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Brennkammeranordnung für Gasturbinen Die Erfindung bezieht sich auf
eine Brennkammeranordnung für Gasturbinen, mit einem den Verbrennungsraum umgebenden
röhrenförmigen Brennkammereinsatz, an dessen einem Ende Brennstoff- und Primärluft
zugeführt und an dessen anderem Ende die mit Kühlluft gemischten Verbrennungsgase
abgeführt werden. Derartige Brennkammereineätze sind in den verschiedensten Ausführungsformen
bekannt. Insbesondere
sind solche bekannt, deren Wandung aus
einzelnen Blechlamellen derart zusammengesetzt ist, daß vom äußeren zum
inneren Umfang
des Einsatzes führende Kühlluftkanäle gebildet
werden, durch welche
dem äußeren Umfang des Einsatzes mit einem
Druckgefälle zum Ein-
satzinnenraum zugeführte Kühlluft in den Verbrennungsraum
ein-
tritt (Schweizer Patentschrift 255 541). Bei der bekannten Brenn-
kammeranordnung
sind jedoch die Kühlluftkanäle so orientiert, daß die Kühlluft im
wesentlichen axial vom Zwischenraum zwischen Ge-
häuse und Einsatz
in den Einsatzinnenraum eintritt. Die Kühlung
der einzelnen Lamellen
wie auch die Durchmischung der Sekundärluft mit den Verbrennungegasen'befriedigen
hierbei nicht in allen Fällen,
da die azial eintretende Sekundärluft
im wesentlichen ihre Rich-
tung beibehält und die Kühlung der Lamellen
praktisch nur an ihren
Außenseiten wirksam ist. Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammeranordnung für Gasturbinen
zu schaffen, bei welcher
die Kühlung des Brennkawaereinsatzes
und die Durch®ischung der
Verbrennungsgase mit der am äußeren
Umfang des Einsatzes zuge-
führten Kühlluft (Sekundärluft) wesentlich
wirksamer vonstatten
gehen kann. Die Erfindung geht von der
Erkenntnis aus, daß dies
grundsätzlich dann möglich ist, wenn
die vom äußeren-mm inneren
Umfang des Einsatzes führenden Kühlluftkanäle
etwa in Unfangerichtung weisen und deshalb die durch diene zugeführte
Kühlluft
etwa tangential in den Verbrennungsraum eintritt.
Der Kühlluft wird auf diese Weise ein intensiver Drall erteilt, so
daß sich
eIn zyklonartiger Kühlluftechleier bildet, der sich einerseits
auf
Grand der Zentrifugalkraft zunächst gegen die $u kühlenden
Inen. flgchen der Lamellen preßt und der anderereeite
auf Grund seines
Dralles sich rasch mit den zu kühlenden
bsw. zu durohmisohenden Verbrennungsgasen unter Durchwirbelung vermischt.
Gegenstand
der Erfindung ist nunmehr eine Brennkammeränordnüng für Gasturbinen, mit einem den
Verbrennungsraum umgebenden röhrenförmigen Brennkammereineatz, an dessen einem Ende
Brennstoff und Primärluft zugeführt , an dessen anderem Ende die mit Kühlluft gemischten
Verbrennungsgase abgeführt werden und dessen Wandung aus einzelnen Blechlamellen
derart zusammengesetzt ist, daß vom äußeren zum inneren Umfang des Einsatzes führende
Kühlluftkanäle gebildet werden, durch welche dem äußeren Umfang des Einsatzes mit
einem Druckgefälle zum Einsatzinnenraum zugeführte Kühlluft in den Verbrennungsraum
eintritt.Die Erfindung besteht darin, daß etwa plattenförmige Lamellen in Umfangsrichtung
aneinandergereiht und einander überlappend zu Lamellenkränzen vereinigt sind, daß
die zwischen jeweils benachbarten Lamellen gebildeten Überlappungabereiche als sich
verengende Kühlluftdüsen ausgebildet sind, welche über Düsenöffnungen in ihrem Engstellenbereich
etwa tangential in den Verbrennungsraum münden, und daß die Lamellenkränze als axial
aneinanderreihbare Röhrenabschnitte des Brennkammereinsatzes ausgebildet sind. Eine
solche Brennkammeranordnung ist billig in der Herstellung, insbesondere deshalb,
weil der Einsatz aus serienmäßig gefertigten Lamellen zusammengesetzt werden kann,
und erfordert auch nur eine sehr geringe Wartung, da ein sehr guter Kühlungseffekt
für die Einsatzwandung sowie eine sehr gute Durchmischung mit den Verbrennungsgasen
erzielt wird. Ein erfindungsgemäß aufgebauter Brennkammereinsatz wird vorteilhafterweise
so im Brennkammergehäuse untergebracht, daß Jer Brennkammereinsatz über flexible,
elastisch deformierbare, eine radiale und axiale Wärmebeweglichkeit des Einsatzes
gestattende Streben am Brennkammergehäuse aufgehängt ist. Diese Streben greifen
zweckmäßig an Flanschen des Brennkammereineatzes an, welche die . Auflagerkräfte
ohne Verziehen des Einsatzes zu übertragen vermögen. Die einzelnen Lamellenkränze
umgebende Ringflansche werden gemäß
einer Weiterbildung der Erfindung
dadurch gebildet, daß die Lamellen aus einem im wesentlichen ebenen Mittelteil und
radial auswärts abgebogenen Endflanschen bestehen, und daß die Endflansche eines
Lamellenkranzes mit ihren radial verlaufenden End-Kanten aneinanderstoßend, zwei
einander gegenüberliegende geschlossene, ebene Ringflansche bilden. An diesen Ringflanachen.können
die Lamellenkränze als axial aneinanderreihbare Röhrenabschnitte miteinander verbunden
werden.
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Eine besonders preisgünstige und fertigungstechnisch leicht realisierbare
Düsenanordnung wird dadurch erzielt, daß
die Lamellen jeweils mit dem Randbereich
der einen Mittelteil-Längskante auf der dem Verbrennungsraum zugewandten Mittelteil-Innenfläche
der benachbarten Lamelle unter Freilassung von Düsenöffnungen aufliegen, wobei das
jeweils als Auflage dienende Lamellenende mit seinem überlappten, außerhalb des
Verbrennungeraumes liegenden freien Randbereich den äußeren Schenkel eines Düsenkanals,
dagegen das aufliegende Lamellenende den inneren Schenkel bildet. Gemäß einer bevorzugten
Ausführungeform der Erfindung ist der innere Düsenschenkel bogen. förmig nach außen
gebogen und hierdurch ein verstärkt konvergierender, in die Düsenöffnungen mündender
Düsenkanalquerachnitt gebildet, durch welchen die Kühlluft (Sekundärluft) mit wesentlich
vergrößerter Geschwindigkeit leitbar ist. Die Kühlluft kann auf diese
Weise
eine solche Richtung und Geschwindigkeit erhalten, daß
sie die
den
Verbrennungeraum zugewandte Lamellen-Innenflächen
überstreicht und
intensiv
kühlt, wobei ein in Umfangsrichtung
rotierender Kühlluft-
schleier
gebildet ist, der sich unter Wirbelbildung mit den heißen
Verbrennungsgasen leicht
miseht.*Die Düsenkränze der einzelnen Röhrenabschnitte können alle im gleichen (Uhr-
bzw. Gegenzeiger)
Sinn blasen, eine noch bessere Durchmischung wird
jedoch erzielt, wenn die Düsenkränze aufeinanderfolgender bzw. benachbarter Lamellenkränze
abwechselnd im Uhr- bzw. Gegenzeigersinn blasend orientiert sind. Weitere Merkmale
und Vorteile der Erfindung sowie ihre Wirkungeweise werden im folgenden an Hand
der Au,fihrung-3be i°i)iple darstellenden Zeichnung erläutert, in welcher zeigen:
| i'ig. 1 eine Gesamtansicht einer Brennkarnmeranuzci:_@r;# lii |
| binen geciäß der Erfindung, -teil_s im Längsschnitt |
| w=e #7# ct-4erien äii3eren G=>häusetF:.ilen; |
eine Ringkammer 18 gebildet ist, in welche verdichtete Luft eingeführt
wird wie es durch die Pfeile A angedeutet ist, und zwar wird die Kühlluft durch
ein paar gegenüberliegender Einlaßöffnungen 19 und 20, von einem nicht dargestellten
Verdichter oder dergleichen kommend, eingeführt.
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Das Außengehäuse 12 weist ferner ein unterteiltes Endstück 21 auf,
das mit einer Einlaßöffnung 22 versehen ist. Durch diese Einlaßöffnung 22 können
verdichtete Brenngase, z. B. Hochofenabgase, wenn verfügbar, eingeführt werden,
wie es durch die Pfeile B angedeutet ist, und in die i'#rennkammer 15 geleitet werden.
| Das nn:it@@@;h ' 1 i:.-nt ferner zur Aufnaii:Le eines I:z@anzes
ron In ,ektor- |
| düc-!: flr, f@l"*i.._j; T@:n ',de z'.@atf'tir@aii@ren ..@renngtoff
11, durch welche der |
| Brei:n@@ t.i f' f @;i`;l oder F@r@ig=a:) in f#.,iil verte i
!_ te r bz,w. > zerstäub- |
| ter Fc r°.^. in @? < <:1->renrikammer 15 geleitet :y
ira. |
| Im c'i ist fern,-"r ein Luftzuführung-einsatz |
| 25 31:r, %;i.nl:@!3@@ffnliriöen 25 mit verdichteter |
| Luf die `erteilung der Pri.rriä.rl.uf t in der |
| Brenrikanarr.ty z# 15 un terstützt wird. |
| Der F in:>@ @,z ! 4 arid laa Außengeli@iuse 12 =-, ind am Abs
t.^ämungsende |
| (rechter der Figur) über geeignete Kanalanordns;ingen 27 bzw.
28 |
| mit einirr airht ,3ar;,.:stellten Gasturbane verbunden, .-jo
daß im Be- |
| trieb zum Antreiben deg Turbinenläufers, wie an |
| eich b,<@@3ririt, der <iaqturbine zra"aleitet wird. |
| Ein.r@eiF:@;-st<@. .'iifi:le@insatz (Zunder - nicht dargestellt)
ist vorge- |
| sehen, ei;@! -ler Brennöl@:iii:ieri anztlziincicn, lxaa durch
die Zriind- |
| flgtr,,;nt, ;i;.::,i, EILlf#;=t;,:enners das brennbare Gemiech
in der Brennkammer |
| 15, 22 Passierende -renngns und die |
durch die Öffnungen 19,20 zugeführte Kühlluft, entzündet werden
kann. Die heißen Verbrennungsgase werden der nicht dargestellten Gasturbine zugeführt
durch den Überleitkanal 27, wie durch Pfeile C angedeutet.
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Sofern die Brenngasmenge nicht ausreicht, um den lastproportionalen
Treibgasbedarf zu decken, kann zusätzliches Treibmittel in die Brennkammer 15 durch
die Injektordüsen 24 für flüssigen Brennstoff in der gewünschten Menge geleitet
werden.
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Wie an sich bekannt, wird die der Brennkammer 15 zugeleitete Luft
in drei Gruppen unterteilt, und zwar 1. Primärluft, verwendet als Verbrennungsluft,
2. Sekundärluft, welche zur Vermeidung einer Überhitzung des Einsatzes 14 verwendet
wird und dazu, um die heißen Verbrennungsprodukte auf eine Temperatur abzukühlen,
welche der Einsatz 14 verträgt, und 3. Tertiärluft zur weiteren Verdünnung und Kühlung
der heißen Verbrennungsprodukte auf ein Temperaturniveau, welches der Arbeitstemperatur
der nachgeschalteten Gasturbine entspricht. Der Einsatz 14 besteht nun aus einer
Anzahl axial aneinanderreihbarer Röhrenabschnitt 29 und 30 von im wesentlichen zylindrischer
Gestalt, welche mit Ringflanschen miteinander verbunden sind, so daß hierdurch der
Hauptteil des Einsatzes 14 gebildet ist, und einem strömungsoben gelegenen Endteil
32 von kegelstumpfförmiger Gestalt, welches mit seinem äußeren Umfang bzw. einem
Ringflansch mit dem ersten Röhrenabschnitt 29 (linker Teil der Pig. 1) verbunden
ist, ferner aus einem strömungsunten gelegenen Endrohr 33 von etwa zylindrischer
Form, welches an seinem linken äußeren Umfang bzw. mit einem Ringflansch mit dem
letzten Röhrenabechnitt 29 verbunden ist und an seinem rechten Ende mit dem Überleitrohr
27.
Die Röhrenabschnitte 30 werden gebildet von etwa plattenförmigen
Lamellen 35, welche in Umfangsrichtung aneinandergereiht und ein-
ander
überlappend zu Lamellenkränzen vereinigt sind, vg1.-Fig. 2
und
4.
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Die Lamellen 35 sind vorzugsweise gleichartig aufgebaut
und weisen,
wie insbesondere Fig. 4 zeigt, einen Mittelteil 36 von im wesentlichen
ebener Gestalt auf, der jedoch ein Paar einander gegenüberliegender hochgebogener
Randteile 37 und 38 aufweist, ferner ein Paar von hochgebogene Endflanschen 39.
Die Randteile 37 und 38 sind vorzugsweise bogenförmig ausgebildet und der Randteil
37 ist darüber hinaus mit einer Mehrzahl von mit Abstand zu einander angeordneten
Vorsprüngen
40 versehen. Der Mittelteil 36 weist ebene Innen-und Außenflächen 42 bzw. 41
auf (vgl. Fig. 2). Die Endflansche 39 sind
schmäler gehalten als der
Mittelteil 36 und verbreitern sich von
ihrer Basis zu ihrem freien Ende 43
hin, so daß im Falle des Zu-
sammenbaues mit anliegenden Flanschen 39 mit
aneinandergrenzenden Stoßstellen, wie insbesondere Fig. 2 zeigt, sich
die Mittelteile
teilweise überlappen.
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Wenn auf diese Weise die Lamellen 35 zusammengefügt
sind, liegt die
ebene Oberfläche 42 auf der Innenseite der Brennkammer,
d.h. ist
dem Verbrennungaraüm zugewandt, während die
Oberfläche,41 auf der
Außenseite liegt. Demgemäß sind die abgebogenen
Randteile 37 und 38
und die Flansche 39 radial auswärts
gerichtet, und zwar bezüglich
der Längsachee des Brennkammereineatzes
14 bzw. der einzelnen Röhren
abschnitte bzw. Lamellenkränze
29, 30.
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Es ist ersichtlich, daß die Randteile 37. einer einzelnen Lamelle
auf der Innenfläche 42 der benachbarten,
mit der erntgenanuten
Lamelle
sich überlappenden Lamelle aufliegen, und zwar derart, daß der Eingriff zwischen
den beiden Lamellen durch die Vorsprünge 40 begrenzt ist, so daß hierdurch eine
Vielzahl von rechteckförmigen Langlöchern gebildet ist. Benachbarte Lamellen 35
sind mit einem kleinen Winkel `)(, zueinander angeordnet, welcher durch die Breite
des ebenen Mittelteils 36 bestimmt ist, ebenso wie durch die radiale Erstreckung
der hochgebogenen Randteile 37. Auf diese Weise definieren die Außenfläche 41 und
der überlappende Teil der Innenfläche 42 der benachbarten Lamelle gemeinsam einen
enger werdenden Kanal 45, welcher mit den zugehörigen Öffnungen 44 kommuniziert.
Hierdurch werden sich verengende Kühlluftdünen gebildet, welche über die Düsenöffnungen
44 in ihrem Engetellenbereich etwa tangential in
den
Verbrennungsraum münden.
Wie ersichtlich,
werden hierdurch zwei Düsenschenkel gebildet, wobei durch
den bogenförmig nach außen gebogenen inneren Düsensohenkel 37 ein
verstärkt kontergierender, in die Düsenöffnungen 44 mündender Düeenkanalguerechnitt
gebildet ist, durch Welchen
die Kühlluft (Sekundärluft)
mit wesentlich
ver-
größerter Geschwindigkeit leitbar ist.
Der sich,verengende
Verlauf
des Düsenkanalquerechnittes 45 kann noch dadurch unteretüt:t werdet,
daß auch der Randteil 38 als äußerer Düsenschenkel nach außen bogenförmig abgebogen
ist, so daß ein erweiterter, die Kühlluft in den engeren Querschnitt leitender Kanalquerschnitt
erzielt ist. Während des Betriebes wird ein Anteil der Luft A als Verdtimunge-bzw.
Kühlluft durch die Dilsenöffnungen 44 geleitet, wie durch
Pfeile
A 1 angedeutet
iet,so daß süh über den gesamten Lamellenkranz ein Kranz von Dräeen ergibt, welche
einen sich in Umfangsrichtung bewegenden KUh11aftschleier erzeugen. Durch die Konvergenz
der Düsenkanäle
45
| wird, wie erwähnt, der Luft eine hohe Geschwindigkeit mitgeteilt, |
| u,-t: 1.--u!' Urund der gegenseitigen 'Neigung der i,n.@@ ä
l ;n @:.ind d i @@ Diisen |
45, 44 tangential
gerichtet, so maß im Ergebnis die
Innenflächen
42 intensiv von Kühlluft bestrichen werden, wobei eine sehr wirk-
same
Kühlung der Lamellen unter Vermeidung einer gefährlichen Über-
hitzung erzielt
wird.
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Wie Fig.
2 zeigt lenken die Düsen gemäß Pfeilen A 1 die
Luft alle
in die gleiche Umfangsrichtung, beispielsweise im Gegenzeigereinn.
Wie Fig.
3 zeigt, sind die Röhrenabschnitte 29 im wesentlichen
gleichartig
zu den Abschnitten 30 ausgebildet, mit Ausnahme dessen,
maß die Lamellen 35
mit entgegengeeetztgerichteter Überlappung
ange-
ordnet Bind
und miteinander zwischen
den Vorsprüngen 40a befindliohe
Düsenöffnungen 44a.enteprechend
den Düsenöffnungen
44 formen,
ebenso
konvergierende Düeenhanäle
45, wobei jedoch die Kühlluft im
entgegengesetzten
Drehsinne, wie Pfeile A 2 zeigen, d. h. vorliegendenfalls in Uhrseigersinne,gelenkt
wird.
| Die Lae111en 35 dir asial aneinandergereihten baeellenkrünse.bzw. |
| 8öhrenabeohnitte 29 und 30 Bind vorsngeveine gegeneinander
in Ue- |
| tangertottung voreetst, wie lig. 4 seist, so maß
die Flansche 39 |
| den einen Kranzes in nicht fluchtender tlrehenberthrung
mit den Plan. |
| sohen 39 den ugrensenden Kransee stehen, wobei die Stbgstellen
des |
| einen lingflaneoöei durch die ilaneohe den Ungflaneohen
den anderen |
| Iranzen üieoieokt werden. Die einander zugewandten
Plansche sind |
| mittels Sohweißverbinduhgestellen 46 zu einet einheitlichen,
eelbet- |
| tragenden Bauteil verbunden. |
Der
konische Endteil
32 (Big.
1) ist gleichfalls mit einem
Ringflansch
48 versehen, mit welchem der Ringflansch
39 des ersten
Lamellenkranzes
29 mittels Schweißen
verbunden eind,und
in ähnlicher
Weise ist das Endrohr
33 lit einem Undflansch
49 verseben, mit
welchem die Flansche 39 der Lamellen 35
des letzten Lamellenkranzes durch Schweißverbindung verbunden sind. Diese Schweißverbindungen
sind im einzelnen nicht dargestellt.
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Es ist ersichtlich, daß durch die Erfindung ein einheitlicher,rohrförmiger
Brennkammereinsatz geschaffen wird, dessen Mantel zumindest teilweise aus einer
Mehrzahl einzelner Lamellen von im wesentlichen gleicher Gestalt besteht, welche
durch Serien- oder Massenfabrikation leicht und billig herstellbar sind und wobei
sich auch die Montage eines solchen Einsatzes, d. h. das Aneinanderfügen der einzelnen
Lamellenkränze als auch der Einbau innerhalb der Brennkammeranordnung bequem durchführen
läßt, da die Schweißarbeiten außerhalb der Brennkammer vorgenommen werden können.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Röhrenabschnitte 29
und 30 in abwechselnder Orientierung so angeordnet, daß die Kühl- oder Sekundärluft
abwechselnd im Uhr- oder Gegenzeigcrsinn 1.n die Brennkammer 15 geleitet wird. Hierdurch
wird eine besonders gute Verwirbelung der Kühlluft und Durchmiechung mit den Verbrennungsgasen
der Brennkammer erzielt. Jedoch könnte die Zuordnung der Röhrenabschnitte 29, 30
auch so getroffen werden, daß zunächst einige der Röhrenabschnitte 29 Zu einer Abschnittsgruppe
zusammengefaßt werden, hieran eine aus mehreren Abschnitten 30 bestehende Abschnittsgruppe
angereiht wird, hierauf wieder eine Abschnittsgruppe 29 u.s.f., so daß die sich
gegenläufig drehenden Ringzonen axial verbreitert werden, wenn*eine solche gröbere
Unterteilung auereichend erscheint. Ebenso könnten Röhrenabschnitte 29, 30 der
einen oder anderen Orientierung Verwendung finden, wodurch über die gesamte
Brennkammerhöhe eine
Zyklonströmung mit Rechts- oder Linksdrall
erzeugbar wäre. Durch . die Erfindung lassen eich somit ohne zusätzlichen
Aufwand, einfach
durch die Wahl der Lamellenorientierung, vielfältige
Kühlluftströ-
mungen gewünschter Art erzeugen.