EP1016830A2 - Brennkammer für eine Gasturbine - Google Patents
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- EP1016830A2 EP1016830A2 EP99811182A EP99811182A EP1016830A2 EP 1016830 A2 EP1016830 A2 EP 1016830A2 EP 99811182 A EP99811182 A EP 99811182A EP 99811182 A EP99811182 A EP 99811182A EP 1016830 A2 EP1016830 A2 EP 1016830A2
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
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- F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
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Definitions
- the proposed design of the combustion chamber is based, among other things, on the spectacular merging and mixing behavior of colliding, with opposing Rotating, rotating, subcritical vortices. This phenomenon occurred on Flow behavior in front of and in radial outlet pipes of steam turbines discovered. It is shown there that only when radial outlet pipes are attached A loss-free outflow of the rotating air is possible while losses occur due to swirling in simple openings. A detailed look at the behavior of the air flow before and in one Such a radial outlet pipe shows that two pipes with opposite directions in front of the pipes Rotating, rotating subcritical vortices collide, and the rotation of the two vertebrae within a distance of less than one Completely cancel each other out.
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Abstract
Bei einer Brennkammer (13,14,18,22) für eine Gasturbine, in welcher Brennkammer
(13,14,18,22) Brennstoff mit einem in die Brennkammer (13,14,18,22) eintretenden
Luftstrom (10) vermischt und anschliessend verbrannt wird, und der entstehende
Verbrennungsluftstrom (33) stromab der Brennkammer (13,14,18,22)
einer Turbine zugeführt wird, wird ein schnelles und effizientes Vermischen von
Luftstrom und Brennstoff dadurch bewirkt, dass die Brennkammer (13,14,18,22)
einen ringförmigen Diffusor (13) aufweist, in welchen der Luftstrom (10) eintritt,
dass stromab des Diffusors (13) und mit diesem in Verbindung stehend mindestens
eine im wesentlichen ringförmige toroidale Kammer (14) angeordnet ist,
dass stromab der ringförmigen toroidalen Kammer (14) und über deren Umfang
verteilt Mischröhren (22) abzweigen, und dass stromab der Mischröhren (22) ein
ringförmiger Brennraum (18) angeordnet ist, in welchen die Mischröhren (22) einmünden.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft
eine Brennkammer für eine Gasturbine, in welcher Brennkammer Brennstoff mit
einem in die Brennkammer eintretenden Luftstrom vermischt und anschliessend
verbrannt wird, und der entstehende Verbrennungsluftstrom stromab der Brennkammer
einer Turbine zugeführt wird.
Gasturbinen werden heute häufig derart konstruiert, dass der hindurchgeführte
Luftstrom durch zwei Brennkammern und entsprechend zweimal über Turbinen
geleitet wird. Die angesaugte Luft wird dabei zunächst über eine Verdichtergruppe
geführt, und anschliessend in eine Primärbrennkammer geleitet, wo zugeführtes
Brennstoff-Luft-Gemisch gezündet und verbrannt wird. Aus der Primärbrennkammer
strömt die heisse Verbrennungsluft über eine erste Turbine, und wird stromab
der ersten Turbine einer Sekundärbrennkammer zugeführt, wo Brennstoff und nötigenfalls
weitere Zuluft beigemischt wird und das Gemisch zündet. Da die aus der
ersten Turbine ausströmenden Gase häufig sehr heiss, d.h. oberhalb der Selbstzündungstemperatur
der Brennstoffe sind, kann in der Sekundärbrennkammer
meist auf aktive Zündung verzichtet werden. Stromab der Sekundärbrennkammer
befindet sich dann eine zweite Turbine, über welche die heissen Verbrennungsgase
aus der Sekundärbrennkammer strömen.
Aus Platzgründen und zur technischen Vereinfachung werden bei derartigen Gasturbinen
die einzelnen Komponenten meist in Serie entlang einer Hauptachse der
Gasturbine angeordnet. Eine solche Gasturbogruppe ist beispielsweise aus der
EP 0 620 362 A1 bekannt. Die einzelnen Kanäle für die Luftströme und die Brennkammern
werden dabei meist alle im wesentlichen in Form von Hohlzylindern,
welche um die Achse der Gasturbine herumgreifen, ausgebildet.
