DE2157181B2

DE2157181B2 - Brennkammer für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE2157181B2
Application number: DE2157181A
Authority: DE
Inventors: George Edward Clitheroe Lancashire Burrn; William Reeley Burnley Grindley; Alwin Burnley Harrison; Alan Oswaldtwistle Ormerod
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1970-09-11
Filing date: 1971-11-18
Publication date: 1980-09-18
Also published as: FR2160272A1; DE2157181C3; DE2157181A1; US3820324A; GB1357533A; FR2160272B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbine, mit einem ringförmigen äußeren Gehäuse, einem Einlaß zum Gehäuse, dem im Betrieb komprimierte Luft zuleitbar ist, und einem ringförmigen Flammrohr innerhalb des Gehäuses, durch dessen öffnungen Luft eiiutrömt und in dem zwei ringförmige Luftwirbelzonen gebildet werden, -f-obei Brennstoffdüsen auf die stromaufwärts gelegene Luftwirbelzone gerichtet sind.

Aus der FR-PS 14 70 246 ist es bekannt, in einem Flammrohr zwei ringförmige Luftwirbelzonen anzuordnen, von denen eine erste stromaufwärts und eine zweite stromabwärts liegt. Während in die stromaufwärts gelegene Zone Brennstoff eingesprüht wird, geschieht dies bei der stromabwärts gelegenen Zone nicht, da es Zweck der stromabwärts gelegenen Wirbelzone ist, eine Wand oder eine Grenze für die stromaufwärts angeordnete Zone zu bilden. Da bei allen Betriebsbedingungen in eine einzige, gleich große Zone Brennstoff eingesprüht wird, wird bei Leerlaufbedingungen keine optimale Verbrennung erzeugt, weil dann kein optimales Luft/Brennstoffverhältnis vorhanden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß bei jedem Betriebszustand ein optimales Luft/Brennstoffverhältnis besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur gesonderten Einsprühung von Brennstoff in jede der beiden Luftwirbelzonen zweite, getrennt von den ersten gesteuerte Brennstoffdüsen zusätzlich vorgesehen sind, die auf die stromabwärts gelegene Luftwirbelzone gerichtet sind.

Die erfindungsgemäße Brennkammer erzeugt auch bei Leerlaufbedingungen eine optimale Verbrennung, da während des Leerlaufs nur noch in die stromaufwärts gelegene Zone Brennstoff eingesprüht wird und dadurch die Brennzone verkleinert wird. In einer derart verkleinerten Brennzone ist es erheblich einfacher, ein optimales Luft/Brennstoffverhältnis für den Leerlauf zu schaffen. Würde dagegen Zahl oder Größe der mit Brennstoff belieferten Luftwirbelzonen beibehalten, so würde ein völlig anderes Luft/Brennstoffverhältnis während des Leerlaufs entstehen, das nur eine ungünstige Verbrennung mit hohen Abgasverunreinigungen zuläßt

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch aufgeführt

Die Erfindung ist im nachfolgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen ist

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teilschnitts durch eine ringförmige Brennkammer. Ferner

ίο sind

F i g. 2,5,8 und 10 Schnitte durch verschiedene Arten von Brennstoffzufuhrmitteln,

Fig.3, 6, 9 und 11 Ansichten in Richtung der entsprechend bezifferten Pfeile in Fig.2, 5, 8 bzw. 10, und

Fig.4 und 7 Schnitte längs der entsprechenden Linien in F i g. 2 und 5.

Die in F i g. 1 gezeigte Brennkammer hat ein ringförmiges äußeres Gehäuse 10, das mit einem Einlaß 11 versehen ist durch den Druckluft zuleitbar ist Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein ringförmiges Flammrohr 12, das an seinem vorderen Ende 13 so ausgebildet ist daß der größte Teil der Luft in die Ringräume 14 zwischen dem Flammrohr 12 und dem Gehäuse 10 geleitet wird. Das vordere Ende 13 hat eine öffnung 15, über die ein Teil der Luft in einen Raum 16 des Flammrohrs 12 gelangen kann.

Am Ende 13 befindet sich ein weiterer Raum 17, der ein offenes Ende hat, das in Richtung auf den Einlaß 11 gerichtet ist Öffnungen 18 und 19 zwischen den Räumen 16 und 17 sowie dem Rest des Flammrohrs 12 weisen zugeordnete innere Leitstücke 18a bzw. 19a auf, wodurch durch die öffnungen 18 und 19 gehende Luft an der Innenwand des Flammrohrs 12 entlang gelenkt

J5 wird. Zusätzliche öffnungen 20 in den Wänden des Flammrohrs 12 weisen außerdem Mittel zum Richten

eines Luftstroms längs der Innenwand des Flammrohrs auf.

