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Gasturbinenbrennkammer
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Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine derartige Gasturbinenbrennkammer ist aus der DE-AS 10 60 667
bekannt. Die ringförmig und achsparallel zueinander angeordneten Primärbrennkammern
münden bei dieser bekannten Brennkammeranordnung in eine ebenfalls ringförmige und
zur Gasturbinenachse konzentrische gemeinsame Mischkammer ein, in welcher sich stromabwärts
Öffnungen für die Zufuhr von Mischluft befinden. Die Primärbrennkammern sind dabei
so bemessen, daß in ihnen bereits die vollständige Verbrennung erfolgt. Andererseits
sollen aber die Primärbrennkammern nicht länger bemessen sein, als es für die vollständige
Verbrennung erforderlich ist, da diejenige axiale Länge, welche nicht für die Verbrennung
benötigt wird, für den Temperaturausgleich in der gemeinsamen Mischkammer ausgenutzt
werden soll.
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Die bekannte Gasturbinenbrennkammer hat den Vorteil, daß die Aufteilung
des Verbrennungsprozesses auf viele kleine Primärbrennkammern die Verweilzeit der
Verbrennungsluft in der Hochtemperaturzone der Flamme verkürzt, was zu einer Verringerung
der NO -Bildung führt. Andererseits können aber die Mischungsverhältnisse von Brennstoff
und Verbrennungsluft nicht in den für eine geringe NOx-Bildung erforderlichen engen
Grenzen gehalten werden, da sich zwischen Leerlauf und Vollast der Gasturbine ein
weiter Bereich unterschiedlicher Mischungsverhältnisse ergibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenbremikammer
mit einer Vielzahl von Primärbrennkammern zu schaffen, bei welcher die NO -Bildung
erheblich verringert werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer kann also durch das
Zu- und Abschalten einzelner Primärbrennkammern entsprechend der Belastung der Gas
turbine ein enger und für einen schadstoffarmen Betrieb ausgelegter Arbeitsbereich
eingehalten werden. Der Erfindung liegt dann weiterhin die Erkenntnis zugrunde,
daß auch nach einer vollständigen Verbrennung in den Primärbrennkammern durch die
Verweilzeit in dem großen Volumen der gemeinsamen Mischkammer eine mit NOx-Bildung
verbundene Nachreaktion stattfindet, welche erst weiter stromabwärts durch die Zufuhr
von Mischluft gestoppt wird. Demzufolge wird bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammer
die gesamte zur Verfügung stehende Mischluft unmittelbar im Anschluß an die Verbrennungszonen
als Abschreckluft in die Primärbrennkammern eingeleitet, wodurch mit NO -Bildung
verbundene Nachreaktionen noch vor dem Eintritt der Reaktionspartner in die Mischkammer
eingefroren werden. Durch die noch vor der Mischkammer vorgenommene Zufuhr von Mischluft
zu den Heißgasen kann außerdem ein besonders gleichmäßiges Temperaturfeld vor dem
Eintritt in die Gasturbine erreicht werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Öffnungen für die Zufuhr von Mischluft radial ausgerichtet sind und jeweils
eine in Umfangsrichtung einer Primärbrennkammer verlaufende Lochreihe bilden.
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Durch die radiale Ausrichtung der Öffnungen wird die Abschreckwirkung
der Mischluft begünstigt, während durch die
Anordnung in einer Lochreihe
die erforderlichen Zuströmquerschnitte realisiert werden können, ohne die axiale
Baulänge der Primärbrennkammern wesentlich zu erhöhen.
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Bei einer weiteren bevorzugten AusgestalDung der Erfindung sind die
Primärbrennkammern mit Vormischbrennern ausgerüstet. Derartige Vormischbrenner ermöglichen
einen besonders schadstoffarmen Betrieb. Andererseits kann der im Vergleich zu Diffusionebrennern
geringe Arbeitsbereich der Vormischbrenner durch die große Anzahl der lastabhängig
zu- und abschaltbaren Primärbrennkammern problemlos eingehalten werden. Dabei ist
es auch günstig, wenn die gesamte Verbrennungsluftzufuhr ausschließlich über die
Vormischbrenner erfolgt. In den Primärbrennkammern sind dann keine weiteren Öffnungen
für die Zufuhr von Verbrennungsluft vorgesehen.
