DE2907918A1

DE2907918A1 - Brennkammer zur verbrennung gasfoermigen treibstoffs niedrigen waermewerts

Info

Publication number: DE2907918A1
Application number: DE19792907918
Authority: DE
Inventors: Robert Lawrence Vogt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-03-01
Filing date: 1979-03-01
Publication date: 1980-01-10
Also published as: IT7920609A0; IT1110148B; NO790674L; NO151844B; GB2015651B; NL7901172A; JPS54133212A; GB2015651A; US4236378A; FR2418867A1; NO151844C

Description

Brennkammer zur Verbrennung gasförmigen Treibstoffs niedrigen Wärmewerts

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer und speziell auf eine Brennkammer zur Verbrennung von gasförmigen Treibstoff niedrigen Wärmewerts,wie beispielsweise Leuchtgas in einer Hochtemperatur-Gasturbine.

Unwegbarkeiten in den zukünftigen Kosten und in der Verfügbarkeit von Erdöl und Erdgas, verbunden mit dem Reichtum mancher Länder an Kohle haben das Interesse an der Verwendung von aus Kohle gewonnenen brennbaren Gasen niedrigen Wärmewerts in Gasturbinen geweckt. Eine dieser erwünschten Anwendungsformen von Leuchtgas niedrigen Heizwertes, dh. eines Heizwertes, der nur etwa dem zehnten Teil dessen von Naturgas entspricht, besteht in einem System, in welchem eine Kohlevergasungsanlage mit einer kombinierten Gas-/Dampfturbine zur Erzeugung von Grundlastversorgungsstrom integriert ist.

Eine Brennkammer für eine Gasturbine des oben beschriebenen Systems oder für jede Gasturbine, die mit Brenngasen niedrigen Heizxvertes betrieben wird, muß verschiedene Randbedingungen erfüllen. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muß die Brennkammer mit hohen Feuerungstemperaturen betreibbar sein, und im speziellen mit Temperaturen, die näher an den maximalen, für den betreffenden Kraftstoff erreichbaren Flammtemperaturen liegen als Brennkammer, die mit Kraftstoffen hohen Wärmewerts betrieben werden. Die Leuchtgasbrennkammer muß auch mit Treibstoff-Luftverhältnissen arbeiten können, die mehrfach so hoch sind wie jene von Brennkammern, die gewöhnliche Brenngase, wie beispielsweise Naturgas, verarbeiten. Weiterhin müssen Einrichtungen vorhanden sein, die eine vollständige Durchmischung des Leuchtgases mit Luft sicherstellen, weil für eine gewünschte gegebene

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Brennerausgangstemperatur eine Verringerung der Luftmenge dazu verwendet werden kann, die Brennerausgangstemperatur zu beeinflussen. Außerdem sollte die Leuchtgasbrennkammer minimale Wärmeverluste aufweisen, einen geringen Kühlmittelbedarf haben, gute Flamm- und Stabilitätseigenschaften aufweisen, geringe Emissionen haben und leicht herstellbar und servicefreundlich sein.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer anzugeben, die mit gasförmigem Treibstoff niedrigen Wärmewerts als Primärtreibstoff betreibbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Brennkammer ist in der Lage, Gastemperaturen bis etwa 1430° C zu liefern. Sie ist voll luftgekühlt, benötigt keine externen Kühlmittelzuführeinrichtungen und ist kompakt und einfach aufzubauen.

Die Brennkammer, eine von mehreren separat demontierbaren Kammern, die im Umfang verteilt um die Gasturbinenachsc angeordnet sind, um einen Brenner zu bilden, ist von doppelwandigem Aufbau und weist einen kreissektorförmigen Querschnitt auf. Eine äußere Schalenwand der Brennkammer nimmt im wesentlichen alle Druckkräfte während des Betriebs auf und trägt außerdem eine innere Auskleidungswand, die ihrerseits die thermische Belastung aufnimmt. Zwischen diesen beiden Wänden ist ein Kühlmittelkanal angeordnet, der eine Luftströmung entgegen der Strömungsrichtung der Brenngase in der Brennkammer führt und eine Konvektionswirkung der Wände hervorruft. Die Tafeln, die die innere Auskleidungswand bilden, sind mit Rillen versehen, die es erlauben,

