DE4304201A1

DE4304201A1 - Brennkammer für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE4304201A1
Application number: DE19934304201
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Aigner; Rainer Giese; Gerhard Mueller; Pirmin Schiessel; Gerhard Ziener
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1993-02-12
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 1994-08-18

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Brennkammer für Gasturbinen, umfassend

(a) einen Außenmantel;
(b) ein konzentrisch im Außenmantel angeordnetes und von dem Außenmantel beabstandetes, oben geschlossenes Flammen rohr, welches einen Brennraum umschließt und zusammen mit dem Außenmantel einen ringförmigen Luftkanal zur Führung von Verdichterluft bildet;
(c) im oberen Teil der Brennkammer wenigstens ein Brenner, welcher durch den Außenmantel und das Flammenrohr hin durch in den Brennraum hineinragt und mit dem Luftkanal in Verbindung steht; und
(d) im mittleren Teil der Brennkammer eine Mehrzahl von am Umfang des Flammenrohres angeordneten Mischluftdüsen, welche den Luftkanal mit dem Brennraum verbinden.

Eine solche Brennkammer ist z. B. aus der Deutschen Offenle gungsschrift DE-A1-28 36 539 (siehe insbesondere die dortige Fig. 4) bekannt.

STAND DER TECHNIK

In der Brennkammer 1 einer Gasturbine wird (wie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt) die von einem Verdichterteil kom primierte Verdichterluft 6 in einem zwischen Außenmantel 2 und Flammenrohr 3 gebildeten Luftkanal 28 einem oder mehreren im Kopfteil der Brennkammer angeordneten Brenner(n) 5 zuge führt und dort mit dem (flüssigen oder gasförmigen) Brenn stoff vermischt und verbrannt. Die heißen Verbrennungsgase treten vom Brennraum 4 kommend nach unten aus dem Flammenrohr 3 aus und über ein (mit der Brennkammer über einen Brennkam merflansch 12 verbundenes, in Fig. 1 nicht gezeigtes) torus förmiges Heißgasgehäuse in den Turbinenteil ein. Dem Heiß gas wird zur Verbesserung der Verbrennungs- und Strömungsvor gänge üblicherweise durch im mittleren Bereich der Brennkam mer angeordnete Mischluftdüsen 10 zusätzliche Luft (sog. Se kundärluft 7) zugemischt.

Im Stand der Technik, wie er sich in der eingangs genannten Druckschrift darstellt, werden zum Einbringen der Mischluft in den Heißgasstrom einfache Düsen verwendet, die keinerlei Einstell- und Regelfunktion aufweisen. Aufgrund der vorgege benen Düsengeometrie ist es dabei nur schwer möglich, ein op timales Betriebsverhalten der Brennkammer zu erreichen. Ins besondere kann die Mischluftzufuhr nicht an wechselnde Be triebsfälle angepaßt werden.

Aus den genannten Gründen sind Überlegungen angestellt wor den, die eine Regelung der Mischluftdüsen zum Gegenstand ha ben. Ziel der regelbaren Mischluftdüsen wäre es, die Luftver teilung in der Brennkammer entsprechend den feuerungstechni schen Anforderungen zu variieren. Durch ein gezieltes Auftei len der Brennkammerluft (Verdichterluft 6) in die Primärluft 8 (für den Brenner) und die Sekundärluft 7 (Mischluft) könnte das Betriebsverhalten, insbesondere von "Lean Premix"-Brenn kammern, deutlich verbessert werden (Teillastemissionen, er forderlicher Gasdruck).

Bei einer bereits erprobten Lösung (Fig. 1) werden derzeit zu diesem Zweck im Flammenrohr 3 der Brennkammer 1 Sekundärluft bohrungen 11b vorgesehen, die durch einen verdrehbaren Ring 9 verschlossen werden können. Der Ring 9 besitzt ebenfalls Ringlöcher 11a und gibt die Sekundärluftbohrungen 11b in dem Fall frei, daß beide Öffnungen übereinander stehen. In der Praxis kann die Luftverteilung der Brennkammer dann durch ein Verdrehen des Ringes 9 variiert werden (in der Darstellung nach Fig. 1 ist der Ring so verdreht, daß die Sekundärluft bohrungen nur teilweise freigegeben werden).