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Es ist auch zweckmäßig, wenn in jeder der Primärbrennkammern eine
separate Zündeinrichtung angeordnet ist und somit beim Zuschalten der Primärbrennkammern
eine einwandfreie Zündung gewährleistet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Primärbrennkammer und
den zugehörigen Vormischbrenner und Fig. 2 eine Gasturbinenbrennkammer, bei welcher
eine Vielzahl gemäß Fig. 1 ausgebildeter Primärbrennkammern in eine kugelförmige
Mischkammmer einmünden.
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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Primärbrennkammer 1 und
den zugehörigen Vormischbrenner 2. Die Primärbrennkammer 1, die auch als Flammrohr
bezeichnet werden
könnte, besteht aus einem zylindrischen Flammrohrmantel
10, an dessen einem Ende ein stirnseitiger Abschlußdeckel 11 angeordnet ist und
an dessen anderem Ende ein Anschlußflansch 12 angeordnet ist. Der stirnseitige Abschlußdeckel
11 besitzt eine zentrische Öffnung, über welche der Vormischbrenner 2 in die mit
einer feuerfesten Auskleidung 13 versehene Primärbrennkammer 1 einmündet.
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Der Abschlußdeckel 13 besitzt eine weitere, mehr zum äußeren Rand
hin angeordnete Öffnung, über welche eine als Zündbrenner ausgebildete Zündeinrichtung
14 durch die feuerfeste Auskleidung 13 hindurch in die Primärbrennkammer 1 einmündet.
An dem oberen Abschlußflansch 140 dieser Zündeinrichtung 14 sind eine Zündelektrode
141, eine Luftzufuhr 142 und eine Gaszufuhr 143 zu erkennen.
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Die axiale Länge der Primärbrennkammer ist etwas größer bemessen,
als es für eine vollständige Verbrennung erforderlich ist. In dem über die Zone
des beendeten Verbrennungsprozesses überstehenden Endbereich ist dann eine in Umfangsrichtung
der Primärbrennkammer 1 verlaufende Lochreihe vorgesehen, deren einzelne Öffnungen
15 radial durch den Flammrohrmantel 10 und die feuerfeste Auskleidung 13 hindurch
in die Primärbrennkammer 1 einmünden.
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Der Vormischbrenner 2 besteht aus einem im wesentlichen zylindrisch
ausgebildeten Brennergehäuse 20, welches an seinem einen stirnseitigen Ende einen
Drallkörper 21 und eine Brennstoffdüse 22 und an seinem anderen stirnseitigen Ende
einen Flammenhalter 23 trägt. In der zwischen dem Drallkörper 21 und dem Flammenhalter
23 gebildeten Vormischkammer 24 wird der über eine Brennstoffzufuhr 25 zugeführte
und in der Brennstoffdüse 22 zerstäubte flüssige Brennstoff verdampft und mit der
durch Pfeile V angedeuteten Verbrennungsluft vermischt. Damit diese Vermischung
möglichst intensiv ist, wird die VerbrennungsluftVbeim Durchströmen des Drallkörpers
21 ver-
wirbelt. Das aus der zugeführten Verbrennungsluft V und
dem verdampften Brennstoff bestehende homogene Gemisch wird erst in der Primärbrennkammer
1 mit der Zündeinrichtung 14 gezündet, wobei der Flammenhalter 23 zur Stabilisierung
der Flamme dient, aber trotzdem ein Rückschlagen der Flamme in die Vormischkammer
24 verhindert.
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Bei der Verwendung von gasförmigen Brennstoffen wird ebenfalls innerhalb
der Vormischkammer 24 ein homogenes Gemisch mit der Verbrennungsluft V gebildet,
wobei die Vorverdampfung dann natürlich entfällt. Anstelle der als Zündbrenner ausgebildeten
Zündeinrichtung 14 kann für die Zündung des Gemisches in der Primärbrennkammer 1
auch gegebenenfalls ein elektrischer Zünder verwendet werden.