Größere öffnungen 21, die in aus Flammrohr 12

führen, sind im wesentlichen radial zum Flammrohr 12 gerichtet. Ein Luftstrom durch die öffnungen 21 kombinier* sich mit dem Strom durch die öffnungen 18, 19, 20, um zwei ringförmige Wirbelzonen 22 und 23 entstehen zu lassen, die jeweils eine erste bzw. eine zweite Brennzone innerhalb des Flammrohrs 12 bilden. Paarweise angeordnete Brennstoffsprüher, -On denen einer bei 24 gezeigt ist, sind zum Richten vernebelter Brennstoffstrahlen TS, 26 in die erste bzw. die zweite Brennzone eingerichtet.

öffnungen 27 in der Flammrohrwand bilden mit Leitstücken 28 in den Räumen 14 zusammen Mittel zum Lenken von Luft in das Flammrohr 12 in Strömungsrichtung hinter den beiden beschriebenen Brennzonen.
Die Zufuhr von Brennstoff zu jedem der paarweise angeordneten Sprüher 24 wird getrennt geregelt. Bei Boden-Leerlaufbedingungen wird der Strahl 26 zur zweiten Brennzone unterbrochen, so daß das gesamte Brennen in der ersten Zone vonstatten geht, die durch die Wirbelzone 22 bestimmt ist. Dadurch kann ein sehr großes Luft/Brennstoffverhältnis für die Turbine als Ganzes herrschen, während das Verhältnis innerhalb der ersten Brennzone auf einem niedrigeren Wert bleibt, im Einklang mit einem hohen Verbrennungswirkungsgrad.

h'i Die von dem Strahl 26 zugeführte Brennstoffmenge erhöht sich mit zunehmendem Leistungsbedarf der Turbine, wobei die maximale Durchflußmenge des Strahls 26 pro Zeiteinheit etwa das Dreifache der des

Strahls 25 beträgt Bei maximalem Brennstoffdurehtluß in beiden Strahlen 25 und 26 fällt das Luft/Brennstoffverhältnis in jeder Zone nicht unter einen Wert, bei dem eine Verbrennung im wesentlichen vollständig vonstatten geht

Die beschriebene Brennkammer gestattet also einen weiten Bereich an Luft/Brennstoffverhältnissen, mit denen gearbeitet werden kann, um unterschiedlichen Turbinenbetriebsoedingungen gerecht zu werden, während ein hoher Verbrennungswirkungsgrad über die Gesamtheit dieses Bereichs hinweg aufrechterhalten bleibt In der Praxis hat sich herausgestellt daß Luft/Brennstoffverhältnisse von zwischen 145 und 42,4, die jeweils einer Auslauf- bzw. einer Startbedingung entsprechen, eingesetzt werden können, während der Verbrennungswirkungsgrad auf mehr als 99% gehalten wird.

Die Brennstoffzufuhrvarianten, die in Fig.2 bis 4 gezeigt sind, bestehen aus einer Verdampferanordnung 30, die in der Wand eines ringförmigen Flammrohrs 31 sitzt Das Flammrohr 31 ist im wesentlichen in seiner Form dem Flammrohr gleich, das unter Bezugnahme auf F i g. 1 beschrieben worden ist, und es arbeitet wie zuvor, um zwei ringförmige Wirbelbrennzonen 32 und 33 zu bilden. In Wirklichkeit sind eine Anzahl von Verdampferanordnungen 30 an im Winkel versetzten Stellen um das Flammrohr 31 herum angeordnet

Die Verdampferanordnung 30 besteht aus einem Kanal 34 und einem weiteren halbmond- bzw. sichelmondförmigen Kanal 35, der eine gemeinsame Wand mit dem Kanal 34 hat. Der Kanal 34 hat einen Auslaß 37, der sich durch eine Öffnung 36 des Flammrohrs 31 erstreckt Der Auslaß 37 ist radial zum Flammrohr 31 in Richtung auf die Brennzone 33 gerichtet Der Kanal 35 steht mit einem sich quer erstreckenden Kanal 38 in Verbindung, der in zwei Auslassen 39, 40 endet, welche in Richtung auf die Brennzone 32 gerichtet sind. Die Kanäle 34 und 35 sind so ausgebildet, daß sie außen im wesentlichen zylindrisch sind, und sie sind von einer Hülse 41 umgeben, die einen teilringförmigen Lufteinlaß 42 bildet Die Auslässe 37,39,40 und der Einlaß 42 sind so angeordnet daß der Mediumstrum durch sie hindurch den Luftstrom innerhalb des Flammrohrs verbessert, der die Brennräume bzw. Brennzonen 32 und 33 bildet.

