DE102015218687A1

DE102015218687A1 - Brenneranordnung für eine Ringbrennkammer mit Resonatoren

Info

Publication number: DE102015218687A1
Application number: DE102015218687.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Böttcher; Boris Ferdinand Kock; Tobias Krieger
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-04-13
Also published as: RU2680026C1; WO2017055187A1; EP3320267A1; CN108139076A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung (1) mit einem eine Ringbrennkammer (2) definierenden Gehäuse (3) und mehreren in die Ringbrennkammer (2) mündenden Brennern (4), wobei jeder Brenner (4) in einer an dem Gehäuse (3) vorgesehenen Durchgangsöffnung (5) angeordnet ist, wobei in den Durchgangsöffnungen (5) im Wesentlichen hülsenartig ausgebildete, die Brenner (4) aufnehmende und ausrichtende Adaptereinrichtungen (6) vorgesehen sind, die in die Ringbrennkammer (2) vorstehen und an ihren ringbrennkammerseitigen Enden (7) eine sich radial zu den Brennerachsen (8) erstreckende Abschirmplatte (9) halten, die mit konzentrisch zu den Durchgangsöffnungen (5) ausgebildeten Durchgangslöchern (10) versehen ist und wobei die Adaptereinrichtungen (6) auf einem Ring zwischen einer annähernd zylindrischen Außenschale (11) der Ringbrennkammer (2) und einer annähernd zylindrischen nabenseitigen Wand (12) angeordnet sind, so dass sich zwischen Adaptereinrichtungen (6) und Außenschale (11) bzw. nabenseitiger Wand (12) sowie Gehäuse (3) und Abschirmplatte (9) ein Hohlraum (13) bildet, wobei die Abschirmplatte (9) Resonatoröffnungen (14) aufweist und im Hohlraum (13) Trennwände (15) angeordnet sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Gasturbine (17).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung mit einem eine Ringbrennkammer definierenden Gehäuse und mehreren in die Ringbrennkammer mündenden Brennern, wobei jeder Brenner in einer an dem Gehäuse vorgesehenen Durchgangsöffnung angeordnet ist.
Zum Dämpfen der im Betrieb in der Ringbrennkammer auftretenden Schwingungen ist häufig mindestens ein Resonator vorgesehen, dessen Volumen zum Einkoppeln der Verbrennungsschwingen mit dem Inneren der Brennkammer verbunden ist. Für diese Resonatoren muss natürlich ein entsprechender Bauraum bereitgestellt werden, weshalb sie häufig außen an der Brennkammerwand im Strömungspfad der Verdichterendluft angeordnet sind, und ggfs. auch entsprechend aerodynamisch ausgeformt werden müssen.
Derartige Brenneranordnungen sind im Stand der Technik bereits in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Als Brenner kommen beispielsweise drallstabilisierte Systeme zum Einsatz. Neuentwicklungen von Brennersystemen auf Basis vorgemischter Strahlflammen bieten gegenüber drallstabilisierten Systemen aufgrund der fehlenden drallinduzierten Wirbel insbesondere aus thermoakustischer Sicht Vorteile und geraten daher immer mehr in den Focus bei der Auswahl der Brennerart. Diese neuartigen Brenner weisen häufig Außenabmessungen auf, die von den Außenabmessungen bislang eingesetzter Brenner abweichen. Um vorhandene Brenneranordnungen mit abweichende Außenabmessungen aufweisenden Brennern bestücken zu können, ist es daher erforderlich, das die Ringbrennkammer definierende Gehäuse neu zu konzipieren, bzw. anzupassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Brenneranordnung bereitzustellen, die sich einfach mit Brennern unterschiedlicher Abmessungen bestücken lässt und eine gute Bauraumausnutzung gewährleistet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer entsprechenden Ringbrennkammer.
Die auf eine Brenneranordnung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Brenneranordnung mit einem eine Ringbrennkammer definierenden Gehäuse und mehreren in die Ringbrennkammer mündenden Brennern, wobei jeder Brenner in einer an dem Gehäuse vorgesehenen Durchgangsöffnung angeordnet ist, wobei in den Durchgangsöffnungen im Wesentlichen hülsenartig ausgebildete, die Brenner aufnehmende und ausrichtende Adaptereinrichtungen vorgesehen sind, die in die Ringbrennkammer vorstehen und an ihren ringbrennkammerseitigen Enden eine sich radial zu den Brennerachsen erstreckende Abschirmplatte halten, die mit konzentrisch zu den Durchgangsöffnungen ausgebildeten Durchgangslöchern versehen ist und wobei die Adaptereinrichtungen auf einem Ring zwischen einer annähernd zylindrischen Außenschale und einer annähernd zylindrischen nabenseitigen Wand angeordnet sind, so dass sich zwischen Adaptereinrichtungen und Außenschale bzw. nabenseitiger Wand sowie Gehäuse und Abschirmplatte ein Hohlraum bildet, die Abschirmplatte Resonatoröffnungen aufweist und im Hohlraum Trennwände angeordnet sind.
Mit einer solchen Anordnung können über die Adaptereinrichtungen Brenner unterschiedlicher Außenabmessungen verbaut werden. Gleichzeitig wird der um die Adaptereinrichtungen freie Raum als Resonator genutzt. Je nach Wahl der Position der Trennwände können unterschiedliche Frequenzen gedämpft werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform erstrecken sich die Trennwände vom Gehäuse bis zur Abschirmplatte. Damit wird die gesamte Tiefe des Hohlraums für den Resonator nutzbar.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen erstreckt sich zumindest eine Trennwand von einer Adaptereinrichtung radial nach außen zur Außenschale bzw. von einer Adaptereinrichtung radial nach innen zur nabenseitigen Wand. Dadurch lassen sich zum einen Unterräume im Hohlraum abgrenzen, die je nach Wahl des definierten Volumens entsprechende Frequenzen dämpfen. Ferner führt die Verbindung von Adaptereinrichtung und Außenschale bzw. nabenseitiger Wand zu einer Versteifung des Systems und somit zu einer weiteren positiven Beeinflussung der Bauteilintegrität bzw. Lebensdauer über eine Änderung der Eigenfrequenzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Adaptereinrichtungen auf dem Umfang alternierend im einen Fall die radialen Trennwände nach außen zur Außenschale und nach innen zur nabenseitigen Wand auf und im anderen Fall keine radialen Trennwände. Dadurch werden ausreichend große Resonatorvolumina definiert.
In einer alternativen Ausführungsform erstreckt sich zumindest eine Trennwand von einer Adaptereinrichtung in umlaufender Richtung zu einer benachbarten Adaptereinrichtung. Zweckmäßigerweise erstreckt sich zwischen allen Adaptereinrichtungen in umlaufender Richtung eine Trennwand. Somit lassen sich zwei große Resonatorräume, einer zur Außenschale hin und einer zur Nabe hin, definieren, die ggfs. noch durch radiale Trennwände weiter unterteilt werden können.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Trennwände Öffnungen aufweisen, so dass die gebildeten Resonatorräume miteinander Wechselwirken können.
Die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine Gasturbine mit einer Brenneranordnung gemäß der Erfindung.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
1 eine Gasturbine in einem Längsschnitt,
2 eine Brenneranordnung mit einer Ringbrennkammer im Schnitt,
3 eine Ringbrennkammer im Schnitt mit einer Adaptereinrichtung und
4 einen Hohlraum gebildet durch Adaptereinrichtungen an einer Ringbrennkammer mit Außenschale und nabenseitiger Wand.
Die 1 zeigt eine Schnittansicht einer Gasturbine 17 in schematisch vereinfachter Darstellung. Die Gasturbine 17 weist in ihrem Inneren einen um eine Rotationsachse 18 drehgelagerten Rotor 19 mit einer Welle 20 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang dem Rotor 19 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 21, ein Verdichter 22, ein Verbrennungssystem 23 mit einer Brenneranordnung 1 mit einem eine Ringbrennkammer 2 definierenden Gehäuse 3 und mehreren Brennern 4, ein Brennstoffversorgungssystem (nicht dargestellt) für die Brenner, eine Turbine 24 und ein Abgasgehäuse 25.
Das Verbrennungssystem 23 mündet am Turbineneintritt in einen ringförmigen Heißgaskanal, durch den das heiße Arbeitsgas des Verbrennungssystems auf die hintereinander geschalteten Turbinenstufen der Turbine 24 strömt. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung des Arbeitsgases gesehen folgt im Heißkanal einer aus Leitschaufeln 26 gebildeten Reihe eine aus Laufschaufeln 27 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 26 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators 28 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 27 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 19 angebracht sind. An den Rotor 19 angekoppelt ist beispielsweise ein Generator (nicht dargestellt).
Während des Betriebs der Gasturbine 17 wird vom Verdichter 22 durch das Ansauggehäuse 21 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 22 bereitgestellte Verdichterluft wird entlang einem Brennerplenum 29 zu dem Verbrennungssystem 23 geführt und dort in die Brenneranordnung 1 geleitet und in den Brennern 4 der Brenneranordnung 1 mit Brennstoff vermischt und/oder im Austrittsbereich der Brenner 4 mit Brennstoff angereichert. Brennstoffzuführsysteme versorgen die Brenner 4 hierbei mit Brennstoff. Das Gemisch bzw. die Verdichterluft und der Brennstoff werden von den Brennern 4 in die Brennkammer 2 eingeleitet und verbrennen unter Bildung eines heißen Arbeitsgasstromes in einer Verbrennungszone innerhalb der Brennkammerwand bzw. Außenschale 11 der Brennkammer 2. Von dort strömt der Arbeitsgasstrom entlang dem Heißgaskanal an den Leitschaufeln 26 und den Laufschaufeln 27 vorbei. An den Laufschaufeln 27 entspannt sich der Arbeitsgasstrom impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 27 den Rotor 19 antreiben und dieser den an ihn angekoppelten Generator (nicht dargestellt).
2 zeigt eine Brenneranordnung 1 mit einer Ringbrennkammer 2 im Schnitt. Die Ringbrennkammer 2 wird durch ein Gehäuse 3 definiert. Ferner zeigt die 2 einen von mehreren in die Ringbrennkammer 2 mündenden Brennern 4, wobei der gezeigte Brenner 4 in einer an dem Gehäuse 3 vorgesehenen Durchgangsöffnung 5 angeordnet ist (siehe auch 3).
In den Durchgangsöffnungen 5 sind im Wesentlichen hülsenartig ausgebildete, die Brenner 4 aufnehmende und ausrichtende Adaptereinrichtungen 6 vorgesehen, die in die Ringbrennkammer 2 vorstehen und an ihren ringbrennkammerseitigen Enden 7 eine sich radial zu den Brennerachsen 8 erstreckende Abschirmplatte 9 halten, die mit konzentrisch zu den Durchgangsöffnungen 5 ausgebildeten Durchgangslöchern 10 versehen ist. Die 3 zeigt dies besonders deutlich.
4 zeigt schließlich, dass die Adaptereinrichtungen 6 auf einem Ring zwischen einer annähernd zylindrischen Außenschale 11 und einer annähernd zylindrischen nabenseitigen Wand 12 angeordnet sind, so dass sich zwischen Adaptereinrichtungen 6 und Außenschale 11 bzw. nabenseitiger Wand 12 sowie Gehäuse 3 und Abschirmplatte 9 ein Hohlraum 13 bildet, siehe auch 3. In der 3 sind auch die Resonatoröffnungen 14 in der Abschirmplatte 9 gezeigt. Die 4 wiederum zeigt die im Hohlraum 13 angeordneten Trennwände 15, die sich vom Gehäuse 3 der Ringbrennkammer 2 bis zur Abschirmplatte 9 erstrecken.
Neben dieser grundsätzlichen Orientierung zwischen Gehäuse 3 und Abschirmplatte 9 können sich die Trennwände 15 sowohl in radialer Richtung von Adaptereinrichtung 6 zur Außenschale 11 bzw. von Adaptereinrichtung 6 zur nabenseitigen Wand 12 als auch in Umfangsrichtung, insbesondere zwischen benachbarten Adaptereinrichtungen 6 erstrecken.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bei der die Adaptereinrichtungen 6 auf dem Umfang alternierend im einen Fall die radialen Trennwände 15 nach außen zur Außenschale 11 und nach innen zur nabenseitigen Wand 12 aufweisen und im anderen Fall keine radialen Trennwände aufweisen. Zusätzlich erstreckt sich zwischen allen Adaptereinrichtungen 6 in umlaufender Richtung eine Trennwand 15.
Optional können, wie in 4 weiter zu sehen ist, die Trennwände 15 Öffnungen 16 aufweisen.

Claims

Brenneranordnung (1) mit einem eine Ringbrennkammer (2) definierenden Gehäuse (3) und mehreren in die Ringbrennkammer (2) mündenden Brennern (4), wobei jeder Brenner (4) in einer an dem Gehäuse (3) vorgesehenen Durchgangsöffnung (5) angeordnet ist, wobei in den Durchgangsöffnungen (5) im Wesentlichen hülsenartig ausgebildete, die Brenner (4) aufnehmende und ausrichtende Adaptereinrichtungen (6) vorgesehen sind, die in die Ringbrennkammer (2) vorstehen und an ihren ringbrennkammerseitigen Enden (7) eine sich radial zu den Brennerachsen (8) erstreckende Abschirmplatte (9) halten, die mit konzentrisch zu den Durchgangsöffnungen (5) ausgebildeten Durchgangslöchern (10) versehen ist und wobei die Adaptereinrichtungen (6) auf einem Ring zwischen einer annähernd zylindrischen Außenschale (11) der Ringbrennkammer (2) und einer annähernd zylindrischen nabenseitigen Wand (12) angeordnet sind, so dass sich zwischen Adaptereinrichtungen (6) und Außenschale (11) bzw. nabenseitiger Wand (12) sowie Gehäuse (3) und Abschirmplatte (9) ein Hohlraum (13) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmplatte (9) Resonatoröffnungen (14) aufweist und im Hohlraum (13) Trennwände (15) angeordnet sind.
Brenneranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei sich die Trennwände (15) vom Gehäuse (3) bis zur Abschirmplatte (9) erstrecken.
Brenneranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich zumindest eine Trennwand (15) von einer Adaptereinrichtung (6) radial nach außen zur Außenschale (11) erstreckt.
Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich zumindest eine Trennwand (15) von einer Adaptereinrichtung (6) radial nach innen zur nabenseitigen Wand (12) erstreckt.
Brenneranordnung (1) nach den Ansprüchen 3 und 4, wobei die Adaptereinrichtungen (6) auf dem Umfang alternierend im einen Fall die radialen Trennwände (15) nach außen zur Außenschale (11) und nach innen zur nabenseitigen Wand (12) aufweisen und im anderen Fall keine radialen Trennwände (15) aufweisen.
Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich zumindest eine Trennwand (15) von einer Adaptereinrichtung (6) in umlaufender Richtung zu einer benachbarten Adaptereinrichtung (6) erstreckt.
Brenneranordnung (1) nach Anspruch 6, wobei sich zwischen allen Adaptereinrichtungen (6) in umlaufender Richtung eine Trennwand (15) erstreckt.
Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trennwände (15) Öffnungen (16) aufweisen.
Gasturbine (17) mit einer Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.