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Wie bereits ausgeführt wurde, wird die Verbrennung des im Vormischbrenner
2 erzeugten Gemisches innerhalb der Primärbrennkammer 1 noch vor den Öffnungen 15
vollständig abgeschlossen. Unmittelbar nach der Zone des beendeten Verbrennungsprozesses
wird dann durch Pfeile M angedeutete Mischluft in die Primärbrennkammer 1 eingeleitet.
Diese Mischluft M wirkt als Abschreckluft, welche die Heißgase abkühlt und durch
Einfrieren der NOx-Bildungsreaktionen einen weiteren Anstieg der Stickoxide verhindert.
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Fig. 2 zeigt eine Gasturbinenbrennkammer, bei welcher eine Vielzahl
von mit Vormischbrennern 2 ausgerüsteten Primärbrennkammern 1 in eine gemeinsame
Mischkammer 3 einmünden.
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Die Mischkammer 3 besitzt die Form einer Kugel, wobei die Primärbrennkammer
1 auf Breitenkreisen dieser Kugel derart angeordnet sind, daß sich ihre Längsachsen
zumindest annähernd im Mittelpunkt der Kugel treffen. Hierdurch wird eine besonders
intensive Vermischung der aus den einzelnen Primärbrennkammern 1 austretenden Gas-Strahlen
erreicht. Nach der Vermischung der Mischkammer 1 verlassen die Heißgase dann den
kugelförmigen Innenraum über einen die Verbindung zur Gasturbine herstellenden zylindrischen
Übergangsabschnitt 30.
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Der äußere Breankaemermantel 4 besitzt die Form einer die Mischkammer
3 mit Abstand umschließenden Kugel, an welche sich zum Gasturbinenanschluß hin ein
im wesentlichen kegelstumpfförmiger Ubergangsabschnitt 40 mit einem Anschlußflansch
41 anschließt. Der äußere Brerinkammermantel 4 besitzt außerdem eine Vielzahl von
radial ausgerichteten Stutzen 42, in welche die Vormischbrenner 2 der Primärbrennkammern
1 eintauchen. Die Brennstoffzufuhr 25 der Vormischkammer 2 ist jeweils durch Verschlußdeckel
4-20 der zugehörigen Stutzen 42 hindurchgeführt, wobei durch schematisch dargestellte
Ventile 250 angedeutet ist, daß die Brennstoffzufuhr 25 entsprechend der Belastung
der Gasturbine zu- und abgeschaltet werden kann.
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Beim Betrieb der Gasturbinenbrennkammer wird durch Pfeile L angedeutete
Buft vom Verdichter aus in den zwischen dem zylindrischen Ubergangsabschnitt 30
und dem kegel stumpfförmigen Ubergang3abschnitt 40 gebildeten Ringraum eingeleitet.
Die'Luft L gelangt dann in den zwischen der Mischkammer 3 und dem kugelförmigen
Bereich des Brennkammermantels 4 liegenden Zwischenraum und teilt sich dort in die
Verbrennungsluft V und die Mischluft M auf. Um eine möglichst hohe Abschreckwirkung
der Mischluft M und damit eine möglichst geringe NO -Bildung zu erzielen, wird die
gesamte zur Verfügung stehende Mischluft M ausschließlich über die Öffnungen 15
und die anschließenden Endabschnitte der Primärbrennkammern 1 in die Mischkammer
3 eingeleitet. In der Mischkammer 3 sind somit keine weiteren Öffnungen für den
Zutritt von Mischluft M vorgesehen. Wird eine Primärbrennkammer 1 bei Teillastbetrieb
abgeschaltet, so gelangt die dem abgeschalteten Vormischbrenner 2 zugeführte Verbrennungsluft
V durch die Primärbrennkammern 1 hindurch als Kaltluft-Strahl in die Mischkammer
3. Durch die Kugelform der Mischkammer 3 wird eine intensive Vermischung der aus
den zugeschalteten Primärbrennkammern 1 austretenden Heißgas-Strahlen mit den aus
den jeweils abgeschalteten Primärbrennkammern 1 austretenden
Kaltluft-Strahlen
erzielt, so daß das durch Pfeile G angedeutete Gasgemisch vor dem Eintritt in die
Gasturbine ein gleichmäßiges Temperaturprofil aufweist.
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5 Patentansprüche 2 Figuren