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daß ein Teil der Kühlmittelströmung in die Verbrennungszone einfließt und einen Kühlmittelfilm auf der Auskleidungswand bildet. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, die die übrige, in dem Kühlmittelkanal befindliche Gasströmung am stromaufwärtig gelegenen Ende der Brennkammer in diese als vorerwärmte Verbrennungsluft einleiten. Weiterhin sind Teil der Brennkammer Anordnungen zum Zuführen von Leuchtgas, zusätzlicher Verbrennungsluft und Verdünnungsluft in die Verbrennungszone, weiterhin eine Düse zur Zuführung flüssigen Kraftstoffs während des Anlaufens der Gasturbine und während starker Belastung. Die aus Sektoren gebildete Brennkammer nach der Erfindung benötigt keinen Übergang zwischen Brenner und Turbine, hat Wände, die voll luftgekühlt sind und sich voneinander trennen lassen, weiterhin ist sie mit hohem Wirkungsgrad bei Feuertemperaturen bis zu 1650° C betreibbar.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Teils einer Gasturbine mit weggebrochenen Abschnitten, um eine der Brennkammern freizulegen;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Brennkammer nach Fig. 1; Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 von Fig. 2;

Fig. 4 eine Seitenansicht der Brennkammer längs der Linie 4-4 von Fig. 2;

Fig. 5 eine perspektivische Seitenansicht der Auskleidungswand und der Druckschale, die Details der Befestigungseinrichtung und die Richtungen der Kühlmittelströmung erkennen läßt;

Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen Wandabschnitt;

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Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer modifizierten Auskleidungstafel;

Fig. 8 eine stirnseitige Ansicht der Tafel nach Fig. 7;

Fig. 9 einen Teil der Auskleidungswand nach dem Stand der Technik und nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 einen Querschnitt durch ein Treibstoff- und Verbrennungsluftzuführungssystem, längs der Linie 10-10 von Fig. 4 genommen;

Fig. 11 einen Querschnitt eines modifizierten Treibstoff- und Verbrennungsluftzuführungssystems, in welchem mehrere Düsenanordnungen anstelle einer einzigen Düsenanordnung nach Fig. 10 verwendet werden, und

Fig. 12 einen Querschnitt durch ein Treibstoff- und Luftzuführungssystem ähnlich dem von Fig. 10, jedoch mit zusätzlichem Luftwirbier.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Gasturbine 20, die eine Brennkammer nach der vorliegenden Erfindung enthält. Die Gasturbine 20 hat einen kreisförmigen Querschnitt mit einer Mittenachse 22, längs der im Abstand zueinander und in einem Gehäuse 24 ein Verdichter 26, ein Verdichter 28 und eine Turbine angeordnet sind. Während des Betriebes der Gasturbine 20 verbrennt ein Brenner 2 8 Treibstoff mit vom Verdichter 26 komprimierter Luft. Ein Teil der Energie der den Brenner verlassenden heißen Gase wird dann in der Turbine 30 abgebaut, die den Verdichter 26 und einen geeigneten Abnehmer, beispielsweise einen Stromgenerator antreibt.

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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Brenner 28 eine Vielzahl von Brennkammern, beispielsweise die Kammer 32, die um die Achse 22 herum axial unmittelbar stromaufwärts von der Düse 34 der ersten Turbinenstufe angeordnet sind. Tragelement für die Brennkammer 3 2 an ihrem stromabwärts gelegenen Ende ist ein Flansch 36, der mit der Außemrand 38 der Turbinendüse 30 verschraubt ist. Am stromauf wärtigen Ende wird die Brennkammer von einem Treibstoffrohr 40 getragen.

Die Brennkammer 32 ist detaillierter in den Fig. 2 bis 5 dargestellt, die drei orthogonale Ansichten derselben zeigen. Die Seitenansicht nach Fig. 2 oder die Draufsicht nach Fig. zeigen, daß die Brennkammer 32 von einer äußeren Schalenwand 42, die die Druckbelastung während des Betriebes aufnimmt, und einer Auskleidungswand 44 (gestrichelt dargestellt) besteht, die im wesentlichen die thermische Belastung aufnimmt. Dieses doppelwandige Konzept trennt die thermischen Belastungen und die Druckbelastung voneinander, so daß Ermüdungsprobleme, die normalerweise ein sehr begrenzender Faktor in Hochtemperatur-Brennkammern sind, entfallen. Wie auch Fig. 2 zeigt, sind das Kraftstoff- und Verbrennungsluftzuleitungssystem nahe dem stromaufwärtig gelegenen Ende 46 der Brennkammer 32 angeordnet und hier gestrichelt mit 48 eingezeichnet. Weiterhin sind Reihen primärer und sekundärer Verdünnungsluftlöcher 50 und 51 und Kühlluftlöcher 52 in der Schalenwand 42 ausgebildet.

