DE4406399B4 - Wärmeerzeuger - Google Patents
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Abstract
Wärmeerzeuger
zur Heissgaserzeugung, der stromab einer Strömungsmaschine und stromauf einer
Turbine plaziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeerzeuger
(1) als ein durch eine Aussenwand (5) und eine Innenwand (4) begrenzter
ringförmiger
Raum ausgebildet ist, dass Aussenwand (5) und Innenwand (4) mit einer
Anzahl radial verlaufender angeströmter Träger (6) miteinander verbunden
sind, dass der Träger
(6) mit mindestens einem Zufuhrkanal (8a) für einen Brennstoff (8) und
einer Anzahl Brennstoffdüsen
(9a, 9b) versehen ist, und dass der Träger (6) in Strömungsrichtung
stromab der Brennstoffdüsen
(9a, 9b) mindestens eine wirbelerzeugende Profilschränkung (13)
aufweist.
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeerzeuger gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Es sind Wärmeerzeuger bei Gasturbogruppen bekannt geworden, welche stromab einer Hochdruckturbine und stromauf einer Niederdruckturbine wirken, und die Aufgabe haben, eine Zwischenüberhitzung der Abgase aus der Hochdruckturbine zu bewerkstelligen, dergestalt, dass die Niederdruckturbine mit Heissgasen beaufschlagt werden kann.
- Diese Wärmeerzeuger der bekannten Art weisen eine Vielzahl von einzelnen Brennkammern auf, welche zwischen den genannten Turbinen plaziert sind. Zwischen diesen Brennkammern und der Hochdruckturbine ist ein Sammler vorgesehen, aus welchem die Abgase über Zuleitungen zum Wärmeerzeuger geführt werden. Abströmungsseitig der genannten Brennkammer ist ein Verteiler vorgesehen, aus welchem die Heissgase zu der Niederdruckturbine strömen.
- Ein solcher Wärmeerzeuger ist ein relativ komplizierter Bauteil mit strömungsmässig ungünstiger Ausgestaltung, wobei die einzelnen Brennkammern mit jeweiliger vollwertiger Infrastruktur, wie Brennstoffzufuhr, Luftzufuhr, Bren ner, Gemischbildung, Zündung, Dispositive gegen eine Flammenrückzündung etc., den Wärmeerzeuger naturgemäss sehr verteuern.
- Darstellung der Erfindung
- Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wärmeerzeuger der eingangs genannten Art den Wirkungsgrad zu maximieren und die Schadstoff-Emissionen zu minimieren.
- Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die ringförmige Ausgestaltung sich nahtlos zwischen Hochdruckturbine und Niederdruckturbine integrieren lässt, so dass die Zu- und Abströmungs-Verhältnisse dieses Wärmeerzeugers optimal ausfallen.
- Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Wärmeerzeuger an sich eine einzige Brennkammer ist, wodurch deren Infrastruktur minimiert werden kann, so dass eine Verbrennung mit minimerten Schadstoff-Emissionen gezielt gehandhabt werden kann.
- Ein weiterer und wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass ein solcher Wärmeerzeuger nach dem Prinzip der Selbstzündung betrieben werden kann, d.h., ein solcher Wärmeerzeuger ist dazu prädestiniert, durch Eindüsung eines Brennstoffes in die heissen Abgase aus der Hochdruckturbine den heissgaserzeugenden Betrieb aufrechtzuerhalten.
- Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
- Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Es zeigt:
-
1 einen Querschnitt durch einen Wärmeerzeuger, der sich zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine befindet, in schematischer Darstellung, und -
2 einen Träger als radiale Verbindung zwischen Innenwand und Aussenwand des Wärmeerzeugers. - Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Anwendbarkeit
-
1 zeigt einen Wärmeerzeuger1 , der zwischen einer zuströmungsseitigen Hochdruckturbine2 mit den endseitigen Laufschaufeln2a und Leitschaufeln2b und einer abströmseitigen Niederdruckturbine3 mit den beginnenden Leitschaufeln3a und den nachfolgenden Laufschaufeln3b plaziert ist, alles über einen einzigen Rotor10 . Selbstverständlich kann ein solcher Wärmeerzeuger1 beispielsweise zwischen einem Verdichter und einer Niederdruckturbine plaziert sein, oder auch als Wärmeerzeuger einer atmosphärischen Feuerungsanlage eingesetzt werden. Der Wärmeerzeuger1 weist eine zylindrische oder quasi-zylindrische Innenwand4 und eine zylindrische oder quasi-zylindrische Aussenwand5 auf, welche den