Eine derartige Lösung hat jedoch verschiedene Nachteile:

- Das Flammenrohr 3 dehnt sich im Betrieb relativ zum abdich tenden Ring 9 sehr stark aus, was die Einhaltung großer Spiele erfordert und damit zu deutliche Leckagen führt.
- Alle Sekundärluftbohrungen 11b werden gleichzeitig geöffnet und geschlossen; es gibt daher keine Flexibilität beim Ab stimmen der Emissionen und Temperaturverteilung in der Brennkammer.
- die Verwendung von einfachen, quer zur Heißgasströmung an geordneten Sekundärluftbohrungen 11b führt zu schrägen, un definierten Mischstrahlen. Dieser Effekt vergrößert sich noch, falls die Bohrungen mit Hilfe des Ringes 9 teilweise verkleinert werden, wodurch die Optimierung des Temperatur profiles der Brennkammer erschwert wird.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brennkammer für eine Gasturbine zu schaffen, welche in ihrem Betriebsverhalten und insbesondere auch hinsichtlich der in ihr herrschenden Tempe raturverteilung flexibel auf unterschiedliche Betriebsfälle abgestimmt werden kann.

Die Aufgabe wird bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß

(e) die Mischluftdüsen (10) als individuell regelbare Düsen ausgebildet sind.

Durch die erfindungsgemäße individuelle Einstell- und Regel barkeit der einzelnen Mischluftdüsen läßt sich in der Brenn kammer leicht eine gewünschte Temperaturverteilung einstel len.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt jede Mischluftdüse ein in die Wand des Flammenrohrs fest eingelassenes Düsenteil und ein mit dem Düsenteil ver bundenes und in den Luftkanal hineinragendes Einlaufrohr, welches über Öffnungen mit veränderbarem Querschnitt mit dem Luftkanal in Verbindung steht. Durch diese Trennung von Dü senteil und Regelteil wird eine gleichbleibende und optimale Formung des Sekundärluftstrahles erreicht, die weitgehend un abhängig vom effektiven Öffnungsquerschnitt in der Mischluftdüse ist.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Öffnungen im Mantel des Einlaufrohres und ent lang von dessen Umfang angeordnet sind und sich in axialer Richtung erstrecken, und daß zur Veränderung des Öffnungs querschnitts ein im Einlaufrohr im Bereich der Öffnungen in axialer Richtung verschiebbarer Kolben vorgesehen ist, wel cher das Einlaufrohr in axialer Richtung zum Luftkanal hin abschließt. Durch diese Art der Querschnittsveränderung kann der Sekundärluftstrom auf einfache Weise und weitgehend frei von Leckagen eingestellt werden.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine bisherige Lösung zur Regelung des Sekundärluft stroms mittels Sekundärluftbohrungen mit gemeinsam verstellbarem Querschnitt;

Fig. 2 im Schnitt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine individuell regelbare Mischluftdüse nach der Erfindung mit den zwei Extremalstellungen des zur Re gelung verwendeten Kolbens; und

Fig. 3 im Schnitt ein zweites, zu Fig. 2 analoges Ausfüh rungsbeispiel für eine Brennkammer mit einem Zwi schenmantel (24).

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 2 ist im Schnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine individuell regelbare Mischluftdüse dargestellt, wie sie in der erfindungsgemäßen Brennkammer Anwendung findet und anstelle der Sekundärluftbohrungen 11b und Ringlöcher 11a aus Fig. 1 eingesetzt werden kann.

Die Mischluftdüse 10 ist zwischen dem Außenmantel 2 der Brennkammer und dem Flammenrohr 3 angeordnet. Sie umfaßt entlang einer radial zur Brennkammer orientierten Düsenachse 27 einen durch das Flammenrohr 3 in den Brennraum ragenden und mit dem Flammenrohr 3 fest verbundenen, konischen Düsen teil 13 und ein daran anschließendes Einlaufrohr 26. Das Einlaufrohr 26 liegt quer im Luftkanal 28 und weist auf sei nem Mantel entlang des Umfangs angeordnete und sich in axia ler Richtung erstreckende Öffnungen auf, welche vorzugsweise die Form von Schlitzen 14 haben. Innerhalb des Einlaufrohres 26 ist ein in axialer Richtung verschiebbarer Kolben 15 vor gesehen, welcher sowohl einen durch die Schlitze 14 in das Einlaufrohr 26 eintretenden Luftstrom in Richtung auf den Dü senteil 13 umlenkt, als auch die Schlitze 14 mehr oder weni ger versperrt.

Die von der Verdichtungsstufe der Gasturbine kommende Ver dichterluft 6 strömt zwischen dem Flammenrohr 3 und dem Außen mantel 2 zu den Brennern. Ein bestimmter Teil davon, die Sekundärluft 7, fließt durch die Schlitze 14 des Einlaufroh res 26 in den zylindrischen Teil der Düse, wird dort - unter stützt durch die Kegelform des Kolbens 15 - in die gewünschte Richtung umgelenkt, und dann im konischen Düsenteil 13 auf die gewünschte Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt. Die Va riation des Sekundärluftmassenstroms geschieht in der oben erwähnten Weise mit Hilfe des im Einlaufrohr 26 verschiebba ren Kolbens 15. Im geöffneten Zustand ist der Kolben 15 dabei nach rechts gezogen und gibt die Schlitze 14 komplett frei (obere Hälfte von Fig. 2). Im geschlossenen Zustand steht der Kolben 15 ganz links (untere Hälfte von Fig. 2).

Die Relativdehnungen zwischen dem im Außenmantel 2 gelager ten Kolben 15 und dem im Flammenrohr 3 befestigten Einlauf rohr 26 werden mit Hilfe eines ersten Kolbenringes 16 aufge nommen. Bei allen Zwischenstellungen des Verstellmechanismus wird der erste Kolbenring 16 auf den Stegen des Einlaufrohres 26 geführt, die zwischen den Schlitzen 14 stehengeblieben sind. Nur in den beiden Extremfällen, d. h. bei vollständig geöffneter oder geschlossener Düse dichtet der erste Kolben ring 16 auf dem ganzen Umfang des Einlaufrohres 26.

Der Kolben 15 wird im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 über ei ne Kolbenstange 17 verschoben, die in eine Gewindestange 22 übergeht. Die Kolbenstange 17 ist in einem Kolbenlager 21 ge lagert, welches seinerseits über ein Gehäuse 20 am Außenman tel 2 befestigt ist. Die Kolbenstange 17 ist in dem Kolbenla ger 21 mit einer Nut- und Federvorrichtung 18 gegen Verdrehen gesichert. Die Gewindestange 22 steht mit einer Antriebsein heit 23 in Eingriff, die durch einen E-Motor oder auch pneu matisch oder hydraulisch angetrieben werden kann. Wegen der hohen Drücke der Verdichterluft 6 in Gasturbinen muß der Kolben 15 bzw. die Kolbenstange 17 gegenüber der Umgebung (der Antriebseinheit 23) gedichtet werden. Dies geschieht im gezeigten Beispiel durch einen (metallischen) Axialkompensa tor 19.

Etwas anders ist die bevorzugte Konstruktion, wenn die Brenn kammer dreischalig aufgebaut ist (Fig. 3): Zusätzlich zum Flammenrohr 3 und dem Außenmantel 2 gibt es dann einen Zwi schenmantel 24, der dazu verwendet wird, die Luftgeschwindig keit und damit den konvektiven Wärmeübergang zum Flammenrohr 3 zu erhöhen. Zugleich schirmt der Zwischenmantel 24 den Außen mantel 2 gegen die vom heißen Flammenrohr 3 ausgehende Wärmestrahlung ab. Für die Mischluftdüse hat dies zur Folge, daß sie durch ein zusätzliches Bauteil, nämlich den Zwi schenmantel 24, hindurchgeführt werden muß. Entsprechend muß eine weitere Relativbewegung aufgenommen werden. Im Aus führungsbeispiel der Fig. 3 wird das dadurch erreicht, daß das Düsenteil 13 vom eigentlichen Einlaufrohr 26 getrennt wird. Das Düsenteil 13 bleibt am Flammenrohr 3 befestigt, während das Einlaufrohr mit dem Zwischenmantel 24 verbunden wird. Beide Rohre sind ineinander geschoben, wobei die Durch messer so gewählt werden, daß die Relativbewegungen des Flammenrohres 3 und des Zwischenmantels 24 problemlos aufge nommen werden können. Die Dichtigkeit des Rohrsystems 13, 26 wird wie beim Kolben 15 durch einen zweiten Kolbenring 25 ge währleistet, der in eine Nut im Befestigungsflansch des Ein laufrohres 26 eingelegt ist. Der Antrieb des Kolbens erfolgt in diesem Beispiel im übrigen auf dieselbe Weise, wie in Fig. 2.

Insgesamt wird mit der Erfindung eine Brennkammer für Gastur binen geschaffen, deren Sekundärluftzustrom und damit Tempe raturverteilung leicht und flexibel regel- und einstellbar ist.

Bezugszeichenliste

1 Brennkammer
2 Außenmantel
3 Flammenrohr
4 Brennraum
5 Brenner
6 Verdichterluft
7 Sekundärluft
8 Primärluft
9 Ring
10 Mischluftdüse
11a Ringloch
11b Sekundärluftbohrung
12 Brennkammerflansch
13 Düsenteil
14 Schlitz (Einlaufrohr)
15 Kolben
16, 25 Kolbenring
17 Kolbenstange
18 Nut- und Federvorrichtung
19 Axialkompensator (metallisch)
20 Gehäuse
21 Kolbenlager
22 Gewindestange
23 Antriebseinheit
24 Zwischenmantel
26 Einlaufrohr
27 Düsenachse
28 Luftkanal

Claims

1. Brennkammer für eine Gasturbine, umfassend

(a) einen Außenmantel (2);
(b) ein konzentrisch im Außenmantel (2) angeordnetes und von dem Außenmantel (2) beabstandetes, oben geschlossenes Flammenrohr (3), welches einen Brennraum (4) umschließt und zusammen mit dem Außenmantel einen ringförmigen Luftkanal (28) zur Führung von Verdichterluft (6) bildet;
(c) im oberen Teil der Brennkammer (1) wenigstens ein Brenner (5), welcher durch den Außenmantel (2) und das Flammen rohr (3) hindurch in den Brennraum (4) hineinragt und mit dem Luftkanal (28) in Verbindung steht; und
(d) im mittleren Teil der Brennkammer (1) eine Mehrzahl von am Umfang des Flammenrohres (3) angeordneten Mischluftdü sen (10), welche den Luftkanal (28) mit dem Brennraum (4) verbinden;

dadurch gekennzeichnet, daß

(e) die Mischluftdüsen (10) als individuell regelbare Düsen ausgebildet sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mischluftdüse (10) ein in die Wand des Flammenrohrs (3) fest eingelassenes Düsenteil (13) und ein mit dem Düsenteil (13) verbundenes und in den Luftkanal (28) hineinragendes Einlaufrohr (26) umfaßt, welches über Öffnungen mit verän derbarem Querschnitt mit dem Luftkanal (28) in Verbindung steht.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen im Mantel des Einlaufrohres (26) und entlang von dessen Umfang angeordnet sind und sich in axialer Rich tung erstrecken, und daß zur Veränderung des Öffnungsquer schnitts ein im Einlaufrohr (26) im Bereich der Öffnungen in axialer Richtung verschiebbarer Kolben (15) vorgesehen ist, welcher das Einlaufrohr (26) in axialer Richtung zum Luftka nal (28) hin abschließt.

4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen als sich in axialer Richtung erstreckende Schlitze (14) ausgebildet sind.

5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Länge der Öffnungen in axialer Rich tung im Verhältnis zum Hub des Kolbens (15) derart gewählt ist, daß bei maximal in das Einlaufrohr (26) eingeschobenem Kolben (15) die Öffnungen vollständig hinter und bei maximal herausgezogenem Kolben (15) vollständig vor dem Kolben (15) liegen.

6. Brennkammer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Kolben (15) kegelförmig ausgebildet ist.

7. Brennkammer nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der Kolben (15) über eine Kolbenstange (17) mit einer außerhalb des Außenmantels (2) angeordneten Antriebseinheit (23) verbunden und durch diese betätigbar ist.

8. Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (17) in einem Kolbenlager (21) geführt ist, welches über ein Gehäuse (20) fest mit dem Außenmantel (2) verbunden ist, und daß zur Abdichtung des Kolbenlagers (21) ein zwischen Kolbenlager (21) und Kolben (15) angeordneter Axialkompensator (19) vorgesehen ist.

9. Brennkammer nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß das Düsenteil (13) dem Einlaufrohr (26) direkt angeformt ist.

10. Brennkammer nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß

(a) zwischen dem Flammenrohr (3) und dem Außenmantel (2) ein Zwischenmantel (24) vorgesehen ist;
(b) das Düsenteil (13) und das Einlaufrohr (26) als separate Bauteile ausgebildet sind;
(c) das Einlaufrohr (26) am Zwischenmantel (24) befestigt ist; und
(d) die Verbindung zwischen Düsenteil (13) und Einlaufrohr (26) so gestaltet ist, daß eine relative Verschiebung der beiden Bauteile zueinander in axialer Richtung bei gleichzeitiger Dichtheit nach außen gewährleistet ist.

11. Brennkammer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenteil (13) in das Einlaufrohr (26) hineinragt und der Zwischenraum zwischen Düsenteil (13) und Einlaufrohr (26) durch einen Kolbenring (25) abgedichtet ist.