Sekundärbrennkammern für derartige Gasturbinen sind in der Regel verhältnismässig
einfach gestaltet, da sie keine Brenner benötigen, sondern der Brennstoff
nach einer geeigneten Verwirbelung der aus der ersten Turbine austretenden heissen
Luft einfach über Düsen in den Luftstrom eingedüst werden kann, und sich
das Gemisch nach einer charakteristischen Zeit von selbst entzündet. Eine einfache,
hohlzylindrisch ausgebildete Sekundärbrennkammer ist beispielsweise aus
der EP 0 669 500 A1 bekannt.
Infolge der u.a. wegen der kurzen Selbstzündungszeiten von insbesondere gasförmigen
Brennstoffen notwendigerweise hohen Machzahlen in Sekundäbrennkammern
treten in diesen häufig thermoakkustische Oszillationen grosser Amplitude
auf. Ausserdem stellt sich die Problematik der schnellen und effektiven Vermischung
von Luft und Brennstoff in der Brennkammer unter Vermeidung von
Strömungsrückfluss. Meist werden dazu spezifische wirbelerzeugende Elemente
vorgesehen. Des weiteren muss insbesondere in neuerer Zeit bei der Vermischung
und der Verbrennungsführung darauf geachtet werden, dass die Emissionswerte
innerhalb gesetzlich zulässiger Schranken bleiben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brennkammer für Gasturbinen zu schaffen,
welche Nachteile der bekannten Lösungen vermeidet und sich insbesondere
durch gute und effiziente Vermischung von Brennstoff und zugeführter Luft auszeichnet.
Die Aufgabe wird bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, dass die Brennkammer einen ringförmigen Diffusor aufweist, in welchen
der Luftstrom eintritt, dass stromab des Diffusors und mit diesem in Verbindung
stehend mindestens eine im wesentlichen ringförmige toroidale Kammer angeordnet
ist, dass stromab der ringförmigen toroidalen Kammer und über deren Umfang
verteilt Mischröhren abzweigen, und dass stromab der Mischröhren ein ringförmiger
Brennraum angeordnet ist, in welchen die Mischröhren einmünden. Der Kern
der Erfindung besteht darin, durch die Kombination von Diffusor, ringförmig toroidaler
Kammer und Mischröhren eine vormischende Struktur zur Verfügung zu
stellen, in welcher sich hindurchströmende Luft in optimaler Weise, d.h. schnell
und effizient mit Brennstoff vermischen lässt. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus,
dass die vorgeschlagene Konfiguration in reduziertem Masse zu thermoakkustischen
Oszillationen neigt.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Brennkammer
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer als Sekundärbrennkammer
ausgelegt ist, und dass die Gasturbine eine Primärbrennkammer, eine stromab
der Primärbrennkammer wirkende erste Turbine, eine stromab der ersten Turbine
wirkende Sekundärbrennkammer, sowie eine stromab der Sekundärbrennkammer
wirkende zweite Turbine aufweist. Der Einsatz der Brennkammer als Sekundärbrennkammer
ist vorteilhaft, da gerade bei derartiger Verwendung bei hohen
Machzahlen kurze Mischzeiten erforderlich sind. Insbesondere wenn die Zündung,
wie in einer weiteren Ausführungsform beschrieben, in der Sekundärbrennkammer
durch Selbstzündung erfolgt, ist das schnelle und rückstromfreie Mischen in der
vorgeschlagenen Anordnung vorteilhaft, und es kann so eine kontrollierte Verbrennung
im Bereich des Ausgangs der Mischröhren in den Brennraum oder im
Brennraum gewährleistet werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Brennkammer nach der Erfindung
zeichnet sich dadurch aus, dass der Diffusor derart ausgestaltet ist, dass der parallel
zur Gasturbinenachse strömende und in die Brennkammer eintretende Luftstrom
zunächst in im wesentlichen radiale Richtung abgelenkt wird, und dass der
Diffusor in tangentialer Weise an die ringförmig toroidale Kammer angreift, so dass
sich der in die ringförmig toroidale Kammer eintretende Luftstrom im Torus aufrollt
und um die ringförmige Torusnebenachse wirbelt. Werden nun weiterhin bevorzugt
die Mischröhren auf der im wesentlichen dem Diffusor entgegengesetzten
Seite in im wesentlichen zur Achse der Gasturbine paralleler Weise angebracht,
so treffen jeweils vor den Mischröhren zwei Wirbel unterschiedlichen Schraubendrehsinns
aufeinander, und strömen dann unter gegenseitiger Vermischung und
Vernichtung der Wirbel durch die Mischröhren. Dies ergibt die Möglichkeit, wie in
einer weiteren Ausführungsform beschrieben, im oder vor dem Bereich dieser
Vermischung der gegenläufigen Wirbel Mittel vorzusehen, mit welchen Brennstoff
in den Luftstrom eingedüst werden kann. So kann der Mischprozess kurz gehalten
und die Zündungsfront auf den gewünschten Ort eingestellt werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Brennkammer ergeben sich aus den
abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
- Fig. 1
- einen axialen Längsschnitt durch einen Teil einer Gasturbine mit Sekundärbrennkammer;
- Fig. 2
- eine Teilansicht eines Schnittes entlang der Konusebene X-X aus Figur 1 in einer Ansicht von aussen nach innen; und
- Fig. 3
- die Wirbelzahl (swirl number) als Funktion des kleinen Torusradius (small radius of torus) in Metern.
Die vorgeschlagene Gestaltung der Brennkammer beruht unter anderem auf dem
spektakulären Vereinigungs- und Mischverhalten von kollidierenden, mit gegenläufig
Drehsinn rotierenden, subkritischen Wirbeln. Dieses Phänomen wurde am
Strömungsverhalten vor und in radialen Ausgangsrohren von Dampfturbinen entdeckt.
Es zeigt sich nämlich dort, dass nur bei Anbringung von radialen Ausgangsrohren
ein möglichst verlustfreies Ausströmen der rotierenden Luft möglich ist,
während bei einfachen Öffnungen Verluste infolge von Verwirbelungen auftreten.
Eine detaillierte Betrachtung des Verhaltens der Luftströmung vor und in einem
solchen radialen Ausgangsrohr zeigt, dass vor den Rohren jeweils zwei mit gegenläufigem
Drehsinn schraubend rotierende, subkritische Wirbel kollidieren, und
sich die Rotation der zwei Wirbel innerhalb einer Distanz von weniger als einem
Durchmesser des Ausgangsrohrs vollständig gegenseitig aufhebt.
Während normalerweise bei Brennkammern und insbesondere bei Sekundärbrennkammern
nach dem Stand der Technik wirbelerzeugende Elemente wie
Verwirbelungsbleche oder Störungslufteintritte vorgesehen werden müssen, um
eine schnelle und effektive Vermischung von Luft und Brennstoff zu gewährleisten,
beruht die Vermischung in der vorgeschlagenen Brennkammer auf einer Strukturierung
und Führung der Strömungskanäle, welche eine kontrollierte Wirbelbildung
und Vermischung der hindurchströmenden Luft inhärent ergibt.
Das neue Konzept ist in Figur 1 anhand einer Sekundärbrennkammer schematisch
dargestellt. Figur 1 zeigt einen Längsschnitt entlang der Achse 21 einer Gasturbine.
Im wesentlichen erhält man dabei die gesamte dreidimensionale Brennkammerstruktur
indem man den Schnitt um die Achse 21 rotiert, d.h. es handelt
sich bei den Kanalisierungskomponenten mit ausnahme der Mischrohre 22 um
axialsymmetrische Teile um die Achse 21 der Gasturbine. Der heisse, aus der ersten
Brennkammer, der Primärbrennkammer, austretende Luftstrom strömt bei der
dargestellten Gasturbine zunächst über eine erste Turbine 11, welche in einem
Lager 31 gelagert ist. Stromab der ersten Turbine 11 befindet sich eine kurze
hohlzylindrische Ausströmleitung 12, durch welche der Luftstrom aus der ersten
Turbine 10 parallel zur Achse 21 der Gasturbine hindurchströmt. Die Ausströmleitung
12 ist dabei bevorzugt gerade so lang, dass sich das axiale hohlzylindrische
Strömungsprofil im Luftstrom 10 wieder erholen kann. Stromab der Ausströmleitung
12 befindet sich ein Diffusor 13, in welchem der Luftstrom kontrolliert von der
axialen Richtung abgelenkt wird. Die Ablenkung geschieht dabei in Figur 1 nach
aussen in beinahe radiale Richtung, es ist aber grundsätzlich auch denkbar, die
Ablenkung nach innen vorzunehmen. Die Kurvatur des Diffusors 13 kann mit Hilfe
der inversen Eulergleichungen optimiert werden. Es geht im Diffusor 13 im wesentlichen
darum, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms ungefähr
zu halbieren.
Der Diffusor 13 stösst stromabwärts in tangentialer Weise an eine ringförmig toroidale
Kammer 14 an. Der Torus 14 ist senkrecht zur Achse 21 des Generators angeordnet,
mit einem grossen Torusradius 29 um die Achse 21, d.h. die Torushauptachse
27 und die Achse 21 des Generators fallen zusammen. Die Kreislinie
des grossen Torusradius 29 bildet die ringförmige Torusnebenachse 26, und die
Torusaussenwand 30 wird durch einen kleinen Torusradius 28 um die ringförmige
Torusnebenachse 26 gebildet. Infolge des tangentialen Einströmens des Luftstroms
aus dem Diffusor 13 in die ringförmig toroidale Kammer 14 wird der Luftstrom
in kontrollierter Weise um die ringförmige Torusnebenachse 26 umgelenkt
und rollt sich in Form eines Torus nach innen auf, so wie das aus dem ersten Abschnitt
der Trajektorie 15 des Wirbelzentrums in Figur 1 ersichtlich ist.
Stromabwärts der ringförmigen toroidalen Kammer 14 befinden sich eine Mehrzahl
von Mischröhren 22, welche senkrecht zur ringförmigen Torusnebenachse 26 von
der Kammer 14 abzweigen und auf dem Umfang der Kammer 14 verteilt sind.
Durch diese Mischröhren 22 strömt der im Torus 14 aufgerollte Luftstrom aus der
ringförmig toroidalen Kammer 14 ab. Die Mischröhren 22 sind zylindrisch oder
wenigstens teilweise konisch ausgebildet und weisen vorzugsweise einen Radius
im Bereich des kleinen Torusradius 28 auf. Stromab der Mischröhren 22 befindet
sich der eigentliche Brennraum 18, welcher wieder im wesentlichen als Hohlzylinder
um die Achse 21 ausgebildet ist, und stromab dieses Brennraums 18 ist eine
zweite Turbine angeordnet.
Figur 2 zeigt einen Teil eines konischen Schnittes durch die Kammer 14 und die
Mischröhren 22 entlang der Ebene X-X in Figur 1 in Sicht von aussen nach innen.
Anhand dieses Schnittes lässt sich das Verhalten des Luftstromes in der Kammer
14 und den Mischröhren 22 illustrieren. Betrachtet man der Einfachheit halber den
Luftstrom, der genau mittig zwischen zwei Mischröhren 22 tangential aus dem
Diffusor 13 in die Kammer 14 eintritt, so trennt sich dieser in zwei nach links und
nach rechts ausweichende Wirbel 24 und 25 auf, welche unterschiedlichen
Schraubendrehsinn haben, 24 entspricht dabei einer linksdrehenden Schraube, 25
einer rechtsdrehenden. Jeder der Teilwirbel 24 und 25 "schraubt" sich nun in
Richtung der nächstgelegenen Mischröhre 22, um dort aus der Kammer 14 ausströmen
zu können. Wenn die geometrischen Abmessungen richtig gewählt werden,
findet Strömungsumkehr, wenn überhaupt, nur in den stromaufwärts der
Mischröhren 22 liegenden Bereichen der ringförmig toroidalen Kammer 14 auf.
Unmittelbar von den Mischröhren 22 treffen nun jeweils zwei mit unterschiedlichem
Schraubendrehsinn behaftete Wirbel aufeinander. Sobald die zwei Wirbelzentren
in die Mischröhren 22 eintreten, hört jede Strömungsumkehr auf, und es
bilden sich jet-artige Wirbelzentren. An einer bestimmten Stelle im Bereich des
Eingangs der Mischröhren nähern sich die gegenläufigen Wirbel maximal an und
genau in diesem Bereich setzt nun der heftige Vereinigungsprozess der beiden
Wirbel ein, wobei sich die Verwirbelung vollständig aufhebt. Diese vollständige
Aufhebung erfolgt üblicherweise innerhalb einer Distanz von weniger als einem
Durchmesser der Mischröhren 22, und sie bringt die vollständige Vermischung der
beiden Luftströme mit sich.
Gerade in dem Bereich, wo sich die beiden Wirbel maximal annähern, sollen vorteilhafterweise
Düsen 32 angeordnet werden, mit welchen flüssiger oder gasförmiger
Brennstoff eingedüst werden kann. Auf diese Weise wird eine optimale
Vermischung von Brennstoff und Luft unter sicheren Bedingungen erreicht. Flüssiger
Brennstoff kann auch durch Düsen 20, welche an der den Mischröhren 22 gegenüberliegenden
Wandungsseiten der ringförmig toroidalen Kammer 14 angebracht
sind, in den Luftstrom eingedüst werden. Je nach Ort der Eindüsung, nach
Selbstzündungscharakteristik des eingedüsten Brennstoffes, nach Temperatur des
Luftstromes und nach Strömungsgeschwindigkeit bildet sich durch Selbstzündung
des Gemisches infolge der hohen Lufttemperatur eine Flammenfront, welche entweder
beim Bereich des Ausgangs der Mischröhren 22 oder dahinter im Brennraum
18 zu liegen kommen kann.
Um die Dimensionierung der einzelnen Komponenten gezielt optimieren zu können,
ist es vorteilhaft, die Wirbelzahländerungen des vorliegenden Konzeptes mit
denjenigen solcher Bauarten zu vergleichen, für welche experimentelle Daten vorhanden
sind. Die für die Kollision von subkritischen Wirbeln relevante Wirbelzahl
kann folgendermassen gefunden werden. Erhaltung des Volumenflusses verlangt,
dass gilt
AI uI = AE uE ,
wobei AI und AE die Querschnittflächen des tangentialen Eingangs des Diffusors
13 in die ringförmige toroidale Kammer 14 und die Querschnittfläche 23 der Mischröhren
22, und uI und uE die entsprechenden Strömungsgeschwindigkeiten sind.
Mit Hilfe des Exzentrizitätsradius' rI des tangentialen Eingangs und der effektiven
Geschwindigkeitskomponente wE des Wirbels beim Ausgang kann die Bedingung
für Drehimpulserhaltung folgendermassen ausgedrückt werden:
rI uI = AE π wE .
Entsprechend kann die Wirbelzahl ξ der kollidierenden Wirbel ausgedrückt werden
als
ξ = w E uE = rI AE π AI .
| Grösse | Einheit | Wert |
| Massenfluss | kg/s | 450.4 |
| Dichte | kg/m^3 | 3.81 |
| Anzahl Mischröhren | 12 | |
| Austrittsgeschwindigkeit | m/s | 140 |
| Grosser Torusradius | m | 1.4 |
| Kleiner Torusradius | m | 0.15 |
| Weite des Eintrittsschlitzes | m | 0.12 |
| Volumenfluss | m^3/s | 118.215 |
| Durchmesser der Mischröhren beim Ausgang | m | 0.2993 |
| Gesamte Austrittsfläche | m^2 | 0.8444 |
| Radius des tangentialen Eingangs | m | 1.25 |
| Gesamte Fläche des Eingangsschlitzes | m^2 | 0.9425 |
| Strömungsgeschwindigkeit beim Ausgangsschlitz | m/s | 125.43 |
| Fläche des Eingangsschlitzes pro Wirbelarm, AI | m^2 | 0.03927 |
| Exzentrizitätsradius, rI | m | 0.09 |
| Querschnittsfläche des Wirbelarms, AE | m^2 | 0.07069 |
| Wirbelzahl | 1.08 |
Tabelle 1 gibt die Werte für eine Sekundärbrennkammer mit 12 Mischröhren 22
mit jeweils einem Ausgangsradius von 300mm. Der grosse Radius der Ausgänge
der über die Kammer 14 kreisförmig um die Achse 21 verteilten Mischröhren 22 ist
dabei 1161 mm, was eine umfangsmässige Beabstandung der Mischröhren von
etwas mehr als zweimal einem Mischröhrendurchmesser ergibt.
| Grösse | Einheit | Wert 1 | Wert 2 |
| Grosser Torusradius | m | 0.0675 | 0.0675 |
| Kleiner Torusradius | m | 0.0275 | 0.0275 |
| Weite des Eintrittsschlitzes | m | 0.0085 | 0.0135 |
| Radius des tangentialen Eingangs | m | 0.04425 | 0.04675 |
| Fläche des Eingangsschlitzes pro Wirbelarm, AI | m^2 | 0.01182 | 0.001983 |
| Exzentrizitätsradius, rI | m | 0.02325 | 0.02075 |
| Querschnittsfläche des Wirbelarms, AE | m^2 | 0.002376 | 0.002376 |
| Wirbelzahl | 1.70 | 0.90 |
Vergleicht man den in Tabelle 1 gegebenen Wert für die Wirbelzahl von 1.08 mit
den in Tabelle 2 gegebenen experimentellen Werten für Ausgänge von Dampfturbinen,
so sieht man, dass dort Wirbelzahlen von 0.9 bis 1.7 auftreten. Im Fall eines
"twin-combustor" der Anmelderin, mit einer Fläche des Eingangsschlitzes pro
Wirbelarm, AI , von 0.010278m2, einem Exzentrizitätsradius, rI , von 0.04375m
und einer Querschnittsfläche des Wirbelarms, AE , von 0.047144m2 tritt eine hohe
Wirbelzahl von ξ=1.64 auf.
Um einen optimalen Kompromiss zwischen schnellem Mischen und relativ unwichtigen
Domänen von Strömungsumkehr stromaufwärts des Wirbelzentrums zu
haben, sollte die Wirbelzahl ξ im Bereich von 1 liegen. Die wohl beste Strategie
dafür ist die Variation des kleinen Torusradius 28 stromaufwärts der Mischröhren
22, wobei man mit einem Startwert von 150mm beginnen kann. Figur 3 zeigt die
Wirbelzahl (swirl number) als Funktion des kleinen Torusradius' 28 (small radius of
torus) in Metern, wobei alle anderen Werte gleich gehalten werden wie in Tabelle
1 gegeben. Man sieht, dass sich die Wirbelzahl stark ändern lässt, indem man den
kleinen Torusradius 28 variiert, erfahrungsgemäss zeigt es sich, dass optimalerweise
der kleine Torusradius 28 nicht stark vom typischen Mischröhrenradius abweichen
sollte.
- 10
- Luftstrom aus erster Turbine
- 11
- erste Turbine
- 12
- Ausstömleitung der ersten Turbine
- 13
- Diffusor
- 14
- ringförmig toroidale Kammer
- 15
- Trajektorie des Wirbelzentrums
- 16
- Wandung der Mischröhre
- 17
- Ausgang der Mischröhre
- 18
- Brennraum
- 19
- Ausgang von 18 zur zweiten Turbine
- 20
- Einspritzdüse für flüssigen Brennstoff
- 21
- Achse der Gasturbine
- 22
- Mischröhre
- 23
- Querschnittsfläche der Mischröhre
- 24,25
- gegenläufig rotierende Teilströme des Luftstroms
- 26
- Torusnebenachse
- 27
- Torushauptachse
- 28
- kleiner Torusradius
- 29
- grosser Torusradius
- 30
- Torusaussenwand
- 31
- Lager der ersten Turbine
- 32
- Einspritzdüsen für Brennstoff
- 33
- Verbrennungsluftstrom
Claims (13)
- Brennkammer (13,14,18,22) für eine Gasturbine, in welcher Brennkammer (13,14,18,22) Brennstoff mit einem in die Brennkammer (13,14,18,22) eintretenden Luftstrom (10) vermischt und anschliessend verbrannt wird, und der entstehende Verbrennungsluftstrom (33) stromab der Brennkammer (13,14,18,22) einer Turbine zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennkammer (13,14,18,22) einen ringförmigen Diffusor (13) aufweist, in welchen der Luftstrom (10) eintritt, dass stromab des Diffusors (13) und mit diesem in Verbindung stehend mindestens eine im wesentlichen ringförmige toroidale Kammer (14) angeordnet ist, dass stromab der ringförmigen toroidalen Kammer (14) und über deren Umfang verteilt Mischröhren (22) abzweigen, und dass stromab der Mischröhren (22) ein ringförmiger Brennraum (18) angeordnet ist, in welchen die Mischröhren (22) einmünden. - Brennkammer (13,14,18,22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer als Sekundärbrennkammer (13,14,18,22) ausgebildet ist, und dass die Gasturbine eine Primärbrennkammer, eine stromab der Primärbrennkammer wirkende erste Turbine (11), eine stromab der ersten Turbine (11) wirkende Sekundärbrennkammer (13,14,18,22), sowie eine stromab der Sekundärbrennkammer (13,14,18,22) wirkende zweite Turbine aufweist.
- Brennkammer (13,14,18,22) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches durch Selbstzündung erfolgt, und dass sich der Bereich der Selbstzündung beim Ausgang (17) der Mischröhren (22) in den Brennraum (18) oder im Brennraum (18) befindet.
- Brennkammer (13,14,18,22) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige toroidale Kammer (14) eine ringförmige Torusnebenachse (26) aufweist, welche mit einem grossen Torusradius (29) um eine Torushauptachse (27) verläuft, und bei welcher ringförmigen toroidalen Kammer (14) eine Torusaussenwand (30) mit einem kleinen Torusradius (28) um die Torusnebenachse (26) gebildet wird, und dass die Torushauptachse (27) im wesentlichen parallel zur Achse (21) der Gasturbine ausgerichtet ist.
- Brennkammer (13,14,18,22) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischröhren (22) im wesentlichen konisch oder zylindrisch ausgebildet sind, und dass die Achsen der Mischröhren (22) ausserhalb der Ebene der ringförmigen toroidalen Kammer (14) und im wesentlichen senkrecht zur ringförmigen Torusnebenachse (26) angeordnet sind.
- Brennkammer (13,14,18,22) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius der Mischröhren (22) im Bereich oder insbesondere bevorzugt gleich wie der kleine Torusradius (28) ausgebildet ist.
- Brennkammer (13,14,18,22) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärbrennkammer eine Ringbrennkammer ist, dass zwischen der ersten Turbine (11) und dem Diffusor (13) eine als Hohlzylinder ausgebildete Ausströmleitung (12) angeordnet ist, und dass die Achse der Ausströmleitung (12) parallel zur Achse (21) der Gasturbine verläuft.
- Brennkammer (13,14,18,22) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Diffusor (13) derart ausgebildet ist, dass der durch die Ausströmleitung (12) parallel zur Achse (21) der Gasturbine strömende Luftstrom (10) vom Diffusor (13) abgelenkt wird, und dass insbesondere bevorzugt diese Ablenkung in im wesentlichen radial zur Achse (21) der Gasturbine verlaufender Richtung bewirkt wird.
- Brennkammer (13,14,18,22) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (13) in tangentialer Weise an die ringförmig toroidale Kammer (14) angreift.
- Brennkammer (13,14,18,22) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Diffusor (13) derart ausgebildet ist, dass der Luftstrom (10) vom Diffusor (13) im wesentlichen radial nach aussen umgeleitet wird, und dass der Diffusor (13) in tangentialer Weise von innen an die ringförmige toroidale Kammer (14) angreift.
- Brennkammer (13,14,18,22) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischröhren (16) im wesentlichen der Eintrittsöffnung des Diffusors (13) in die ringförmige toroidale Kammer (14) gegenüber angeordnet sind, und dass sie im wesentlichen parallel zur Achse (21) der Gasturbine ausgerichtet sind.
- Brennkammer (13,14,18,22) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass entweder auf der den Mischröhren (16) abgewandten Rückseite der ringförmigen toroidalen Kammer (14) oder im zentralen Bereich der Mischröhren (16) stromab der ringförmigen toroidalen Kammer (14) Mittel (20,32) angeordnet sind, mit welchen flüssiger Brennstoff eingedüst werden kann.
- Brennkammer (13,14,18,22) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im zentralen Bereich der Mischröhren (16) stromab der ringförmigen toroidalen Kammer (14) Mittel (32) angeordnet sind, über welche gasförmiger Brennstoff eingedüst werden kann.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19860583 | 1998-12-29 | ||
| DE19860583A DE19860583A1 (de) | 1998-12-29 | 1998-12-29 | Brennkammer für eine Gasturbine |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
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