Wärmeerzeuger als Brennkammer begrenzen. Bei zylindrischer Linienführung der Innenwand3 und Aussenwand4 nimmt der Wärmeerzeuger eine ringförmige Ausgestaltung ein. Mit quasi-zylindrischer Linienführung der Wände ist jene Konfiguration zu verstehen, bei welcher der Strömungsquerschnitt des Wärmeerzeugers1 in Strömungsrichtung zu- oder abnimmt. Die Innenwand4 ist über eine Anzahl radial angelegte Träger6 mit der Aussenwand5 verbunden. In1 sind zwei von diesen Trägern6 in Ansicht und einer im Schnitt dargestellt. Die Innenwand4 und Aussenwand5 sind in üblicher Manier ausgeführt, beispielsweise doppelwandig, womit eine gezielte Kühlung der kalorisch beanspruchten Teile vorgesehen werden kann. Die gleichmässig am Umfang verteilten Träger6 erfüllen mehrere Funktionen, die im engsten Zusammenhang mit der Betreibungsart des Wärmeerzeugers1 stehen. Ausgehend davon, dass der Wärmeerzeuger1 durch Selbstzündung betrieben wird, übernimmt der hier dargestellte Träger6 mehrere wichtige Funktionen. Zunächst, wie bereits oben erwähnt, wird die Innenwand4 von den Trägern6 getragen. Eine weitere Funktion betrifft die Brennstoffzuführung8 , welche radial in die einzelnen Träger6 einströmt, und von dort, wie unten detailliert noch zur Ausführung gelangen wird, über eine Reihe von Einspritz- oder Einströmungseindüsungen9 gezielt in den Brennraum1a des Wärmeerzeugers1 eingebracht wird. Des weiteren dienen die Träger6 der Zufuhr von Luft7 , die als Kühlluft und/oder als gemischbildende Luft für den verwendeten Brennstoff8 zur Anwendung gelangt. Aus strömungstechnischen Gründen sind die Träger6 mindestens anströmungsseitig als Leitflügel ausgebildet. Die kalorische Disposition der Heissgase bei einem zugrundegelegten Selbstzündungsbetrieb im Wärmetauscher1 geht dahin, dass die in der Hochdruckturbine2 zur Beaufschlagung gelangenden Heissgase14 dort nur so weit entspannt werden, dass sie abströmungsseitig dieser Turbine2 als Abgase noch über jene minimale Temperatur verfügen, welche eine Selbstzündung im Wärmeerzeuger1 mit dem dort eingesetzten Brennstoff8 ermöglicht. Wird bespielsweise als Brennstoff8 Erdgas eingesetzt, so muss die von den Abgasen gebildete Verbrennungsluft11 , abströmungsseitig der Hockdruckturbine2 , im Bereich der Eindüsung des genannnten Brennstoffes, eine Temperatur in der Grössenordnung von 1000°C aufweisen, soll die Selbstzündung stabil aufrechterhalten werden können. Bei solchen Aggregaten müssen jeweils Vorkehrungen getroffen werden, damit die Flammenfront aus dem Brennraum1a des Wärmeerzeugers1 nicht stromauf wandern kann, dh., ein Zurückschlagen der Flamme Richtung Hochdruckturbine2 muss verhindert werden. Nachteilig wäre hier, abströmungsseitig der Hochdruckturbine2 irgendwelche Flammenhalter vorzusehen. Der hier vorgeschlagene Träger übernimmt deshalb, über das scon Gesagte, durch eine spezielle Ausgestaltung, die Funktion eines Wirbelgenerators, der eine stabile Rückströmzone zu bilden vermag. Die zu diesem Zweck wesentliche Ausgestaltung des Trägers6 wird unter2 näher erläutert. Die im Wärmeerzeuger1 bereitgestellten Heissgase15 beaufschlagen die Niederdruckturbine3 und strömen als Abgase15a einer weiteren kalorischen Nutzung zu, beispielsweise als Trägermedium eines nachgeschalteten Dampfkreislaufes. -
2 zeigt den Träger6 in Perspektiv-Darstellung. An sich hat der Träger6 die Form einer Leitschaufel. Der Träger6 weist im Bereich der Anströmung der Verbrennungsluft11 einen inneren Kanal7a auf, durch welchen die unter1 beschriebene Luft7 strömt; des weiteres, entlang einer Ebene etwa in Strömungsmitte des Trägers6 ist ein weiterer Kanal8a disponiert, durch welchen der Brennstoff8 strömt. Der als Leitschaufel gebildete Träger6 ist mit einer Profilschränkung13 erweitert. Diese umfasst in Strömungsrichtung in etwa die hintere Hälfte der Leitschaufel, dergestalt, dass die obere Hälfte der Leitschaufel eine ununterbrochene Profilierung der Unterdruckfläche6a und Ueberdruckfläche6b aufweist, während die untere hintere Hälfte des leitschafelförmigen Trägers6 demgegenüber geschränkt ist, d.h. die Ueberdruckfläche6b geht profilmässig in eine Unterdruckfläche6c über. Die Anströmung11 des Trägers6 spaltet sich ab Beginn der Profilschränkung13 in