I*itttn* 41 T#r««eehen eein, «« §*»- ftfralf· Brenne t*t|i| |p dieee Lei ton« 41 elnsvfUnren. Die caefttnigtJi Mfaaiifitt* kBnnen »ilen Brennern über einen nicht dargeetelltfli Terteiler augefUhrt werden. Di· Brennerepitee 42 iet alt d«a inneren End· der Leitung 41 rerbonden und wird ve« die««r Leitung getragen· Anjleestfffnungen 43 eind in der Spits· 42 Torgeeehen und die Aeneen dieser Aue1asstfffnungea divergieren in konischer Anordnung, wie
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trftgt »ltht «if·!»·!· »tabil·· •toff·· Wl9 der au· den Aaelaesttffnaaceii 48 Dl· ■ tabil· V«rbrennun« des Brennstott«· wir* AiftaroJi erreicht, 4«·· 4er kegel«tuppfförmige Schirm 38 eln«n eingeachlossenen Winkel Λ aufweist, der wenigstens 2Q° grtf«S«r ist ils der Winkel B9 den die Achs·« 4er Auslassöffnungen 43 einsohli«ss«n, und dadurch, dass für: 41e Qffttiuigen 39, die durch die Wandung des kegel■tusqpfftfnd.gen Schildes 38 hindurchgehen,eine GesaatquerschnittsflllQk·; Torg«a«hen wird, dl· ausreicht, usi ein· —syt gaaaenge bei der stroaabllegenden Plache des fttraigen Schira·· 38 gegenüber den Abgas«« 41· ua den üefang des, kegelstunpfftfraig·* •trtteen. Dl« Geeantqueraohnitt.fläche der beträgt Tersugs«·!·· 10% der gesagten 0k« stuapffttr»ig«n Schildes 38, Di· Ge«aetfläch· s)»r Offan«·· 3» kann Im Bereich zwischen 8% his s« 12 % **T OherflaVah« «fs kegelβtunpff»reifen Schildes liegen. Bis· weitere kvnstruktlT· Anordnung, die aur stabilen Verhrennung der gasfttrBlgan Brennstoff· beiträgt, ist die Anordnung der
Spits·
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Spits· 42. Die Nase 44 ( Flg. 4 ) let derart angeordnet, dass ei« tangential iu einer Ibene verlauft, dl· duroh das Ende alt grossea Durchmesser des kegeletmapffureigen Schildes 38 bestiaat wird·
Die öffnungen 39 und die Geeaatquereobiiittsflllohe dieser Öffnung in Bezug auf dl· undurchlässig· FlHohe des kegelstuapffumigen Sohildes 38 und die WinkalbSwegung des kegolstuapfftfraigen SohlIdee 38 (Winkel A jsnr Winkelanordnung der Achsen der Auslassöffnungen 43 (Winkel B ) und die Anordnung der Nase 44 der Brennerspitse tangential iur Basiakante des kegel βtttapff Balgen Sohild«s t8 wirken susaaaen, na die Rückkehr der hei ssen Oase des verbrennenden Brenn-· stoff·· su des Bereich sicherzustellen} In velohe« der Brennstoff duroh die Öffnungen 43 austritt und alt den begrenzten Sauerstoff mengen geaisoht wird, dl« iA dar Abjieleltung 11 sur Verfügung stehen. Die Nase 44 der Brennerspitse 42 ist nach vorn gegenüber einer usllohen Anordnung versetzt angeordnet und die öffnungen 38 sind derart angeordnet, dass die Turbinenabgase einea Bereioh sug«ftthrt werden, der längs der stroaabgewandten Seite des kegelstuapfftfralgen Schildes liegt und dadurdh wird eine ausreichende Menge Sauerstoff sugeftthrt und swar wegen des grOsseren Abgaeroluaens, welches für den sugeftthrtsn
Bronnsteff
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Brennstoff zur Verfügung steht. Auf diese Weise wird ein stabiler Betrieb erzielt. Diese Anordnung der Brennerspitze 42 und der grössere eingeschlossene Winkel A vergrössern den Kaum zwischen den Gasströmen, die aus den Austrittsöffnungen 43 austreten und des kegelstumpfförmigen Schild· Der zusätzliche Raum und die vergrösserte Gesamt— querschnittsfläche der Öffnungen 39 ermöglichen die Zuführung der erforderlichen Sauerstoffmenge in den Bereich der Brennerspitze, um sicherzustellen, dass eine stabile Verbrennung innerhalb des konkaven Abschnittes des kegelstumpf förmigen Schildes 38 stattfindet. Die Verbrennung wird ausreichend stabilisiert, so dass, wenn sich der brennende Brennstoff aus dem Bereich innerhalb des kegelstumpfförmigen Schildes 38 in den Hauptabgasstrom bewegt, eine kontinuierliche stabile Verbrennung stattfindet, bis der Brennstoff vollständig oxydiert ist«
