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Brennkammeranordnung für Gasturbinen Die Erfindung bezieht sich auf
Anordnungen für die Durchführung der Verbrennung bei Gasturbinen.
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In einer Form, die im nachstehenden als die erste Form bezeichnet
werden soll, wird die Verbrennung in einem Kranz langgestreckter Brennkammern durchgeführt,
von denen jede aus einer eigentlichen Feuerkammer besteht, in der die Verbrennung
im wesentlichen durchgeführt wird und die von einem Ringraum umgeben ist, durch
den kühlende Verdünnungs-oder Mischluft hindurchströmt. Der zugeführte Brennstoff
kann zerstäubt oder durch Vorerhitzung verdampft werden.
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Nach einer anderen Ausführungsweise, die im nachstehenden als die
zweite Form bezeichnet werden soll, besteht eine derartige Anlage aus einer Ringkammer,
bei welcher die im wesentlichen gleichförmige ringartige Feuerkammer an ihrem inneren
und äußeren Umfang durch ringförmige Durchflußquerschnitte für die kühlende Mischluft
wärmegeschützt ist.
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Die Erfindung hat sich in erster Linie die Aufgabe gestellt, die Verbrennung
in einfacher und wirkungsvoller Weise einzuleiten und insbesondere eine gute Zündung
unter allen in Frage kommenden Verhältnissen der Luftströmung durch die Anlage sicherzustellen.
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An anderer Stelle wurde eine Anordnung in Verbindung mit der ersten
Form vorgeschlagen, bei welcher wenigstens eine der Feuerkammern mit einer Zerstäubungsvorrichtung
für den Brennstoff und einer zugehörigen elektrischen Zündkerze oder sonstigen
Zündvorrichtung
ausgerüstet ist. Solche Zündvorrichtungen wurden als Fackel- oder Brennerzünder
bezeichnet. Dabei wurden alle übrigen Feuerkammern, die eine solche Zündvorrichtung
nicht aufweisen, mit einem Brennstoffzerstäuber versehen, der unter verhältnismäßig
hohem Druck arbeitet und so angeordnet ist, daß der von ihm zerstäubte Brennstoff
in der Kammer durch das brennende Gemisch gezündet wird, das durch seitliche Durchtrittsöffnungen,
die sämtliche Feuerkammern miteinander verbinden, von einer benachbarten Kammer,
in der die Zündung bereits erfolgt ist, zutritt. Eine solche Anordnung arbeitet
unter normalen Anlaßbedingungen mit einem außerordentlich guten Wirkungsgrad; wenn
jedoch sehr hohe Luftgeschwindigkeiten mitspielen, beispielsweise wenn ein durch
eine solche Anlage angetriebenes Flugzeug Sturzflüge ausführt, können Zündungsschwierigkeiten
auftreten.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Brennkammeranordnung, bei welcher
eine Feuerkammer, in welcher die Verbrennung im wesentlichen bis zum Ende durchgeführt
wird, von einem von kühlender :Mischluft durchströmten Ringraum umgeben ist; dieser
Raum steht vor der Feuerkammer mit einem abgeschirmten Bereich in Verbindung, in
welchem sich die Luft verhältnismäßig in Ruhe befindet und an den zum Anlassen ein
Brennstoffhilfszerstäuber angeschlossen ist, der von der Hauptbrennstoffversorgung
der Feuerkammer unabhängig ist.
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Bei Anlagen der ersten Form besitzt nach einem weiteren Merkmal der
Erfindung wenigstens eine der Brennkammern eine dem Hilfsbrennstoffzerstäuber zugeordnete
elektrische Zündkerze, der auf diese Weise einen sogenannten Brennerzünder bildet,
innerhalb des abgeschirmten Bereichs, während diese abgeschirmten Räume benachbarter
Kammern gleichzeitig untereinander durch seitliche Übertritte miteinander verbunden
sein können.
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Ein Hauptvorteil einer solchen Anordnung ist darin zu erblicken, daß
seitliche Verbindungsöffnungen zwischen den eigentlichen Feuerkammern nicht mehr
erforderlich sind.
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Bei einer Anlage der zweiten Form wird erfindungsgemäß eine Anzahl
von Hilfsbrennstoffzerstäubern in Abständen voneinander an den abgeschirmten Raum
angeschlossen, der ebenfalls ringförmig ist, und auch dabei wird wenigstens einem
der Hilfsbrennstoffzerstäuber eine Zündkerze zugeordnet.
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Sobald die Zündung erfolgt ist, muß der Zutritt des Brennstoffs zu
den Hilfszerstäubern abgeschaltet werden, um ein Ausbrennen des vor der Feuerkammer
liegenden Teiles der Brennkammeranordnung zu verhindern. Zu diesem Zweck kann man
sich eines Zeitschalters, eines Zentrifugalschalters oder eines auf Temperaturänderung
ansprechenden Schalters bedienen.
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Die Erfindung ist beispielsweise in der Zeichnung veranschaulicht.
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Fig. i ist die Seitenansicht eines Teils einer Gasturbine mit einer
Brennkammeranordnung nach der ersten Form mit sechs Brennkammereinheiten nach der
Erfindung; Fig. 2 ist eine Teilansicht in den Hauptumrißlinien der ringförmigen
Halteanordnung der Brennkammereinheiten nach der Linie 2-2 in Fig. i ; Fig. 3 ist
ein Teilschnitt in vergrößertem Maßstab durch eine Ausführungsform einer Feuerkammer
nach der Erfindung im wesentlichen nach der Linie 3-3 in Fig. 2 ; Fig.4 ist ein
Querschnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 3 ; Fig. 5 veranschaulicht in noch größerem
Maßstab einen Teilschnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 2 ; Fig. 6 zeigt einen schematischen
Teilschnitt durch eine ringförmige Feuerkammer nach der zweiten Form, während Fig.
7 ein Schnitt nach der Linie 7-7 in Fig. 6 ist. Fig. i und 2 zeigen die Umrißlinien
eines Ringteils io, der die Austrittsseite des bei ii angedeuteten Verdichters bildet.
Das Brennkammersystem besteht aus sechs langgestreckten in einem Kranz um die Achse
der Anordnung angeordneten Kammereinheiten 13, 13. Wie Fig. 2 und 3 zeigen,
sind alle diese Kammern im wesentlichen untereinander gleich. Jede besitzt ein Außengehäuse
14 und ein die eigentliche Feuerkammer bildendes Innengehäuse, beide von kreisförmigem
Querschnitt. Das Innengehäuse ist aus einer Anzahl von Ringen aufgebaut, die unter
Belassung radialer Zwischenräume einander überlappen. In den Fig. 3 und 4 sind beispielsweise
nur drei solcher Ringe 1s, 16 und 17 gezeigt. Die Brennkammereinheiten geben ihre
Gase an die Turbine ab, die bei 12 angedeutet ist.
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Jede Feuerkammer ist an ihrer Eintrittsseite durch eine Stoßwand i9
verschlossen, in der sich ein Kranz von vier Löchern zur Aufnahme der Eintrittsöffnungen
)-förmiger Rohre 2o befindet. Die Austrittsenden 21 dieser Rohre sind wieder auf
die Stoßwand i9 zu gerichtet. Die Luft strömt auf ihrem Wege vom Verdichter ii zur
Turbine i2 in Fig. i und 3 von links nach rechts. Die Primärluft für die Verbrennung
tritt in die Eintrittsöffnungen der )-förmigen Rohre 2o ein und mischt sich hier
mit Brennstoff, der durch Leitungen 22, 22 bei einem verhältnismäßig niedrigen Druck
(aufwärts bis zu etwa 0,7 kg/cm2) zugeführt wird.
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In der Stoßwand i9 befindet sich ein weiterer Lochkreis zur Aufnahme
zylindrischer becherförmiger Teile 24, 24. Jedes dieser Teile besitzt einen Schlitz
25 zur Bildung einer Düse für Sekundärluft, die sich mit dem Gemisch von Brennstoff
und Primärluft vermischt, das aus den Austrittsöffnungen 21 der ,l-förmigen Rohre
austritt. Auf diese Weise wird die vollständige Durchführung der Verbrennung in
der Feuerkammer sichergestellt. Zusätzliche Luft strömt durch die beiden Ringspalte
26, 26 zu, die sich zwischen den Ringteilen 15 und 16 bzw. 16 und 17 und
den Distanzstücken 27, 27 bilden. Diese zusätzliche Luft dient ebenfalls der Kühlung
der Ringe 16, 17 und ihrem Schutz gegen die Feuergase innerhalb der Feuerkammer.
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Misch- und Kühlluft strömt durch den die Feuerkammer umgebenden Ringraum
29 und mischt sich schließlich mit den Brenngasen, die aus dem in Fig. 3 nicht gezeichneten
Austrittsende der Feuerkammer austreten.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein
Gehäuse
31 (Fig. 3 und 5) an das Eintrittsende jeder Feuerkammer innerhalb des Teils io
nach vorn angeschlossen. Am Vorderende jedes Gehäuses 31 befindet sich ein nach
innen umgebogener Flansch 32, durch den die Primärluft und die Sekundärluft für
die Schlitzdüsen 25 sowie die Hauptbrennstoflleitung 33, an die die Einzelleitungen
22 angeschlossen sind, hindurchtreten. Auf diese «'eise wird innerhalb der Gehäuse
31 ein den Flansch 32 umgebender Ringraum 34 gebildet, innerhalb dessen sich die
Luft unter allen Betriebsbedingungen in einem verhältnismäßig ruhenden Zustand befindet.
Der Raum wird durch ein Armkreuz o. dgl. 35 abgeschlossen, das in seiner Mitte die
Leitungen 22 und 33 trägt. Diesem Raum 34 sind der Brennerzünder 36 in Fig. 3 und
der Hilfsbrennstoffzerstäuber 39 in Fig. 5 zugeordnet. Der Brennerzünder besteht
aus einer Zündkerze, von der ein Teil bei 37 angedeutet ist, und einem Hilfszerstäuber
für den Brennstoff, von dem ein Teil bei 38 angedeutet ist. Außerdem sind an diese
Räume 34 die seitlichen Verbindungsleitungen 40, 4o angeschlossen, die jede Brennkammereinheit
mit ihren beiden benachbarten Einheiten verbinden.
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Sobald beim Starten der Gasturbine mit Hilfe eines Brennerzünders
36 die Zündung bewirkt ist, tritt der größte Teil der brennenden Gasmischung im
Ringraum 34 durch das Armkreuz 35 und dann durch die Schlitze 25 für die Sekundärluft
in die Feuerkammer und zündet dort die Mischung, die aus den Austrittsöffnungen
21 der J-förmigen Rohre austritt. Gleichzeitig werden diese Rohre erhitzt und dadurch
die Verdampfung der Brennstoffteilchen in der die Rohre durchströmenden Mischung
gefördert. Ein kleiner Anteil der in dem Raum 34 gezündeten Mischung wird wahrscheinlich
auch in die Eintrittsöffnungen der l-förmigen Rohre eintreten, doch ist die Mischung
aus Brennstoff und Primärluft in diesen Rohren zu fett, als daß es wahrscheinlich
wäre, daß auch schon innerhalb dieser Rohre eine Vorzündung stattfindet. Gleichzeitig
tritt ein Teil der im Ringraum 34 gezündeten Mischung durch die seitlichen Verbindungsleitungen
40 zu den Hilfsbrennstoffzerstäubern in den Ringräumen 34 der benachbarten Brennkammereinheiten,
zündet den zerstäubten Brennstoff in diesen und so fort.
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Bei der praktischen Ausführung der Erfindung erhalten zweckmäßig zwei
sich diametral gegenüberliegende Kammereinheiten Brennerzünder 36. Diese doppelte
Anordnung verhindert ein Versagen der Zündung, falls zufällig eine der Zündvorrichtungen
versagen sollte. Die übrigen Kammereinheiten, in dem beschriebenen Beispiel vier,
besitzen lediglich Hilfsbrennstoffzerstäuber 39.
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Die in den Fig.6 und 7 dargestellte ringförmige Feuerkammer besteht
in der Hauptsache aus drei Außenringen i5a, 16a und 17a, die sich gegenseitig überlappen
und in radialer Richtung mit Hilfe wehförmiger Streifen 26a getrennt sind. In gleicher
Weise ist die ringförmige Innenfläche der Feuerkammer aus frei sich überlappenden
Ringteilen 15b, i66 und i76 aufgebaut, die in radialer Richtung voneinander mit
Hilfe wellförmiger abgesetzter Ringe 26b getrennt gehalten werden. Die Eintrittsöffnungen
2o° der !-förmigen Rohre sind in einer ringförmigen Stoßwand iga gelagert, in der
gleichfalls versetzt zu den Austrittsöffnungen 21a der J-förmigen Rohre Schlitzdüsen
24a für die Zuführung von Sekundärluft angeordnet sind. 31a (Fig. 6) ist ein nach
vorn gerichtetes Außengehäuse, das einen ringförmigen Bereich 34a abschirmt, in
welchem sich die Luft verhältnismäßig in Ruhe befindet und an welchen der Brennerzünder
3611 oder mehrere über den Umfang verteilte Brennerzünder angeschlossen sind.