Im Betrieb wird ein Luft/Brennstoffgemisch den Kanälen 34 und 35 zugeleitet Der Brennstoff verdampft durch die Wärme des Flammrohrs, und das Luft/Dampfgemisch wird dann den Brennzonen 32 und 33 zugeleitet

Die Variante des Verdampfers, die in Fi g, 5,6 und 7 gezeigt ist unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen dadurch, daß der Verdampfer in der Mitte innerhalb eines Abschnitts des ringförmigen Flammrohrs angeordnet ist Kanäle 44 und 45 haben jeweils Auslässe 46, 47, die wie vorstehend so angeordnet sind, daß der Mediumstrom durch sie

ίο hindurch die Wirbelbildung in den jeweiligen Brennzonen verstärkt

In Fig.8 und 9 ist eine weitere Form eines Verdampfers gezeigt Jeweils einer einer Anzahl von Verdampfern 50 erstreckt sich radial in das ringförmige

is Flammrohr 51 und besteht aus einem röhrenförmigen Teil 52, zwei Querrohren 53, 54, die mit dem Teil 52 in Verbindung stehen, und zwei Auslässen 55, 56, die den Rohren 53 bzw. 54 zugeordnet sind und radial nach außen dem Flammrohr 51 gegenüber gerichtet sind. Das Teil 52, die Rohre 53,54 und die Ausrisse 55, 56 haben eine Längsteilung 57 zur Bildung zwe';r Kanäle für Medium. Die Verdampfer 50 sind so innerhalb des Flammrohrs 51 angeordnet daß sie sich an einer Stelle zwischen den Brennzonen befinden, die innerhalb des Flammrohrs gebildet sind, wie das vorstehend beschrieben worden ist und durch die Auslässe 55 und 56 fließendes Medium wirkt wie zuvor, um die vorhandenen Wirbel zu verstärken. Ein Brennstoff-Luftgemisch von den Kanälen im Verdampfer 50 gelangt in die angrenzende Brennzone.

Andere Mittel zur Zufuhr von Brennstoff zum Flammrohr gemäß der Erfindung sind in F i g. 10 und 11 gezeigt. Ein ringförmiges Flammrohr 60 ist wie zuvor mit Lufteinlässen versehen, die zur Bildung von Brennzonen 61 und 62 wirksam werden. Das Flammrohr 60 ist außerdem mit einer inneren ringförmigen Abflußrinne 63 versehen, in die sich eine Anzahl von Brennstoffzufuhrrohren 64 erstrecken. Das Flammrohr 60 weist ferner eine Anzahl von Luftschippen 65 auf, die radial gerichtete in Strömungsrichtung vorne liegende Enden 66 haben, wobei sich Brennstoffrohre 67 dort hineinerstrecken.

Im Betrieb gelangt Brennstoff in die Rinne 63 und in die Schippen 65 und läuft von deren in Strömungsrich-

tung vorne liegenden Öffnungen in den jeweiligen Wirbel der Zone 61 bzw. 62. Der Brennstoff verdampft mindestens teilweise durch die Wärme vom Flammrohr vor Einlaufen in die Brennzonen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Brennkammer für eine Gasturbine, mit einem ringförmigen äußeren Gehäuse, einem Einlaß zum Gehäuse, dem im Betrieb komprimierte Luft zuleitbar ist, und einem ringförmigen Flammrohr innerhalb des Gehäuses, durch dessen öffnungen Luft einströmt und in dem zwei ringförmige Luftwirbelzonen gebildet werden, wobei Brennstoffdüsen auf die stromaufwärts gelegene Luftwirbelzone gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur gesonderten Einsprühung von Brennstoff in jede der beiden Luftwirbelzonen (22,23; 32,33; 61, 62) zweite, getrennt von den ersten gesteuerte Brennstoffdüsen zusätzlich vorgesehen sind, die auf die stromabwärts gelegene Luftwirbelzone (23; 33; 62) gerichtet sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Brennstoffdüsen für einen größeren Brennstoffdurchfluß ausgelegt sind als die ersten.