Im Betrieb verändert sich die Strömungsrate der Abgase im Abgaskanal zwischen 20 Fuss pro Sekunde bis zu 100 Fuss pro Sekunde und zwar je nach Art der Turbine und der zugeordneten Anlagen· Eineueschwindigkeit von etwa 50 Fuss pro Sekunde bildet die minimale Strömungsrate für eine zufriedenstellende Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen im Abgaskanal. In den Fällen, in denen die Strömungsgeschwindigkeit unter
dieser
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dieser Strömungsgeschwindigkeit liegt, kann ein Leitblech 46 (Fig. 2) in Abgaskanal 11 angeordnet sein, um eine Querschnittsverengung des Kanales in der Ebene der Basis des kegelstumpfförmlgenSchildes 38 zu bilden. Die Geschwindigkeit der Abgase wird dadurch in dem Bereich erhöht) in dem die Verbrennung des eingeführten Brennstoffes stattfindet·
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine AusfUhrungsform eines Brenners in Verbindung mit einem speziellen Turbinenabgaskanal beschrieben und es sei bemerkt, dass der Aufbau der Brennerköpfe abgeändert werden kann und dass der Innenquerschnitt der Abgasleitung andere Formen haben kann« Derartige Abänderungen liegen im Rahmen der Erfindung*
Patentansprüche
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Claims (3)

  1. Patentansprüche
    1,jAnlage zur Zuführung von Wärme zu · Turbinenabgasen, die etwa 3/-1 des Luftsauerstofi'es enthalten, wobei ein Abgaskanal die Abgase von der Turbine weg führt und die Aussenluft von den Abgasen abschliesst, gekennzeichnet durch eine Brennerspitze (42), die innerhalb des Kanales (ll)angeordnet ist, Leitungen, (41) die einen gasförmigen Brennstoff der Brennerspitze zuführen, wobei die Brennerspitze Auslassöffnungen (43) aufweist, deren Achsen stromab divergieren, einen kegelstumpfför»igen Schild (38), der die Brennerspitze umgibt, und der einen stromabweisenden Uaum aufweist, der einen eingeschlossenen Winkel (A) hat, der wenigstens um 20 grosser ist als der eingeschlossene Winkel (B) der Achsen der Auslassöffnungen, wobei dieser kegelstumpfförmige Schild (38) im Abstand voneinander angeordnete Öffnungen (30) aufweist, deren summierte Querschnittsfläche eine Grosse hat, die im Bereich von 8 bis 12% der Oberfläche des kegelstumpfförmigen Schildes (38) liegt, damit eine gewisse Menge der Abgase zur Brennerspitze (42) gelangen kann, um eine stabile Verbrennung des gasförmigen Brennstoffes aufrechtzuerhalten.
  2. 2.
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    2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Brennerspitzen (42) !■ Kanal (ll) angeordnet ist und dass diese Brennerspitzen in Umfangsrichtung im Abstand voneinander liegen«
  3. 3. Anlage nach Anspruch 1 odor 2, gekennzeichnet durch ein Leitblech (46), welches in Kanal (ll) bei den Breaiierspitzen (22) angeordnet ist und welches bei diesen Brennerspitζen eine Querschnittsverengung bildet«
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