Die Querschnittsgestalt der Brennkammer 32 ist, wie Fig. 3 zeigt, etwa die eines Kreissektors mit der Achse 22 der Gasturbine 20 als Zentrum. Diese Gestalt verläuft von etwa einem quadratischen Querschnitt nahe dem stromaufwärtigen Ende 46 der Brennkammer 32 bis zu einem etwa kreissektorförmigen Querschnitt vom entsprechenden Bruchteil des Gesamtkreises an der Turbinendüse 34 der ersten Turbinen-

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stufe am stromabwärtigen Ende 54 der Brennkammer. Diese Brennkammerforin beseitigt die Notwendigkeit von Übergängen zwischen der Brennkammer 28 und der Turbine 30, wie sie bei üblichen Brennkammern kreisförmigen Querschnitts notwendig sind. Man koi.^iit hierdurch zu einer kürzeren Gasturbine und man erreicht auch eine Vereinfachung an der Kühleinrichtung, da die spezielle Form von Übergangsstücken, die einen Übergang von eckigen zu kreisförmigen Querschnitten herstellen, in Verbindung mit der erwünschten Verbrennungshöchsttemperatur von 1650° C den Einsatz einer Wasserkühlung an dem Übergang erforderlich macht, was höchst kompliziert ist und den Betrieb stört. Die Einfachheit des ringförmigen Aufbaas erleichtert auch im Gegensatz zu einer Konstruktion mit kreisförmiger Brennkammer und Übergangsabschnitten Strömungstrennungsprobleme und die Einstellung eines gewünschten kleinen Divergenzwinkels der Auskleidungswand 44 gegen die Brennkammerachse 56 (siehe Fig. 2), so daß die Strömungstrennung und die resultierenden thermischen Beanspruchungen und Drehmomentverluste vermieden werden.

Die doppelwandige Konstruktion und die Treibstoff- und Luftströmungsanordnung der Brennkammer 32 sind in den Fig. 4 und 5 anschaulich dargestellt, die entsprechende Seiten- und perspektivische Ansichten der Brennkammer 32 zeigen. Die gerippte äußere Schalenwand 42, die vorzugsweise aus einer handelsüblichen, hochfesten Nickellegierung, wie Inconel 718, besteht, stellt den mechanischen Träger für die Auskleidungswand 44 dar und nimmt weiterhin im wesentlichen die gesamte Druckbelastung während des Betriebs des Brenners 28 auf. Die gerippte Konstruktion der Schalenwand 42 bringt eine hohe Steifigkeit, die etwa vierzigmal so groß ist wie die Steifigkeit einer Platte vergleichbarer Dicke, wodurch Biegungs- und Vibrationsbelastungen aufgenommen werden können. Weiterhin bringt diese Konstruktion eine Rillen- und Lippenanordnung innerhalb der Schalenwand 42 hervor, die im Detail in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Anordnung

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umgreift Träger, beispielsweise Träger 58, die die Auskleidungsxtfand 44 halten. Mit Hilfe von Kühleinrichtungen, die später noch erläutert \verden, ist es möglich, die Schalenwand 42 bei Temperaturen zu betreiben, die etwa 260 bis 315 C niedriger liegen als die der Auskieidungswand 44, wenn Treibstoff geringen Wärmeiirerts verbrannt wird, und mit vernachlässigbaren Temperaturgradienten zwischen seiner Innen- und Außenseite.

Innerhalb der Schalenwand 42 und getrennt davon, aber von ihr durch Tafelhalter 58 getragen, ist die Auskleidungswand 44 angeordnet, die aus einer Vielzahl sich überlappender Tafeln 60 besteht, wie deutlich aus den Fig. 5 und 6 hervorgeht. Wie Fig. 3 zeigt, weist die Auskleidungswand 44 im Querschnitt gesehen ein segmentiertes Aussehen auf, was von dem Obereinandergreifen der Kanten anstoßender Tafeln, beispielsvreise der Tafeln 60a und 60b herrührt. Wie aus Fig. 4 von der Seite erkennbar, xverden die stromaufwärts gelegenen Enden der Tafeln, beispielsweise 6Od, von den stromabwärts gelegenen Enden der benachbarten Tafeln, hier 60c, überlappt, so daß sich insf · samt eine schuppenartige Struktur ergibt. Während des Betriebs der Gasturbine 20 nimmt die Auskleidungswand 44 faktisch alle Wärmegradienten auf, denen die Brennkammer 32 ausgesetzt ist, weil in der Verbrennurigszone 62 die Flamme vorhanden ist und die Auskleidungswand von der Hinterseite gekühlt wird. Die Tafeln der Auskleidungswand 44 sind vorzugsweise aus einer hochtemperaturfesten Nickellegierung, wie beispielsweise Udimet 500, oder aus einer Kobaltlegierung, wie beispielsweise MAR-M 509, hergestellt. Beide Materialien sind handelsüblich.

Die Anordnung zur Aufhängung der Auskleidungswand 44 an der äußeren Schalenwand 42 ist in den Fig. 3 bis 6 dargestellt. Wie die Fig. 5 und 6 zeigen, weist jede Auskleidungstafel 60 mehrere Träger 58 auf, die fest mit ihr verbunden in gleichmäßigen Abständen und ungefähr parallel zur Richtung der Kühlmittelströmung angeordnet sind. Diese Kühlmittelströmung herrscht in einem Kühlmittelkanal 63, der von der

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Schalenwand 42 und der Auskleidungswand 44 begrenzt wird. Jeder Tafelhalter 58 besteht aus einer langgestreckten Rippe 64 mit einem Haken 66 am stromabwärtigen Ende und einer Stütznase an seinem stromaufwärtigen Ende. Wie am besten aus Fig. 6 erkennbar ist, greift der Haken 66 in eine Rille 70, die in der gerippten Schalenwand 42 ausgebildet ist, um dort hinter eine Lippe 72 zu greifen. Der Haken 66 wird in der Rille 70 durch einen Sicherungsring 73 festgehalten, der aus mehreren Segmenten kreisförmigen Querschnitts besteht, die in die Rille 70 eingesetzt werden, nachdem dort der Haken 66 hinter die Lippe 72 gebracht ist. Der Sicherungsring 73 wird seinerseits in der Rille 70 durch Nasen 74 gehalten, die an dem Tafelhalter 75 der nächsten stromabwärts gelegenen Tafel 60 ausgebildet ist. Der Rippenabschnitt 64 und der Haken 66 tragen zur Versteifung und zur Vergrößerung der Kühlfläche der Tafel 60 bei, wodurch Temperaturspitzen und Temperaturgradienten und Belastungen abgebaut werden. Weiterhin dienen sie auch der Beeinflussung der Kühlmittelströmung im Kanal 66.

Eine alternative Ausführungsform ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt, die eine Auskleidungstafel 76 zeigen, die mit Rippen 77 an ihrer Rückseite versehen ist. Einige dieser Rippen weisen eine Wulst 78 auf, die die Aufhängevorrichtung für die Tafel 76 bilden, ohne daß Sicherungsringe nach Art von Fig. 6 verwendet werden müssen. Wie Fig. 8 zeigt, wo eine Tafel 76 im installierten Zustand dargestellt ist, sind die Wülste 78 von Rillen 79 in der äußeren Schalenwand 80 aufgenommen. Die Rillen 79 sind im Querschnitt etwas größer als die Wülste 78, um thermische Ausdehnung zu erlauben, und verlaufen im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der Kühlluft anstelle von senkrecht dazu, wie es die Rillen 70 bei dem ersten Ausführungsbeispiel tun.

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Zur Beeinflussung der Temperatur der Brennkammerelemente wird eine Konventions- und Oberflächenkühlung verwendet. Die Kühlanordnung ist von beachtlicher Bedeutung, wenn hohe Wirkungsgrade und die dazu erforderlichen hohen Feuerungstemperaturen die nahe an den adiabatischen stöchiometrischen Temperaturgrenzen von Leuchtgas niedrigen Heizwertes liegen, verlangt \irerden. Wie oben beschrieben, begrenzen die äußere Schalenwand 42 und die innere Auskleidungswand 44 zwischen sich einen Kühlluftkanal 63, dem Kühlluft vom Verdichter 26 (siehe Fig. 1) durch Kühlluftlöcher 52 in der Schalenwand 42 nahe dem stromabwärtigen Ende der Brennkammer 3 2 zugeführt wird. Während des Betriebes der Gasturbine 20 strömt durch den Kanal 63 in entgegengesetzter Richtung zur allgemeinen Strömungsrichtung in der Brennkammer eine Kühlluftströmung an der gesamten Auskleidungswand 44 entlang. Diese Kühlluftströmung kühlt die Außenseite der Auskleidungswand 44 und die Innenseite der Schalenitfand 42. Die Wirksamkeit des Wärmeübergangs lord durch die gewählte Strömungsrichtung der Kühlluft verbessert, da die kühlste Luft den heißesten Abschnitt (das stromabxtfärtige Ende) jeder Auskleidungstafel zuerst erreicht. Jede Auskleidungstafel 60 nach Fig. 5 weist in der überdeckten Lippe 82 nahe ihrem stromabwärtigen Ende Rillen 81 auf, durch welche aus der Kühlluftströmung eine Teilströmung nach Umkehr der Bewegungsrichtung um 180° abzweigen kann. Diese abgezweigte Strömung fließt durch die Rillen 81 in den Verbrennungsraum aus und streicht dort an der Auskleidungswand 44 entlang. Sie bildet dort einen Kühlluftfilm. Nahe dem stromaufwärtigen Ende 46 der Brennkammer 32 weist eine Führungswand 83, die an der Schalenwand 42 mittels einer Flanschverbindung 84 befestigt ist, einen ü-förmigen Abschnitt auf, der zusammen mit einem Wirbeltopf 85 einen U-förmigen Abschnitt des Kühlluftkanals 63 bildet, der die verbliebene Kühlluftströmung um 180 umkehrt und nun als vorgewärmte Verbrennungsluft durch den Wirbler 86 in die Verbrennungszone 62 einleitet.

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Die Kombination der Konvektionskühlung mit dem Kühlfilm bringt eine hohe Effektivität, weil die gesamte Kühlluft der Verbrennungszone zugeführt wird und somit praktisch jeder Wärmeverlust aus der Auskleidungswand 44 wieder in die Verbrennungszone zurückgeführt wird. Da die Luft, die der Verbrennungszone 62 durch den Wirbler 86 zurückgeführt wird, im Gegenstrom vorgeheizt worden ist, wird die Durchmischung mit Treibstoff und das Zündverhalten verbessert, die Flammausbreitung erfolgt besser und die Verbrennungsstabilität ist ebenfalls verbessert. Die Reaktionszeit wird herabgesetzt.

Die Kühlluftrillen 81 bilden eine einzigartige Anordnung zum Zuführen von Luft aus dem Kühlluftkanal 63 längs der abgedeckten Lippen 82 der Tafeln 60 als ununterbrochener Film auf die Innenseite der benachbart stromabwärts liegenden Tafel. Die Rillen 81 senken den Temperaturgradienten und dadurch die hohen Belastungen, wie sie bei den bekannten Brennkammern hinzunehmen sind (siehe Fig. 9). Bei den bekannten Anordnungen kann eine Überkühlung der Lippe am Auftreffpunkt (Punkt A) der Kühlgasströmung auftreten, was zu einem Verwerfen der Lippe führen kann. Abstandshalter, Vertiefungen und andere mechanische Hilfsmittel an der Lippe, die dieses Problem beseitigen sollen, unterbrechen nur den Kühlluftstrom und setzen den Gesamtwirkungsgrad herab. Im Vergleich hierzu führen die Rillen 81 der vorliegenden Erfindung zu niedrigeren Wärmeübergangskoeffizienten und daher verringerten Temperaturgradienten, weil sich ein sanfter ununterbrochener Strom im Lippenbereich ergibt. Es wird ein geeigneter Wärmefluß und damit eine Temperaturspitze an den Lippen vermieden, weil eine lokale Vergrößerung der Oberfläche im Lippenbereich jeder Tafel gegeben ist. Die Rillen 81 verbessern auch den konvektiven Wärmeübergang zwischen der Gegenströmung im Kanal 63 und der Außenseite der Auskleidungstafeln, weil

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im Bereich nahe der Rillen 81 eine Grenzschicht hinweggewaschen liird, die anderenfalls die Tafeln von einer effektiven Kühlung abschirmen würde.

Zur Treibstoffzuführung bedient sich die Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 5 eines einzigen Kraftstoffrohres 40 von vorzugsxtfeise kreisförmigem Querschnitt, das konzentrisch zur Achse 56 der Brennkammer angeordnet ist. Das Treibstoffrohr 40 ist zur Zuführung von Leuchtgas niedrigen Wärmewerts in die Verbrennungszone 62 vorgesehen und dient auch dazu, das stromaufwärts gelegene Ende der Brennkammer 3 2 gegen radiale und transversale Belastungen abzustützen, während es eine uneingeschränkte axiale Beweglichkeit entsprechend den thermischen Erfordernissen ermöglicht. Wie am besten aus den Fig. 4 und 5 erkennbar ist, befindet sich innerhalb des Treibstoffrohres 40 konzentrisch eine Düse 88 für flüssigen Treibstoff, welcher insbesondere zum Anlassen des Brenners benötigt wird. Ein Leuchtgaswirbier 90 ist auf der Düse 88 angeordnet und enthält Schaufeln 92, die das Leuchtgas in x^irbelnde Bewegung versetzen, um die Durchmischung von Leuchtgas und Verbrennungsluft zu fürdern. Um eine geeignete Zuführung von wirbelnder Verbrennungsluft in die Verbrennungszone 62 sicherzustellen, weist der U-förmige Abschnitt der Wand 83 nach außen einen Abstand vom Treibstoffrohr 40 auf, um einen Primärluftkanal 94 freizulassen. Zwischen dem Treibstoffrohr 40 und U-förmigen Wandabschnitt ist ein Primärluftwirbler 96 angeordnet.

Einen Querschnitt durch das Treibstoff- und Verbrennungsluftzuführsystem der Brennkammer 32 längs der Linie 10-10 von Fig. 4 ist in Fig. 10 dargestellt. Um eine gute Durchmischung von Leuchtgas und Luft sicherzustellen und um Reibungsverluste gegeneinander rotierender Luftschichten zu vermeiden, sind der Wirbler 86 für vorgewärmte Luft und der Primärluft-96 so eingerichtet, daß die von ihnen erzeugten.

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Wirbel in der gleichen Richtung verlaufen, jedoch umgekehrt zu der Wirbelrichtung, die dem Leuchtgas vom Wirbler 90 aufgezwungen wird. Ein modifiziertes System ist in Fig. 11 dargestellt, in welchem anstelle der einzigen Düsenanordnung 9 8 nach Fig. 10 insgesamt fünf Düsenanordnungen vorgesehen sind. Dies erlaubt, freilich bei gewisser Komplexität, den Einsatz von Wirbeltöpfen kleinerer Durchmesser und reduziert die Gefahr des Auftretens schädlicher, aus der Brennkammer stammender Druckpulsationen. Wie Fig. 11 zeigt, enthält die zentrale Düsenanordnung 102 innerhalb des Wirbeltopfes 104 einen Leuchtgaswirbier 106, einen Primärluftwirbler 108 und eine Düse 110 für flüssigen Treibstoff. Aus Vereinfachungsgründen ist keine Vorsehung dafür getroffen, daß die vorgewärmte Luft durch die Düsenanordnung 102 streicht. Die vier gleichartig aufgebauten äußeren Düsenanordnungen, wie beispielsweise die Anordnung 112, enthalten jeweils einen Wirbeltopf 114 und, mit abnehmendem Radius gesehen, den Wirbler 116 für vorgewärmte Luft, einen Primärluftwirbler 118 und einen Leuchtgaswirbler 120.

Die Anordnung des Leuchtgaswirbiers 106 nahe der Außenseite der zentralen Düsenanordnung 102 und des Leuchtgaswirbiers 120 nahe dem Zentrum der äußeren Düsenanordnung 112 vermeidet es, daß man nahe der Auskleidungswand 42 eine Leuchtgasschicht erzeugt. Außerdem ergibt sich eine sehr wirksame Durchmischung von Leuchtgas und Luft schon gleich nach dem Verlassen der Wirbler. Das Leuchtgas wird nur von Luft im Gegenstrom umspült und auf diese Weise werden Strömungsmomentwechsel in der Hauptsache dafür benutzt, um Treibstoff mit Luft zu durchmischen und nicht um Treibstoff mit Treibstoff zu vermischen. Die Anordnung des Primärluftwirblers 108 der zentralen- Düsenanordnung 102 zwischen der Düse 110 für flüssigen Treibstoff und den Leuchtgaswirbier 106 ist ebenfalls bedeutsam, um einen sanften Übergang vom Leerlaufbetrieb, in welchem nur flüssiger Treibstoff verbrannt wird, zum Lastbetrieb zu vollziehen, in

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welchem nur Leuchtgas verbrannt wird. Dies ist beispielsweise oberhalb von 20 % der Nennlast der Fall. Während der Übergangsperiode werden nämlich beide Treibstoffarten durch die zentrale Düsenanordnung 102 zugeführt, und wenn keine Luft zwischen diese beiden Treibstoffe gelangt, dann kann die Flamme aufgrund von Sauerstoffmangel verlöschen. Aus dem gleichen Grunde kann die Düsenanordnung nach Fig. 10 so modifiziert x^erden, daß sie, wie Fig. 12 zeigt, einen Wirblerring 122 und zusätzliche Primärluftwirbler 124 zwischen der Düse 88 und dem Leuchtgaswirbier 126 bildet.

Die Betriebsweise soll nachfolgend erläutert werden. Während der Inbetriebsetzung und des Betriebes bei niedriger Last (beispielsweise bei einer Belastung unterhalb 20 % der Nennlast) wird ein flüssiger Treibstoff, wie beispielsweise destilliertes Heizöl, durch die Düse 88 in die Verbrennungszone 62 geleitet. Unter Hochdruck stehende Luft aus dem Verdichter 26 tritt durch die Primärluftwirbler 94, durch die Kühlluftlöcher 52 nahe dem stromabwärts gelegenen Ende der Schalenwand 42 und vorzugsweise auch durch die Leuchtgaswirbler 90 in die Brennkammer 32 ein. Bei niedriger Belastung wird, wie zuvor erwähnt, durch das Treibstoffrohr 40 kein Leuchtgas zugeführt. Eine Leuchtgaszuführung mag auch unterbleiben, wenn kein Leuchtgas ausreichender Qualität zur Verfügung steht, wie es beispielsweise beim Anfahren einer Kohlevergasungsanlage der Fall ist. Wenn die Last eine bestimmte Grenze, beispielsweise die erwähnten 20 % der Nennlast, übersteigt, wird durch das Treibstoffrohr 40 anstelle von Luft nun Leuchtgas zugeführt und der Anteil des flüssigen Treibstoffs wird allmählich auf Null herab gesetzt. Die Kühlluft, die durch die Löcher 52 eintritt, fließt entlang des Kühlluftkanals 62 zwischen den beiden Wänden 42 und 44 in entgegengesetzter Richtung zur Strömung in der Verbrennungszone 62. Sie kühlt die Wände und wird

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dabei vorgewärmt. Ein Teil dieser Kühlluft, beispielsweise zwei Drittel davon, wird um 180° umgelenkt und strömt durch die Rillen 81 (Fig. 5 und 6) in die Brennkammer und bildet einen kühlenden Film auf der Innenseite der Auskleidungstafeln 60. Der verbleibende Kühlluftstrom im Kanal 63 wird am Ende desselben durch die Wand 83 nahe dem stromaufwärtigen Ende 46 der Brennkammer 32 um 180 umgelenkt und gelangt durch den Wirbler 86 für vorgewärmte Luft in die Verbrennungszone 62. Während die Mischung aus vorgewärmter wirbelnder Luft und Treibstoff innerhalb der Verbrennungszone 62 brennt und gegen das stromabwärtige Ende 54 der Brennkammer 62 strömt, wird primäre und sekundäre Verdünnungsluft durch die Löcher 50 und 51 in die Verbrennungszone 62 eingeleitet. Diese Verdünnungsluft hilft die Verbrennungsgeschwindigkeit und die Ausgangstemperatur der Brennkammer zu regeln und einen Teil der den Kühlfilm bildenden Luft anzusaugen. Auf diese Weise geht keine Wärme verloren. Nachdem d:< > stromabwärtige Ende der Brennkammer 32 und zugleich eine Temperatur zwischen 1430 und 1650° C erreicht ist, gelangt die Gasströmung in eine Turbine 30, in der die Energie zum Antrieb des Verdichters 26 und einer geeigneten Last verbraucht wird. Weil die Verweilzeit bei hoher Temperatur auf ein Minimum herabgesetzt ist und die stöchiometrische Flammtemperatur des Leuchtgases niedrigen Heizwertes sehr viel geringer ist als jene der hochenergetischen Naturgase oder flüssigen Kraftstoffe, erzeugt die vorgenannte Verbrennung niedrige Anteile von NO , d.h. Oxiden des Stickstoffs, die aus dem Stickstoff der Luft gebildet werden. Sie erzeugt jedoch etwas höhere Anteile von NO aus der Umwandlung des im

Treibstoff vorhandenen Stickstoffs, wenn entsprechende Anteile von NH.-Gruppen im Leuchtgas vorhanden sind.

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Claims

Ansprüche

1.,/Brennkammer in einer Gasturbine zur Verbrennung gasförmigen Treibstoffs niedrigen Wärmewerts gekennzeichnet durch: eine äußere Schalenwand (42), eine koaxial innerhalb davon angeordnete Auskleidungswand (44) mit einer Außenseite und einer Innenseite, wobei die Schalenwand (42) und die Auskleidungswand {44) jeweils einen Querschnitt aufweisen, der im wesentlichen gleich dem eines kreisförmigen Sektors der Gasturbine (20) ist, und wobei die Au siel ei dungs wand (44) eine Ver brennung s zone (62) und zwischen sich und der Schalenwand (42) einen Kühlkanal (63) begrenzt, welch letzterer im Betrieb eine Kühlluft-Gegenströmung führt, Befestigungseinrichtungen (58, 73), die die Auskleidungswand (44) an der Schalenwand (42) tragen, Luftzuführungseinrichtungen (83) zum Einleiten von Verbrennungsluft in die Verbrennungszone (62), und Treibstoffzuführungseinrichtungen (40) zum Einleiten von gasförmigem und flüssigem Treibstoff in die Verbrennungszone (62) .

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidungswand (44) aus einer Vielzahl von Tafeln

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. itLEFON (OB9) 22558·; V O PINDUS- -TELEXO52424-.

BERLIN: TELEFON (O30) uoluu.
KABUL: PKOPINDUS -TELEXO184u:

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(60) besteht, deren jede ein stromaufwärts gerichtetes Ende aufweist, das überlappend unter dem stromabwärts gerichteten Ende der benachbarten Tafel (60) liegt und daß die stromabwärts gerichteten Enden der Tafeln (60) dünne Kühlrillen (81) aufweisen, die es einem Teil der Kühlluftströmung erlaubt, um 180 umzukehren und durch die Auskleidungswand (44) an den Tafelüberlappungsstellen in die Verbrennungszone (62) zu entweichen und die Innenseite der Auskleidungswand (44) zu kühlen.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalenwand (42) gerippt ist und in den Wandabschnitten gegenüber den Tafeln (60) jeweils eine Rille (70) und eine Lippe (72) zum Aufnehmen der Befestigungseinrichtungen (58, 73) bildet und daß sich die Lippe (72) im allgemeinen um einen ringförmigen Sektorabschnitt der Schalenwand (42) -erstreckt.

4. Brennkammer nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtungen aus Aufhängern (58) für die Tafeln (60) und einem segmentierten Sicherungsring (73) für jede der Tafeln besteht, daß jeder Tafelaufhänger (58) einen Rippenabschnitt (64) aufweist, der an der Tafel (60) befestigt ist und einen Haken (66) am stromabwärts gelegenen Ende zum Erfassen der Lippe (72) und eine Stütznase (74) am stromaufwärts gelegenen Ende aufweist, daß der segmentierte Sicherungsring (73) in der Rille (70) angeordnet ist, um den Haken (66) darin zu sichern, und daß der Sicherungsring (73) seinerseits in der Rille (70) durch die Stütznase 1.7 T) der stromabwärts benachbarten Tafelstütze (58) gehalten ist.

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5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibstoffzuführungseinrichtung ein Treibstoffrohr (40) aufweist, das konzentrisch um die Achse der Brennkammer (32) nahe deren stromaufwärts gelegenen Ende (46) angeordnet ist, daß in dem Treibstoffrohr (40) eine Düse (88) für flüssigen Treibstoff angeordnet ist, die mit der Rohrinnenwand einen Ringspalt bildet, und daß ein Leuchtgasverwirbler (90) zwischen der Düse (88) und dem Rohr (40) angeordnet ist.

6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführungseinrichtung eine Leitwand (S3) aufweist, die an der Schalenwand (42) nahe dem stromaufwärtigen. Ende (46) der Brennkammer (32) befestigt ist und einen U-förmigen Abschnitt aufweist, daß ein Wirbeltopf (85) innerhalb und im Abstand zum U-förmigen Waiidabschnitt angeordnet ist, der einen U-förmlgen Abschnitt des Kühlmittelkanals (63) umgrenzt, in welchem der Kühlluftstrom um 180° umgelenkt werden, und als vorgewärmter Verbrennungsluftstrom in die Verbrennungszone (62) geleitet werden kann und daß dieser U-förinlge Wandabschnitt und das Treibstoffrohr (40) zwischen sich einen Primärluftkanäl einschließen, durch welchen hindurch primäre Verbrennungsluft in die Verbrennungszone (62) einführbar ist.

7. Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wirbler (86) für die vorgewärmte Luft zwischen dem Wirbeltopf (85) und dem U-förmlgen Wandabschnitt (83) vorhanden ist, und daß ein Primärluftwlrbler (So) zwischen dem U-förmigen Wandabschnitt (83) und dem Kraftstoffrohr (40) angeordnet ist.

8. Brennkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wirbelring zwischen der Düse (88) und dem Leuchtgaswirbler (90) vorhanden ist, der einen Primärluftkanal zwischen der Düse (88) und dem Wirblerring begrenzt.

S09882/ÜS84

9. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführungseinrichtungen und die Treibstoffzuführungseinrichtungen eine zentrale Düsenanordnung (102) aufweisen, die nahe der Achse der Brennkammer (32) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, flüssigen Treibstoff, Leuchtgas und Primärluft in die Verbrennungszone einzuführen, und daß eine Vielzahl von angepaßten äußeren Düsenanordnungen (112) im Abstand zur zentralen Düsenanordnung (102) vorhanden und dazu eingerichtet sind, Leuchtgas, Primärverbrennungsluft und vorgewärmte Sekundärverbrennungsluft in die Verbrennungszone (62) einzuleiten.

10. Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Düsenanordnung (102) und die äußere Düsenanordnung (112) Luftwirbier (108) und Leuchtgaswirbier (120) aufweist, so daß flüssiger Treibstoff und Leuchtgas beim Austreten aus den Treibstoffzuführungseinrichtungen nur durch Luft und nicht durch einen benachbarten Strom flüssigen Treibstoffs oder Leuchtgas geschnitten werden.

11. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schalenwand (42) Rillen (79) aufweist, die im allgemeinen parallel zur Richtung der gegenströmenden Luft verlaufen, und daß die Tafelbefestigungseinrichtungen Rippen (77) aufweisen, die integral mit den Tafeln (76) ausgebildet sind und Tragwülste (78) aufweisen, die von den Rillen (79) aufgenommen sind.

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