Strömungsrichtung in zwei divergierende Teilströme12a ,12b auf. Im Bereich der beginnenden Profilschränkung13 wirken Brennstoffdüsen9a ,9b , die hier anhand von Oeffnungen gezeigt sind. Durch diese Brennstoffdüsen strömt der durch Kanal8a herangeführte Brennstoff8 , allenfalls mit einem Luftanteil7 vermischt oder gestützt, in den Brennraum1a des Wärmeerzeugers1 und löst dort eine Selbstzündung mit der heissen Verbrennungsluft11 aus. Die Brennstoffdüsen9a ,9b sind innerhalb der radialen Ausdehnung des Trägers6 gleichmässig verteilt, entweder auf beiden Seiten des Trägers6 oder lediglich auf den jeweiligen Unterdruckseiten6a ,6c , wie dies aus2 hervorgeht. Die durch die Profilschränkung13 in Strömungsrichtung erzeugten Wirbel beschleunigen nicht nur im Nahfeld des Trägers die Mischung von Brennstoff8 und Verbrennungsluft11 , was eine kurze Mischlänge und dementsprechend eine unmittelbare Selbstzündung auslöst, sondern sie gleichen im Fernbereich, also im weiteren Brennraum1a des Wärmeerzeugers1 , zusätzlich jene Konzentrations- und Temperaturendifferenzen aus, die für einen Anstieg der Schadstoff-Emissionen verantwortlich sind. Vom Wirkungsgrad her betrachtet lässt sich feststellen, dass der genannte Ausgleich bei minimalen Druckverlusten abläuft, was einen höheren Leistungsertrag aus der nachgeschalteten Turbine ergibt. Selbstverständlich lassen sich auch über die Höhe des Trägers6 intermittierende Unterdruckfächen, d.h. mehrere Profilschränkungen13 vor sehen, dies im Zusammenhang mit der angestrebten Wirbelerzeugung. - Selbstverständlich kann die Profilschränkung
13 so ausgelegt werden, dass sie die ganze achsiale Länge des Trägers6 erfasst, d.h. die Divergierung zwischen Ueberdruck- und Unterdruckfläche umfasst den ganzen Träger6 , und teilt ihn in zwei Ebenen auf. -
- 1
- Wärmeerzeuger
- 1a
- Brennraum
- 2
- Hochdruckturbine
- 2a
- Laufschaufel der HD-Turbine
- 2b
- Leitschaufel der ND-Turbine
- 3
- Niederdruckturbine
- 3a
- Leitschaufel der ND-Turbine
- 3b
- Laufschaufel der ND-Turbine
- 4
- Innenwand des Wärmeerzeugers
- 5
- Aussenwand des Wärmeerzeugers
- 6
- Träger
- 6a
- Unterdruckfläche
- 6b
- Ueberdruckfläche
- 6c
- Unterdruckfläche
- 7
- Luft
- 7a
- Luftkanal
- 8
- Brennstoff
- 8a
- Brennstoff-Kanal
- 9
- Brennstoffeindüsung
- 9a
- Brennstoffdüsen
- 9b
- Brennstoffdüsen
- 10
- Rotor
- 11
- Verbrennungsluft
- 12a
- Teilstrom
- 12b
- Teilstrom
- 13
- Profilschränkung
- 14
- Heissgase
- 15
- Heissgase
- 15a
- Abgase
Claims (4)
- Wärmeerzeuger zur Heissgaserzeugung, der stromab einer Strömungsmaschine und stromauf einer Turbine plaziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeerzeuger (
1 ) als ein durch eine Aussenwand (5 ) und eine Innenwand (4 ) begrenzter ringförmiger Raum ausgebildet ist, dass Aussenwand (5 ) und Innenwand (4 ) mit einer Anzahl radial verlaufender angeströmter Träger (6 ) miteinander verbunden sind, dass der Träger (6 ) mit mindestens einem Zufuhrkanal (8a ) für einen Brennstoff (8 ) und einer Anzahl Brennstoffdüsen (9a ,9b ) versehen ist, und dass der Träger (6 ) in Strömungsrichtung stromab der Brennstoffdüsen (9a ,9b ) mindestens eine wirbelerzeugende Profilschränkung (13 ) aufweist. - Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (
6 ) ein schaufelförmiges Profil aufweist. - Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (
6 ) mindestens einen luftführenden Kanal (7a ) aufweist. - Wärmeerzeuger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Profilschränkung (
13 ) innerhalb des Trägers (6 ) zwei Unterdruckflächen (6a ,6c ) schafft, und dass jeweils die Unterdruckflächen (6a ,6c ) mit den Brennstoffdüsen (9a ,9b ) versehen sind.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ASEA BROWN BOVERI AG, BADEN, CH |
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8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: LUECK, G., DIPL.-ING. DR.RER.NAT., PAT.-ANW., 7976 |
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8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: ZIMMERMANN & PARTNER, 80331 MUENCHEN |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ALSTOM, PARIS, FR |
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8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |