DE1039785B

DE1039785B - Brennkammer mit hoher Waermebelastung, insbesondere fuer Verbrennung heizwertarmer, gasfoermiger Brennstoffe in Gasturbinenanlagen

Info

Publication number: DE1039785B
Application number: DEM35591A
Authority: DE
Inventors: Christian Schoerner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1957-10-12
Filing date: 1957-10-12
Publication date: 1958-09-25
Also published as: GB894054A

Description

DEUTSCHES

Es ist bekannt, daß man auch bei der Verbrennung in Brennkammern Gas und Luft nur bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten mischen und abbrennen kann, wenn eine stabile Brennzone bzw. Flamme entstehen soll. Dies gilt vor allem für gasförmige Brennstoffe mit mäßiger Zündgeschwindigkeit. Ferner ist dieUnterbringung ausreichender Ausströmquerschnitte an der Stirnseite einer Brennkammer namentlich dann schwierig, wenn der Heizwert des Brenngases niedrig ist und daher relativ große Brenngasmengen zur Erzielung der geforderten Heizleistung zugeführt werden müssen.

Die Zuordnung von möglichst wenig Primärluft, gegebenenfalls unter dem theoretischen Minimum, sichert zwar eine stabile Brennzone selbst bei wechselnder Belastung, erfordert aber eine sehr genaue räumliche Zuteilung dieser geringen Primärluftmengen an die aufgeteilten Brenngasstrahlen. Für den Betrieb in Gasturbinenanlagen ist schließlich noch der Gesamtdruckverlust der Brennkammer bedeutungsvoll, weshalb zur Erreichung einer günstigen Verteilung von Brennluft und -gas sowie zur Führung der während der Verbrennung und späteren Temperaturabsenkung mittels Sekundär- und Mischluft beteiligten Gasmassen innerhalb der Brennkammer ein Strömungszustand angestrebt wird, der bei wenig Eigenwiderstand ein ausgeglichenes Temperaturfeld im Treibgas am Ausgang der Brennkammer ergibt.

Man hat daher schon Brennkammern vorgeschlagen, in denen die Verweilzeit zur Mischung der Verbrennungspartner bzw. der zusätzlichen Mischluft durch eine Drallbewegung dieser Gasmassen verlängert wird. Bei einem bekannten Gasbrenner z. B. sind in einem Kreisring abwechselnd Gas- und Luftkammern bzw. -düsen angeordnet, aus denen Gas und Luft in Umfangsrichtung dar Brennkammer und schräg zu ihrer Achse ausströmen. Die Düsen münden hier etwa tangential in den Brennraum, und es sind keinerlei besondere Ablenk- oder Prallflächen vorgesehen. Die Abmessungen des Verbrennungsraumes und die Schräglage der Düsen sind derart gewählt, daß der Brennraum vom Gasstrom vollkommen ausgefüllt wird, so daß die Gasdüsen auf die Luftdüsen und, umgekehrt, die Luftdüsen auf die Gasdüsen Saugwirkungen ausüben. Hierdurch soll der Rückschlag von Gas in die Luftdüsen bzw. von Luft in die Gasdüsen vermieden werden. Die Mischung des Gases mit der Luft kann also erst im Brennraum selbst stattfinden. In Anwendung dieses bekannten Gasbrenners bei einer Gasturbinenbrennkammer hat diese Anordnung nicht nur den Nachteil der größeren Baulänge, sondern es besteht vornehmlich bei Verbrennung von Gasen mit mäßiger Zündgeschwindigkeit die Gefahr des Abreißens der Flamme bei höherer Durchsatz-

Brennkammer mit hoher Wärmebelastung, insbesondere für Verbrennung

heizwertarmer, gasförmiger Brennstoffe

in Gasturbinenanlagen

Anmelder:

Maschinenfabrik

Augsburg-Nürnberg A. G.,

Augsburg, Stadtbachstr. 7

Christian Schörner, Augsburg,
ist als Erfinder genannt worden

leistung. Außerdem ist es bekannt, daß man mittels sogenannter Ablenk- oder Prallflächen die Mischung von Gasen intensivieren und die Flamme stabilisieren kann.

Die vorliegend beschriebene Erfindung geht aus von einer Brennkammer für hohe Wärmebelastung, bei der der Brenner aus in einem Kreisring abwechselnd angeordneten Gas- und Luftkammern besteht, aus denen die Verbrennungspartner in Umfangsrichtung der Brennkammer und schräg zu ihrer Achse ausströmen. Erfindungsgemäß werden nun die schlitzartigen Austrittsöffnungen der Luft- und Gaskammern paarweise zusammengefaßt und vor jedem Paar dieser Öffnungen eine Ablenkfläche angeordnet, welche die austretenden Luft- und Gasströme gemeinsam in die angestrebte Richtung umlenkt. Eine besonders günstige Verteilung von Brenngas und Luft erhält man, wenn die Ablenkflächen derart schräg zur Brennkammerachse angeordnet sind, daß sie auf Erzeugenden eines Rotationshyperboloids oder eines Kegels liegen. Ferner kann man das Flammenbild noch dadurch verändern, daß die Ablenkflächen gewellt oder gezahnt werden.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten einer Brennkammer nach der Erfindung sollen an Hand des im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Gasbrennkammer mit einer zentral angeordneten Hilfs- oder Nebenbrennkammer zur Verbrennung flüssigen Brennstoffes,

Fig. 2 einen Schnitt längs Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 den Gasbrenner mit aufgeschnittenem Gaszuführungskanal in perspektivischer Darstellung.

809 639/136

In dem Brennkammergehäuse, bestehend aus dem zylindrischen Mantel 1, dem oberen Boden 2 und dem unteren Boden 3 mit Auslaß stutzen 4, sind die mit mehreren Reihen von Bohrungen 5 für die Zuführung von Sekundär- und Mischluft versehene Brennmuffel 6, der Gasbrenner 7 sowie eine Nebenbrennkammer 8 für ölverbrennung zentrisch angeordnet. Zwischen dem Gehäuse und der Brennmuffel 6 ist ein Zwischenraum 9 belassen, in dem sich die durch den Stutzen 10 eingeführte Luft auf die verschiedenen Öffnungen entlang den eingezeichneten Pfeilen verteilen kann und der zugleich zur Verminderung von Wärmeverlusten beiträgt.

Der Gasbrenner 7 besteht aus im Kreisring abwechselnd angeordneten Gaskammern 11 und Luftkammern 12. Diese Kammern werden begrenzt (s. Fig. 2) von etwa radial liegenden Blechwänden 13, kegeligen Wänden 14, einer Ringwand 15 und einer Diagonalwand 16. Die Primärluft für Gasverbrennung gelangt aus dem Ringraum 17 durch die Öffnungen 18 der Ringwand 15 in die Luftkammern 12. Das Brenngas wird in einem die Kammern 11, 12 umschließenden Verteilkanal 19, dem es durch den Einlaßstutzeii 20 zugeführt wird, auf die Gaskammern 11 verteilt, weshalb diese in radial auswärtiger Richtung offen, die Luftkammern 12 hingegen mit etwa dreieckigen Wandteilen 21 (Fig. 3) abgedeckt sind. Die schlitzartigen Austrittsöffnungen 22 bzw. 23 der Gas- und Luftkammern 11 bzw. 12 liegen dicht nebeneinander, da sie nur von der diagonalen Wand 16 getrennt sind. Im Vergleich zu bekannten Gasbrennern sind sie also paarweise zusammengefaßt, und vor jedem Paar solcher Öffnungen 22, 23 ist eine Ablenkfläche 24 angebracht, welche die austretenden Luft- und Gasströme gemeinsam in die angestrebte Umfangsrichtung umlenkt. Über die entweder konische oder hyperbolische Kreisringfläche des Brenners 7 gleichmäßig verteilt treten also mehrere Luft-Gas-Gemischbänder oder -strahlen in Umfangsrichtung und schräg zur Kammerachse in den Brennraum ein, so daß sich das Strömungsbild einer ziemlich geordneten schraubenlinienförmigen Drallströmung ergibt. Sie werden von den heißen Feuergasen gezündet, und auf dem weiteren Weg zur Ausgangsöffnung des Stutzens 4 wird durch Mischung mit der durch die Öffnungen 5 einströmenden Sekundär- und Mischluft die vollständige Verbrennung der brennbaren Bestandteile des Gemisches sowie die Absenkung der Temperatur auf die für den Betrieb der Gasturbine gewünschte Höhe erzielt.

Die Austrittsöffnungen der Gas- und Luftkammern sind zweckmäßig so angeordnet, daß die Austrittsöffnungen 22 der Gaskammern 11 im Strömungsschatten der durch die Öffnungen 23 ausströmenden Primärluft liegen (Rücksprung y in Fig. 2). Die zwisehen diesen beiden Öffnungen bestehende Druckdifferenz bestimmt dann die Zuteilung von Brenngas an den Primärluftstrom. Die Öffnungen 22 und 23 können als schmale Schlitze, gegebenenfalls unterbrochen von kurzen Stegen, oder von einer Reihe dicht beieinanderliegender Bohrungen gebildet sein. Ferner kann das Flammenbild dadurch verändert werden, daß man die Breite t der Öffnungen 23 und/oder die Breite δ der Öffnungen 22 auch längs der Schlitze verschieden groß bemißt. In jedem Fall wird man aber die Länge / der Schlitze22,23 sowie den Radienunter-

schied der die Längenbegrenzung der Schlitze

berührenden Kreise K₁ und K₂ den beispielsweise durch Heizwert, Zündtemperatur und Zündgeschwindigkeit des Brennstoffes, Brenntemperatur usw. gegebenen Betriebsbedingungen anpassen.

Wegen der hohen thermischen Beanspruchung der Ablenkfläche 24 empfiehlt es sich, diese aus einem hitzebeständigen Werkstoff herzustellen und auswechselbar anzuordnen. Zwecks Regelung der Brennkammer können mindestens einige Gaskammern 11 auch abschaltbar sein, z. B. mittels Klappen, Schiebern u. dgl.

Der mittlere freie Raum des kreisringförmigen Gasbrenners 7 eignet sich vorzüglich für die an sich bekannte Unterbringung einer Hilfs- oder Nebenbrennkammer für Öl, die mit 8 bezeichnet ist. Die zentral angeordnete öldüse 25, umgeben von Drallschaufeln 26, befindet sich am oberen Ende der Nebenkammer 8, deren Muffel 27 mit den Öffnungen 28 den Luftraum 17 radial einwärts begrenzt. Der Drehschieber 29 dient zur Regelung der Primärluftmenge für die Ölverbrennung.

Die Luftöffnungen der Nebenbrennkammer 8 können nun bei reinem Gasbetrieb auch für die Zufuhr von Sekundär- und Mischluft verwendet werden. Um für diesen Fall eine gute Durchmischung des aus der Nebenkammer 8 einströmenden kalten Luftanteils mit den heißen Brenngasen zu erhalten, empfiehlt es sich, den Drallströmungen in den verschiedenen Zuteilzonen verschiedene Steigungen und/oder Richtungen zu geben. Umgekehrt können auch bei reinem ölbetrieb die Luftkammern 12 des Gasbrenners für die Zweitluftzuführung \*erwendet werden. Für diese Betriebsweise können ferner auch die Gaskammern 11 für die Zuführung von Verbrennungsluft benutzt werden, um z. B. kurzzeitig Überlast decken zu können. Zu diesem Zweck ist nur vor den Gaseinlaßstutzen 20 ein Dreiwegeventil 30 zu schalten, das einerseits die Gasleitung 31 und andererseits die Luftleitung 32 mit dem Einlaßstutzen 30 verbindet.

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkammer für hohe Wärmebelastung, insbesondere für die Verbrennung heizwertarmer Gase in Gasturbinenanlagen, bei der der Brenner aus in einem Kreisring abwechselnd angeordneten Gas- und Luftkammern besteht, aus denen die Verbrennungspartner in Umfangsrichtung der Brennkammer und schräg zu ihrer Achse ausströmen, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzartigen Austrittsöffnungen (23, 22) der Luft- und Gaskammern (12, 11) paarweise zusammengefaßt sind und daß vor jedem Paar von Öffnungen eine Ablenkfläche (24) angebracht ist, welche die austretenden Luft- und Gasströme gemeinsam in die angestrebte Richtung umlenkt.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkflächen derart schräg zur Brennkammer achse angeordnet sind, daß sie auf Erzeugenden eines Rotationshyperboloids oder eines Kegels liegen.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkflächen gewellt oder gezahnt sind.

4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (22) der Gaskammern (11) im Strömungsschatten der aus den Luftkammern (12) ausströmenden Verbrennungsluft liegen.

5. Brennkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Austrittsöffnungen (23,22) der Luft- und Gaskammern als schmale Schlitze ausgebildet sind.

6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzartigen Austrittsöffnungen der Gaskammern von Stegen unt^r- brochen oder von einer Reihe nahe beieinanderliegender Bohrungen gebildet sind, wobei die freien Durchströmquerschnitte dieser Öffnungen in Längsrichtung der Schlitze verschieden groß bemessen sind.

7. Brennkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (/) der Abweisflächen (24) und der ihnen zugeordneten Schlitze der Gas- und Luftkammern sowie der Radienunterschied [---~—-\ der die Langenbegrenzung berührenden Kreise (K₁, K₂) den durch Heizwert, Zündtemperatur des Brennstoffes, Brenntemperaturen, Aufteilung der Gesamtbrennluft u. dgl. gegebenen Betriebsbedingungen angepaßt sind.

8. Brennkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkflächen auswechselbar angebracht sind und aus hitzebeständigem Werkstoff bestehen.

9. Brennkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einzelne Gaskammern für Regelungszwecke abschaltbar sind.

10. Brennkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch um den Brenner ein ringförmiger Verteilerkanal (19) für das Brenngas angeordnet ist, mit dem die Gaskammern (11) durch öffnungen verbunden sind, wohingegen die Luftkammern (12) durch rückwärtige öffnungen (18) mit einem axial hinter dem Brenner liegenden Luftzuführungsraum (17) in Verbindung stehen.

11. Brennkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Gasbrenner umschlossenen zentralen Raum eine Neben- oder Hilfsbrennkammer (8) für Verbrennung eines anderen, z. B. flüssigen Brennstoffes angeordnet ist.

12. Brennkammer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenbrennkammer (8) mit einem Steuerorgan (29) zur Regelung der Primärluft versehen ist.

13. Brennkammer nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftwege für die Zufuhr des gerade nicht verfügbaren Brennstoffes zur Zufuhr von Zweitluft für den gerade verfügbaren Brennstoff dienen.

14. Brennkammer nach einem der Ansprüche 11 bis 13. dadurch gekennzeichnet, daß die Drallströmungen in den beiden Zuteilzonen der verschiedenen Brennstoffe verschiedene Steigungen und/oder verschiedene Richtungen besitzen.

15. Brennkammer nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei reiner ölverbrennung zur kurzzeitigen Deckung von Überlast die Organe für Brenngaszufuhr für die Zufuhr weiterer Verbrennungs- und/oder Mischluft verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen