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Title:
COMBUSTION CHAMBER ASSEMBLY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1999/056059
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a combustion chamber assembly (1) comprising at least two burners (3, 39), especially an annular combustion chamber assembly for a gas turbine. The burners (3, 39) are turned toward one another such that the respective combustion gas streams (14) flowing into the combustion chamber assembly (1) are superimposed. In an another embodiment, the burners (3, 39) are tilted in relation to a combustion chamber axis (25). As a result, an acoustic detuning is achieved, whereby the formation of combustion oscillation is suppressed.

Inventors:
ADAMS ULRICH (DE)
RASCHKE KLAUS (DE)
Application Number:
PCT/DE1999/001150
Publication Date:
November 04, 1999
Filing Date:
April 16, 1999
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
ADAMS ULRICH (DE)
RASCHKE KLAUS (DE)
International Classes:
F23C3/00; F23C5/08; F23M20/00; (IPC1-7): F23C5/08; F23C3/00; F23M13/00
Foreign References:
DE19615910A11997-10-23
DE19541303A11997-05-28
DE19541303A11997-05-28
DE4339094A11995-05-18
DE2815916A11979-10-18
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 007, no. 116 (M - 216) 20 May 1983 (1983-05-20)
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, DE)
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Brennkammeranordnung (1) mit einer Brennkammer (11), in der mindestens zwei Brenner (3,39) angeordnet sind, die je weils eine Mündung (13,40) für ein Einströmen eines Brenngas stromes (14) entlang einer Mündungsrichtung (19,41) in die Brennkammer (11) aufweisen, wobei die Brennkammer (11) rotationssymmetrisch um eine Brennkam merachse (25) und die jeweilige Mündungsrichtung (19,41) als ein Einheits vektor mit einem Aufpunkt (A, B) in der Mündung und mit ei ner Einheitslänge (L) durch drei Komponentenvektoren (33, 34,35,36,37,38) definiert ist : a) eine Achsenkomponente (35,36), die zur Brennkam merachse (25) parallel ist, b) eine Ebenenkomponente (33,34), die senkrecht zur Brennkammerachse (25) ist und in einer Verbindungsebene (31,31A) liegt, die durch den Aufpunkt (A) und die Brenn kammerachse (25) aufgespannt ist und c) eine Orthogonalkomponente (37,38), die senkrecht zur Brennkammerachse (25) und zur Ebenenkomponente (33,34) ist, wobei die jeweiligen Aufpunkte (A, B) der beiden Brenner (3,39) durch eine gedachte Aufpunktslinie (LA) miteinander verbun den sind, die Orthogonalkomponenten (37,38) der beiden Brenner (3, 39) jeweils eine Aufpunktslinienkomponente (37A, 38A) ent lang der Aufpunktslinie (LA) aufweisen und wobei die Aufpunktslinienkomponenten (37A, 38A) einander entge gengerichtet sind oder eine der beiden Aufpunktslinienkom ponenten (37A, 38A) Null ist.
2. Brennkammeranordnung (1) nach Anspruch 1, bei der die jeweiligen Achsenkomponenten (35,36) eine von einander verschiedene Länge (AL, BL) aufweisen.
3. Brennkammeranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Längen (AL, BL) der Achsenkomponenten (35,36) von Null verschieden sind.
4. Brennkammeranordnung (1) mit einer Brennkammer (11), in der mindestens zwei Brenner (3,39) angeordnet sind, die je weils eine Mündung (13,40) für ein Einströmen eines Brenngas stromes (14) entlang einer Mündungsrichtung (19,41) in die Brennkammer aufweisen, wobei die Brennkammer (11) rotationssymmetrisch um eine Brennkam merachse (25) und die jeweilige Mündungsrichtung (19,41) als ein Einheits vektor mit einem Aufpunkt (A, B) in der Mündung und mit ei ner Einheitslänge (L) durch drei Komponentenvektoren (33, 34,35,36,37,38) definiert ist : a) eine Achsenkomponente (35,36), die zur Brennkam merachse (25) parallel ist, b) eine Ebenenkomponente (33,34), die senkrecht zur Brennkammerachse (25) ist und in einer Verbindungsebene (31) liegt, die durch den Aufpunkt (A) und die Brennkam merachse (25) aufgespannt ist und c) eine Orthogonalkomponente (37,38), die senkrecht zur Brennkammerachse (25) und zur Ebenenkomponente (33,34) ist, wobei die jeweiligen Achsenkomponenten (35,36) eine voneinander verschiedene Länge (AL, BL) aufweisen.
5. Brennkammeranordnung nach Anspruch 1,2,3 oder 4, bei der die Brennkammer (11) als Ringbrennkammer für eine Gasturbine, insbesondere eine stationäre Gasturbine, ausge führt ist, wobei eine Vielzahl von entlang einer Umfangsrich tung (U) der Brennkammer (11) angeordneten Brennern (3,39) in die Brennkammer (11) münden.
6. 12 6. Brennkammeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei der die beiden Brenner (3,39) zueinander unmittel bar benachbart sind.
Description:
Beschreibung Brennkammeranordnung Die Erfindung betrifft eine Brennkammeranordnung mit einer Brennkammer, in der mindestens zwei Brenner angeordnet sind.

Die Brennkammer ist insbesondere eine Ringbrennkammer einer Gasturbine.

Aus der DE 195 41 303 Al geht eine Brennkammeranordnung einer Gasturbine hervor, in die eine Anzahl von Brennern mündet.

Die Gasturbine weist eine Turbinenwelle mit einer Hauptachse auf. Jeder Brenner ist entlang einer Hauptachse gerichtet.

Zur Erzielung eines besonders hohen Wirkungsgrades ist die Hauptachse jedes Brenners zur Erzeugung eines Dralls eines Arbeitsmittels gegenüber der Hauptachse der Turbinenwelle verkippt. Durch eine solche Verkippung der Brenner kann von einem drallerzeugenden Strukturteil abgesehen werden.

In der DE 43 39 094 A1 ist ein Verfahren zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in der Brennkammer einer Gasturbine beschrieben. Bei der Verbrennung von Brennstoffen in der Brennkammer einer stationären Gasturbine, eines Flug- zeugtriebwerks oder dergleichen kann es aufgrund der Verbren- nungsvorgänge zu Instabilitäten oder Druckschwankungen kom- men, die unter ungünstigen Verhältnissen thermoakustische Schwingungen anregen, die auch Verbrennungsschwingungen ge- nannt werden. Diese stellen nicht nur eine unerwünschte Schallquelle dar, sondern können zu unlässig hohen mechani- schen Belastungen der Brennkammer führen. Eine solche thermo- akustische Schwingung wird aktiv dadurch gedämpft, daß durch Eindüsen eines Fluides der Ort der mit der Verbrennung ver- bundenen Wärmefreisetzungsschwankung gesteuert wird.

Die DE 28 15 916 Al zeigt eine Brennkammer für Gasturbinentriebwerke. Die Brennkammer weist eine Flammrohrrückwand auf, an der in die Verbrennungszone

hineinragende, düsenförmig endende Verdampferrohrkörper angeordnet sind. Jeder Verdampferrohrkörper ist in einem rechten Winkel geknickt, wobei die Düsenöffnungen einander unmittelbar benachbarter Verdampferrohrkörper einander gegenüberliegen. Dadurch treffen die aus den jeweiligen Düsenöffnungen austretenden dampfförmigen Brennstoff-Luft- Ströme einander genau entgegengerichtet aufeinander. Dies hat eine gute Durchmischung von Brennstoff und Luft zur Folge.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammeranordnung anzu- geben, die insbesondere hinsichtlich der Vermeidung thermo- akustischer Schwingungen ein günstiges Verhalten aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Brenn- kammeranordnung mit einer Brennkammer, in der mindestens zwei Brenner angeordnet sind, die jeweils eine Mündung für ein Einströmen eines Brenngasstromes entlang einer Mündungsrich- tung in die Brennkammer aufweisen, wobei die Brennkammer ro- tationssymmetrisch um eine Brennkammerachse und die jeweilige Mündungsrichtung als ein Einheitsvektor mit einem Aufpunkt in der Mündung und mit einer Einheitslänge durch drei Komponen- tenvektoren definiert ist : a) eine Achsenkomponente, die zur Brennkammerachse parallel ist, b) eine Ebenenkomponente, die senkrecht zur Brennkammerachse ist und in einer Verbindungsebene liegt, die durch den Auf- punkt und die Brennkammerachse aufgespannt ist und c) eine Orthogonalkomponente, die senkrecht zur Brennkam- merachse und zur Ebenenkomponente ist, wobei die jeweiligen Aufpunkte der beiden Brenner durch eine ge- dachte Aufpunktslinie miteinander verbunden sind, die Orthogonalkomponenten der beiden Brenner jeweils eine Aufpunktslinienkomponente entlang der Aufpunktslinie aufwei- sen und wobei die Aufpunktslinienkomponenten einander entgegengerichtet sind oder eine der beiden Aufpunktslinienkomponenten Null ist.

Daß die Aufpunktslinienkomponenten einander entgegengerichtet sind bedeutet, daß die Orthogonalkomponenten der beiden Bren- ner aufeinander zu weisen. Das Aufeinanderzuweisen der Ortho- gonalkomponenten bedeutet mit anderen Worten, daß die Rich- tung des einströmenden Brenngasstromes nicht in einer gemein- samen Ebene mit der Brennkammerachse liegt, sondern gegenüber der Brennkammerachse verdreht ist. Eine der beiden Aufpunkts- linienkomponenten kann Null sein. Das bedeutet, daß der Brenngasstrom dieses Brenners in der Verbindungsebene ein- strömt. Der andere Brenner weist gleichzeitig eine auf diesen Brenngasstrom zu gerichtete Einströmung von Brenngas auf. Der Brenner ist also auf den anderen Brenner zu gedreht. In bei- den Fällen, also sowohl bei aufeinander zu gedrehten Brennern als auch bei dem Fall, daß einer der Brenner zum anderen Brenner gedreht ist, kommt es zu einer Überlagerung der Ver- brennungen der jeweils säulenartig aus den Brennern austre- tenden Brenngasströme. Durch diese gegenseitige Überlagerung oder Störung überlagern sich auch Druck-oder Dichteschwan- kungen in den Verbrennungssäulen, welche Schwankungen die Ur- sache für eine Verbrennungsschwingung sein können. Durch die geeignete Überlagerung der Schwankungen wird eine Ausbildung einer thermoakustischen Schwingung unterdrückt.

Bevorzugt weisen die jeweiligen Achsenkomponenten eine von- einander verschiedene Länge auf. Durch die unterschiedlichen Längen der Achsenkomponenten der beiden Brenner wird er- reicht, daß die jeweiligen Mündungsrichtungen der beiden Brenner unterschiedlich zur Brennkammerachse geneigt oder ge- kippt sind. Durch eine solche unterschiedliche Neigung oder Verkippung der Mündungsrichtung sind die Orte der jeweiligen Verbrennung zueinander so einstellbar, daß von diesen Orten ausgehende Verbrennungsschwingungen sich gegenseitig stören oder gar auslöschen. Bevorzugt kann eine solche Anordnung für eine Brennkammer mit einer Vielzahl von Brennern Verwendung finden. Dabei können nur zwei oder auch mehrere Brenner un- terschiedlich gegenüber der Brennkammerachse gekippt sein.

Unter Umständen ist es auch vorteilhaft, den größten Teil

oder alle Brenner unterschiedlich zur Brennkammerachse zu kippen. Dadurch wird eine asymmetrische Anordnung der Ein- strömrichtungen erreicht, die zu einer akustischen Verstim- mung und damit zur Verhinderung einer Ausbildung einer Ver- brennungsschwingung führt.

Vorzugsweise sind die Längen der Achsenkomponenten von Null verschieden, so daß auch bei einem Gegeneinanderstellen der Brenngasströme ein Impuls der Brenngasströme in Richtung der Brennkammerachse besteht. Weiter bevorzugt schließen die Brenngasströme, also die Einheitsvektoren, einen Winkel von weniger als 100°, vorzugsweise weniger als 60°, ein.

Eine Verkippung eines Brenners oder mehrerer Brenner gegen- über der Brennkammerachse, welche sich in einer unterschied- lichen Länge der Achsenkomponenten der Brenner äußert, kann auch mit einer Verdrehung kombiniert werden. Eine solche Ver- drehung entspricht einer Orthogonalkomponente mit einer von Null verschiedenen Länge, wie bereits weiter oben angespro- chen. Die Möglichkeit eines gleichzeitigen Verdrehens und Verkippens bietet eine breite Auswahlmöglichkeit für die Ver- lagerung der Ortes der Verbrennung. Es ergibt sich somit eine Vielzahl von Konfigurationen, aus denen eine solche ausge- wählt werden kann, die eine optimale akustische Verstimmung des akustischen Systems aus Brennkammer und Brenner gewähr- leistet, d. h. mit der eine besonders große Unterdrückung von thermoakustischen Schwingungen erreicht wird. Eine solche Auswahl kann z. B. dadurch erfolgen, daß verschiedene Konfigu- rationen ausprobiert und jene mit dem thermoakustisch besten Verhalten ausgewählt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe weiterhin gelöst durch eine Brennkammeranordnung mit einer Brennkammer, in der mindestens zwei Brenner angeordnet sind, die jeweils eine Mündung für ein Einströmen eines Brenngasstromes entlang ei- ner Mündungsrichtung in die Brennkammer aufweisen, wobei die Brennkammer rotationssymmetrisch um eine Brennkammerachse und

die jeweilige Mündungsrichtung als ein Vektor mit einer Ein- heitslänge durch drei Komponenten definiert ist : a) eine Achsenkomponente, die zur Brennkammerachse parallel ist, b) eine Ebenenkomponente, die senkrecht zur Brennkammerachse ist und in einer gemeinsamen Ebene mit der Brennkammerachse liegt und c) eine Orthogonalkomponente, die senkrecht zur Brennkam- merachse und zur Ebenenkomponente ist, wobei die jeweiligen Achsenkomponenten eine voneinander verschie- dene Länge aufweisen.

Wie weiter oben ausgeführt bedeuten die unterschiedlichen Längen der Achsenkomponenten eine unterschiedliche Verkippung der Mündungsrichtungen der beiden Brenner gegenüber der Brennkammerachse mit den bereits dargelegten Vorteilen.

Vorzugsweise ist die Brennkammer als Ringbrennkammer für eine Gasturbine ausgeführt, wobei eine Vielzahl von entlang einer Umfangsrichtung der Brennkammer angeordneten Brennern in die Brennkammer münden. Weiter bevorzugt weisen die Orthogonal- komponenten von jeweils zwei zueinander unmittelbar benach- barten Brennern aufeinander zu. Dies bedeutet, daß die oben definierten Aufpunktslinienkomponenten der Orthogonalkompo- nenten einander entgegen gerichtet sind. Zwei Brenner sind dann unmittelbar benachbart, wenn kein weiterer Brenner zwi- schen ihnen liegt.

Thermoakustische Schwingungen sind in einer Ringbrennkammer mit vielen Brennern besonders schwer vorhersagbar oder auch nur abschätzbar. Durch die Verdrehung und/oder Verkippung mehrerer Brenner gegeneinander, vorzugsweise aller Brenner, läßt sich das akustische System aus Brennkammern und Brenner besonders gut so verstimmen, daß keine thermoakustische Schwingung auftritt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielhaft und teilweise schematisch näher erläutert. Es zeigen : Figur 1 eine Ringbrennkammer einer Gasturbine, Figur 2 eine Darstellung einer Komponentenaufteilung für eine Mündungsrichtung, Figur 3 eine der Figur 4 entsprechende Abbildung aus ei- ner anderen Blickrichtung, Figur 4 einen Längsschnitt durch eine Ringbrennkammer ei- ner Gasturbine, Figur 5 einen Querschnitt durch eine Ringbrennkammer ei- ner Gasturbine, und Figur 6 zwei benachbarte, gegeneinandergestellte Brenner Die gleichen Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

Figur 1 zeigt perspektivisch eine Brennkammeranordnung 1, be- stehend aus einer als Ringbrennkammer ausgeführten Brennkam- mer 11 für eine nicht näher dargestellte Gasturbine und darin entlang einer Umfangsrichtung U angeordneten Brennern 3,39.

Jeder Brenner 3,39 mündet an einer Mündung 13,40 entlang einer jeweiligen Mündungsrichtung 19,41 in die Brennkammer 11. Entlang dieser Mündungsrichtung 19,41 strömt auch Brenn- gas 14 in die Brennkammer 11. Die Brennkammer 11 ist rotati- onssymmetrisch um eine Brennkammerachse 25 und weist eine äu- ßere Wand 21 und eine innere Wand 23 auf. Die äußere Wand 21 und die innere Wand 23 umschließen einen ringförmigen Brenn- raum 24. Die Innenfläche der Außenwand 21 und die Außenfläche der Innenwand 23 sind mit einer feuerfesten Innenauskleidung 27 versehen.

In Figur 2 ist dargestellt, wie jede Mündungsrichtung 19,41 als ein Einheitsvektor mit einem Aufpunkt A, B in der Mündung 13,40 und mit der Einheitslänge L durch drei Komponentenvek- toren 33,34,35,36,37,38 definiert ist und zwar durch : 1. eine Achsenkomponente 35,36, welche parallel zur Brenn- kammerachse 25 ist, 2. eine Ebenenkomponente 33,34, welche senkrecht auf der Achsenkomponente 35,36 steht und in einer Verbindungs- ebene 31,31A liegt, die durch den Aufpunkt A, B und die Brennkammerachse 25 aufgespannt ist, 3. eine Orthogonalkomponente 37,38, welche senkrecht sowohl auf der Achsenkomponente 35,36 als auch auf der Ebenen- komponente 33,34 steht.

Die Orthogonalkomponente 37,38 ist als ein Kreis mit Kreuz dargestellt, um zu verdeutlichen, daß sie in die Zeichenebene hineinweist.

Figur 3 zeigt die Darstellung der Figur 4 aus einer Blick- richtung entlang der Brennkammerachse 25. In dieser Darstel- lung ist die Orthogonalkomponente 37,38 in ihrer Länge OL sichtbar. Die Achsenkomponente 35,36 weist aus der Zeichen- ebene heraus.

In Figur 4 ist ein Längsschnitt durch eine als Ringbrennkam- mer ausgeführte Brennkammer 11 für eine nicht dargestellte Gasturbine gezeigt. In der oberen Hälfte des Längsschnittes mündet ein Brenner 3 an einer Mündung 13 entlang einer Mün- dungsrichtung 19 in die Brennkammer 11. Im hier dargestellten Fall ist die Orthogonalkomponente 37 der Mündungsrichtung 19 Null, so daß die Mündungsrichtung 19 die Brennkammerachse 25 schneidet und einen Winkel 46 mit der Brennkammerachse 25 bildet. In der unteren Hälfte des Långsschnittes mündet ein weiterer Brenner 39 an einer weiteren Mündung 40 entlang ei- ner weiteren Mündungsrichtung 41 in die Brennkammer 11. Im hier gezeigten Beispiel schneidet auch die weitere Mündungs-

richtung 41 die Brennkammerachse 25, und zwar unter einem Winkel 48. Der Winkel 46 der Mündungsrichtung 19 mit der Brennkammerachse 25 ist verschieden von dem Winkel 48 der weiteren Mündungsrichtung 41 mit der Brennkammerachse 25.

Dies ist äquivalent dazu, daß die Achsenkomponente 35 der Mündungsrichtung 19 eine andere Länge AL als die weitere Ach- senkomponente 36 der weiteren Mündungsrichtung 41 aufweist.

Der Brenner 3 und der weitere Brenner 39 weisen also unter- schiedlich gegen die Brennkammerachse 25 gekippte Mündungs- richtungen 19,41 auf. Durch diese unterschiedliche Verkip- pung wird erreicht, daß Verbrennungsschwingungen, die von den jeweiligen Orten der Verbrennung von Brenngas aus dem Brenner 3 bzw. von Brenngas aus dem weiteren Brenner 39 stammen, sich so überlagern, daß eine Unterdrückung thermoakustischer Schwingungen erfolgt. Der hier gezeigte Fall, daß die Ortho- gonalkomponente 37 bzw. die weitere Orthogonalkomponente 38 Null sind, dient einer vereinfachten Darstellung. Die Ortho- gonalkomponente 37 und/oder die weitere Orthogonalkomponente 38 können auch von Null verschieden sein, was einer zusätzli- chen Verdrehung der Mündungsrichtung 19 bzw. der weiteren Mündungsrichtung 41 entspricht.

Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch eine als Ringbrennkam- mer ausgeführte Brennkammer 11 einer Gasturbine. Entlang ei- ner Umfangsrichtung U sind eine Vielzahl von Brennern 3,39 angeordnet. Für jeweils zwei benachbarte Brenner 3,39 sind die Mündungsrichtungen 19,41 so ausgerichtet, daß die jewei- ligen Orthogonalkomponenten 37,38 aufeinander zu weisen.

Dies ist genauer weiter unten in Fig. 6 dargestellt. Eine Verbrennung des säulenartig aus den Brennern 3,39 austreten- den Brenngases erfolgt in Energiesäulen 47,49. Für je zwei benachbarte Brenner 3,39 überlagern sich diese Energiesäulen 47,49 durch das Aufeinanderzuweisen der Orthogonalkomponen- ten 37,38 paarweise. Durch eine solche Überlagerung sind die in den jeweiligen Energiesäulen 47,49 erzeugbaren thermoaku- stischen Schwingungen so überlagerbar, daß sich eine Unter- drückung dieser thermoakustischen Schwingungen ergibt.

Figur 6 zeigt zwei unmittelbar benachbarte Brenner 3,39.

Ihre jeweiligen Aufpunkte A, B sind durch eine gedachte Auf- punktslinie LA verbunden. Die jeweiligen Orthogonalkomponen- ten 37,38 der jeweiligen Mündungsrichtungen 19,41 weisen jeweils eine Aufpunktslinienkomponente 37A, 38A auf, die ent- lang der Aufpunktslinie LA gerichtet sind. Die Aufpunktslini- enkomponenten 37A, 38A sind einander entgegengerichtet. Dies charakterisiert, daß die Orthogonalkomponenten 37,38 aufein- ander zu weisen. Eine der Aufpunktslinienkomponenten 37A, 38A bzw. Eine der beiden Orthogonalkomponenten 37,38 kann auch Null sein.

Figur 7 zeigt die Mündungsrichtungen 19,41 zweier unmittel- bar benachbarter Brenner 3,39. Die Mündungsrichtungen 19,41 schließen miteinander einen Winkel a ein. Dieser Winkel a ist kleiner als 100°, vorzugsweise kleiner als 60°, so daß die Brenngasströme der Brenner 3,39 einander zwar überlap- pen, aber nicht einander so weit entgegengerichtet sind, daß sie sich gegenseitig zu einem großen Teil einen Axialimpuls abbauen würden.