CH631254A5 - Verdampfungsbrenner fuer eine gasturbine. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brenner des Verdampftypus für eine Gasturbine, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein verdampfender Brenner arbeitet normalerweise mit weniger Russbildung als versprühende Brenner. Zur Vermeidung von verfrühter Gegenstrombremsung durch Wärmeaustauscherfür solche Vorrichtungen, hat es sich als wünschbar herausgestellt, Brenner des Verdampftypus zu verwenden.

Stand der Technik Bisher kam in Brennstoff-Verdampfungsrohren, bekannt unter der Bezeichnung «J-Rohr» oder «T-Rohr», typischerweise eine volle Umkehr der Strömungsrichtung für den Gasauslass zur Anwendung. Der Gasauslass erfolgt in einer zur Strömungsrichtung des Brennstoffes und der verdichteten Luft umgekehrten

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Richtung, und die Strömungsumkehr wurde oft unter Verwendung von Gehrverbindungen absichtlich spitz gewählt, um Wirbel zur besseren Durchmischung des Gases mit der Luft zu erzeugen. Die völlige Strömungsumkehr und die scharfen Krümmungen in einem «T-Rohr» sind beispielsweise in Fig. 3,4 und 5 der US-PS 3 913 318 vom 21. Oktober 1975 (Fox et al.) dargestellt; sogar bei der Konstruktion gemäss Fig. 4, allgemein mit «Pilztypus» bezeichnet, liegt der ringförmige Auslass in einer zur Zentrumslinie des Einlassrohres senkrecht stehenden Ebene, so dass die Austrittsebene senkrecht zur Zentrumslinie des Einlassrohres steht.

Ähnliche Konstruktionen, mit den gleichen Problemen und Nachteilen behaftet, sind im US-Patent 3 757 522 vom 11. September 1975 (Carnei et al.) und in der am 17. November 1971 veröffentlichten Britischen Patentschrift 1253471 (Carnei et al.) zu finden.

In diesen Verdampfungsrohren mit voller Strömungsumkehr, speziell dort, wo die Richtungsänderungen absichtlich spitz ausgestaltet sind, verursachen die Wirbel eine Zunahme der Verweilzeit des Brennstoff-Luft-Gemisches an jeder einzelnen Stelle. Erfolgt eine Zündung innerhalb des Rohres, so bildet sich rasch eine örtliche Überhitzung, was zu einem Ausbrennen oder örtlichem Schmelzen führt. Das Ausbrennen einzelner Rohrpartien oder die thermische Ermüdung der Kopfplatte oder der Spritzplatte, wo eine solche verwendet wird, sind Probleme, deren Behebung wünschbar ist.

In einigen Verdampfungsrohren kann sich Kohlenstoff an verschiedenen Teilen des Rohres selbst bilden, falls diese Teile zu kühl werden, oder sogar an Teilen der Kopfplatten oder Spritzplatten. Der Kohlenstoff kann abbröckeln, unnötige Erosion bewirken, verbrennen und örtliche Überhitzungen bilden, die Strömung beeinträchtigen oder schliesslich als Isolator wirken und die thermische Beanspruchung teilweise ernsthaft erhöhen.

Weiter ist der Stand der Technik in den US-PS 2522081, 3430443 und 3952503 beschrieben. Nach dem Prioritätsdatum, aber vor dem Anmeldedatum wurde die US-PS 4085 581 veröffentlicht.

Eine Gasturbine, an welcher die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann, ist im US-Patent 4030288 vom 21. Juni 1977 (Davis et al. ) ersichtlich. Die vorliegende Erfindung wird auf der Basis der dort dargestellten Einzelheiten offenbart, die aber nur soweit es zum Verständnis erforderlich ist, in diese Patentschrift aufgenommen worden ist.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung soll eine Struktur und Gestaltung des Verdampfungsrohres ermöglichen, die eine gleichmässige Temperaturverteilung, sowohl im Rohr als auch in einer allfälligen Spritzplatte oder Kopfplatte erlauben. Die Ausführungsformen sollen Ablagerung von Kohlenstoff im Verdampfungsrohr selbst oder an anderen Stellen verhindern können. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 enthaltene Merkmale gelöst.

Es hat sich gezeigt, dass sowohl die Beseitigung der Strömungsumkehr gemäss dem Stand der Technik, in Verbindung mit einer aerodynamischen Formgebung des Rohrinnern, als auch die stellenweise Variation der Wandstärke eines Gasverdampfungsrohres dazu beitragen, viele der im Stand der Technik vorkommenden Probleme zu überwinden.

Es wurde auch gefunden, dass eine besonders geformte oder gestaltete Spritzplatte es erlaubt, die Kopfplatte im wesentlichen gänzlich vom heissen Auslass der Gasrohre abzuschirmen. Formgebung und Anordnung der Spritzplatte sind zudem geeignet, die Lage der Austrittsströmung aus dem Gasrohr bezüglich des Ringbrenners einer Turbinenanordnung auszugleichen.

Die Temperaturen bei der Kopfplatte oder der Spritzplatte, die gemäss dem Stand der Technik beispielsweise 370°C (600°F)

oder sogar mehr betragen, können auf ca. 150° C (300° F) oder weniger gesenkt werden, indem der Austrittswinkel des Gasstromes mit beispielsweise 20° bis 55° von der Vertikalen bemessen wird. Unter gewissen Umständen liegt der bevorzugte Winkel 5 nahe bei 35°, im Unterschied zu der 0°-Anordnung gemäss dem Stand der Technik mit voller Strömungsumkehr. Diese Winkelanordnung ist mit «J»- und «T»-Rohren anwendbar.

Eine Ausführungsform der Erfindung weist eine innere Gestaltung des Verdampfungsrohres auf, die auf anerkannten io aerodynamischen Formen beruht, welche eine freie und unbehinderte Strömung gewährleisten, was minimale Bildung von Wirbeln und minimale Strömungsverluste zur Folge hat.

Dadurch werden örtliche Überhitzungen weitgehend verhindert, weil sich nirgends und zu keinem Zeitpunkt Wirbel von stöchio-15 metrischem Brennstoff-Luft-Gemisch bilden oder während beliebig langen Zeitabschnitten fortbestehen. Dies unterscheidet diese Ausführungsform von der bekannten spitzwinkligen oder Gehrungsanordnung.

Glatte innere Passagen und Nebengänge, die enger sind als 20 Hauptgänge, sind günstig zur Unterdrückung von Rückfluss und Strömungsstillstand, was sonst zu Nachbrennen bei der Gasaustrittsöffnung und zur örtlichen Ablagerung von Kohlenstoff im Inneren beitragen würde. Das Nachbrennen am Ausgang des Verdampfungsrohres während des Abbremsens z.B., kann eine 25 Kopfplatte örtlich verwinden und ohne andere Schutzmassnahmen zersprengen.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft die Gestaltung des Verdampfungsrohres mit nicht gleichförmiger Wandstärke. Am oberen Ende, wo die Strömung abgewinkelt 30 und in eine etwa entgegengesetzte Richtung umgelenkt wird, ist die Wand dicker, ebenso beim inneren Radius, wo die Ausflussarme in den Stamm münden. Die grössere Dicke der Wandung am oberen Ende wird gewählt, um die Temperatur im Rohr über den Schwellwert der Kohlenstoffablagerung anzuheben; es hat 35 sich nämlich gezeigt, dass die Rohre unter gewissen Umständen am oberen Ende zu kühl betrieben werden, was die Bildung von Kohlenstoffablagerungen begünstigt.

Die erhöhte Wandstärke im Inneren verhindert einspringende Formen oder Kavitäten, wo sich ebenfalls Kohlenstoff 40 ablagern könnte. Diese Verdampfungsrohre werden zweckmässigerweise gegossen, und die Abwesenheit von scharfen Krümmungen im Innern erleichtern ein sauberes Giessen und verbessern das Endprodukt.

Die Gegenwart einer Spritzplatte ist an sich nicht neu, wie z. 45 B. aus der GB-PS 1253471 hervorgeht. Es wird dort eine Anordnung des Umkehrtypus gezeigt, und die benützte Spritzplatte ist kreisförmig. Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Ausführung eine mehr oder weniger rechteckige Spritzplatte mit abgerundeten Ecken und mit aufwärts gebogenen Kanten 50 verwendet, wodurch eine konkav gewölbte, steife Anordnung gebildet wird. Im Endresultat wird damit ein vermindertes Temperaturgefälle in der Kopfplatte und in der Spritzplatte erreicht. In der vorliegenden Ausführung dient die Spritzplatte dazu, die ganze Kopfplatte wirksam gegen die heissen Auslass-55 gase aus dem Rohr zu schützen und hohe Temperaturen der Kopfplatte zu vermeiden.

In teilweiser Zusammenfassung kann also gesagt werden,

dass jede der genannten Ausführungsformen eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellt und 60 geeignet ist, örtliche Überhitzungen sowohl der Kopfplatte als auch der allenfalls vorhandenen Spritzplatte zu verhindern. Die Gasströmung aus dem Brenner-Verdampfungsrohr wird etwas seitlich und von der Basis des Rohres weg abgegeben, und nicht direkt nach rückwärts bei voller Strömungsumkehr. Örtliche 65 Überhitzung werden im Gasrohr wegen der glatten Formgebung des Strömungspfades, der nach anerkannten, aerodynamischen Strömungsformen gestaltet ist, vermieden. Zusätzlich wird die Rohrwandstärke variiert, um die Probleme im Zusammenhang

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mit unerwünschten Temperaturgefällen und der Tendenz zur Bildungvon Kohlenstoffablagerungenzuminimalisieren. Um die Kopfplatte wirksamer vor der Gasströmung zu schützen, ist die bei jedem Verdampferrohr vorgesehene Spritzplatte nicht kreisförmig gestaltet, sondern mehr oder weniger rechteckig und 5 gewährleistet so eine wirksamere Abschirmung des Gasstrom-Auftreffgebietes.

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Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 ist eine Teilansicht eines Teiles einer Gasturbine des Verdampftypus, teilweise weggebrochen, woraus die Brenner-Verdampfungsrohre im Ringbrenner sichtbar sind;

Fig. 2 ist eine vergrösserte Teil-Schnittdarstellung längs der Linie 2—2 gemäss Fig. 1;

Fig. 3 ist eine detaillierte Teil-Schnittansicht längs der Linie 15 3—3 gemäss Fig. 2;

Fig. 4 ist eine Teilansicht mit detailliertem Schnitt durch ein Verdampfungsrohr und zugehörige Luftabschirmung und Spritzplatte, worin die Luft-, Brennstoff- und Gasströmungen mit Pfeilen dargestellt sind, längs der Linie 4—4 gemäss Fig. 3; 20

Fig. 5 ist eine detaillierte Schnittdarstellung längs der Linie 5—5 gemäss Fig. 4, wobei Löcher gegen Kohlenstoffablagerungen in der Abschirmung offenbart sind;

Fig. 6 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Doppel-Verdampfungsrohr-Anordnung mit zugehöriger Luftabschirmung;

Fig. 7 ist eine schematisch vergrösserte Schnittdarstellung durch den Kopfteil eines Verdampfungsrohres, worin die Stellen mit veränderter Wandstärke detailliert offenbart sind, sowie die winkelmässige Anordnung der Auslassöffnung und die definier- 30 ten Gasströmungspfade, und

Fig. 8 ist eine zu Fig. 7 analoge Darstellung einer einzelnen Strömungspfad-Rohranordnung, im Unterschied zu der Doppelanordnung gemäss Fig. 7, wobei aber die Ähnlichkeit der offen barten Merkmale zum Ausdruck kommt.

25

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Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Teil einer Gasturbine und dient als Bezugsbasis zur Erklärung und zum Verständnis der vorliegenden Erfindung. Die Gasturbine 10 hat ein äusseres Gehäuse 12 und 40 ein inneres Gehäuse 14, die im wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind und eine ringförmige Kammer 16 umschliessen, in der ein ringförmiger Brenner 18 montiert ist. Der ringförmige Brenner enthält eine äussere Wand 20 und eine innere Wand 22. Ein Kompressionsdurchgang führt vom Kompressorteil 26 her. 45 Eine Endwand oder ein Aufsatz 28 ist am Ende des Vergaserteiles 30 vorgesehen. Eine Welle 32 erstreckt sich durch den Kompressionsdurchgang und führt zum Kompressorteil und zu dem dort untergebrachten, nicht dargestellten Mechanismus.

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Das gegenüberliegende Ende der Welle trägt ein Turbinenrad 34 mit den üblichen Schaufeln 36. Die oben angeführte Konstruktion ist bekannt aus der genannten US-PS 4030288.

Der Brenner 18 hat eine Vielzahl von ringförmig verteilt . angeordneten Brennstoff-Einlassrohren 38 mit der Aufgabe, Brennstoff in die Verdampfungsrohre 40 einzuspritzen. Die Brennstoff-Einlassöffnungen und die Verdampfungsrohre sind vom Brenner in bekannter Weise getrennt angeordnet. Fig. 2 zeigt ausschnittweise den Brenner und die Verdampfungsrohre 40.

Der Brenner 18 enthält eine Vielzahl von Abschnitten 42 und eine Kopfplatte 44 mit einer Vielzahl von Öffnungen, zur Aufnahme der Verdampfungsrohre und der zugehörigen Mechanismen . Die Kopfplatte ist mit dem Brenner wie in Fig. 3 dargestellt verbunden. Die Verdampfungsrohre 40 und die Zuatzmechanis- 65 men sind funktionell an diesen Öffnungen angeordnet, wobei jedes Rohr von einer in den Öffnungen 48 der Kopfplatte angeordneten Abschirmung 46 umgeben wird, die, wie nachste55

60

hend gezeigt, am Rohr befestigt ist. Die Anordnung enthält ferner den Rohren und Abschirmungen zugeordnete Spritzplatten 50 (Fig. 4) mit Öffnungen, worin die Abschirmungen mit den darin befindlichen Rohren angeordnet sind. Die Abschirmungen und Spritzplatten sind durch Schweissungen 52 miteinander verbunden, wobei sich die Schweissnähte kontinuierlich längs der Verbindungslinien zwischen Abschirmungen und Spritzplatten erstrecken.

Die Verdampfungsrohre 40 weisen einen Stamm 54 und einen Kopf 56 auf. Dieser Kopf enthält, in einer der Ausführungen, zwei Arme 56A und 56B, die mit Strömungsumlenk-Auslassöffnungen 58A bzw. 58B endigen. Diese besondere Anordnung enthält zwei entgegengesetzt verlaufende Arme und wird mit «T»-Rohr bezeichnet. In einigen Anordnungen wird ein «einfaches J-Rohr» verwendet. Fig. 8 zeigt eine solche Konstruktion, die einen Stamm 60 und einen einfachen Kopf 62 mit Auslassöffnungen 58 aufweist. Sie hat die Form eines gedrehten «J».

Ein Brennstoff-Einspritzer 66 erstreckt sich vom Brennstoff-einlass 38 her und führt den Brennstoff in das Verdampfungsrohr (durch Pfeile 68 angedeutet). Die Abschirmungen 46 sind, wie oben erwähnt und aus Fig. 4 ersichtlich, vom Äusseren des Stammes 54 der Rohre 40 distanziert angeordnet, d. h. der äussere Durchmesser des Stammabschnittes ist kleiner als der innere Durchmesser der Abschirmung. Bei dieser Anordnung ergibt sich ein Luftkanal 70 mit konischem Einlass 72; Luft zur Kühlung und zur Zumischung zum Brennstoff im Ringbrenner wird dort eingeführt, angedeutet durch Pfeile 74. In brennstoffverdampfenden Brennertypen für Gasturbinen kann eine Vielzahl solcher Brennstoffverdampfer eingesetzt werden, mit zwei oder mehreren Verdampferrohren, die im wesentlichen unter gleichen Abständen im Ringbrenner angeordnet sind. Die Zahl kann natürlich je nach der Konstruktion und den gewünschten Arbeitscharakteristiken variieren.

In Fig. 2 und 3 wird die gegenseitige Lage der Verdampfungsrohre und der Spritzplatten sowie die Anordnung der letzteren im Ringbrenner illustriert. Die Zentrumslinie des Brenners ist in Fig. 2 mit 76 bezeichnet. Um Beschädigung der Kopfplatte 44 zu verhindern und um allgemein die Verbreitung der Hitze zu steuern sind die Spritzplatten 50 im wesentlichen rechteckig, jedoch dem Kreisring, auf welchem sie liegen, und der Form des Brenners angepasst gestaltet, mit gekrümmten Längsseiten 50A und 50B.

Die Schmalseiten 50C der Spritzplatten liegen im wesentlichen auf Radien des Brenners und passen aneinander. Die Spritzplatten 50 sind unter Einhaltung von Abständen 78 im Ringbrenner angeordnet; in einer speziellen Ausführung beträgt dieser Abstand an allen Seiten der Spritzplatten mindestens 1,27 mm (0,05 Zoll) .Dieser erlaubt eine Strömung von Luft und Brennstoff im Brenner und um die Platten und ist ausreichend gross, um keinen Druckabfall zu bewirken.

Die «T»-Rohr-Anordnung hat eine gerade Mittelachse 80, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Für optimale Betriebsverhalten, einschliesslich Hitzehülle und Aufprallzone, ist es wünschbar, dass die Zentren der Auslassöffnungen 58A und 58B auf der Mittelachse der Spritzplatten liegen, wobei diese mit der Mittelachse des Brenners 18 zusammenfällt. Eine Verschiebung der Mittelachse 80 der Rohre 40 an der gekrümmten Zentrumslinie 76 des Brenners und der Spritzplatten bewirkt eine verschobene Lage der Spritzplatten bezüglich der Verdampferrohre. Der Betrag der Verschiebung ist in Fig. 2ersichtlich, d. h. der Abstand 82 zwischen den Pfeilen. Diese versetzte Anordnung ist auch in Fig. 3 ersichtlich; die Zentren der Auslassöffnungen 58A und 58B liegen auf der Mittelachse der Spritzplatten 50, wodurch die Düsenöffnungen auf die Mittelachse der Spritzplatten zu liegen kommen.

Diese'Gestaltung der Spritzplatten 50 in der Form von mehr oder weniger gekrümmten Rechtecken mit abgerundeten Ecken und mit aufwärts gebogenen Kanten 84 dient der Verminderung

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des gesamten Temperaturgefälles in der Kopfplatte 44 und der Spritzplatte 50. Die nach aufwärts gebogenen Kanten dienen zusätzlich der Versteifung und Verstärkung der Spritzplatten, wobei letztere in der gewählten Anordnung tatsächlich die ganze Kopfplatte vom heissen Austritt aus den Verdampfungsrohren abschirmen und damit hohe Temperaturen der Kopfplatte verhindern.

In diesem Zusammenhang ist bereits auf den minimalen Abstand von 1,27 mm (0,05 Zoll), auf allen Seiten der Spritzplatten mit Bezug auf benachbarte Teile hingewiesen worden. Die Abstände zwischen den Spritzplatten und den ringförmigen Wänden des Brenners sind so gewählt, dass sich eine genügend niedrige Luftgeschwindigkeit mit minimalem Druckabfall einstellt, jedoch genügend hoch, um eine Fortbewegung der Flamme zu verhindern. In einer der Ausführungen war die Zwischenraum-Dimensionierung derart, dass sich eine Luftgeschwindigkeit von 27,4 m/s (90 Fuss/sec) ergab. Es ist zu beachten, dass sich die Spritzplatten 50 nach allen Richtungen frei ausdehnen können. Der erfindungsgemässe Brenner 18 mit den Spritzplatten 50 hat für jedes Rohr 40 individuelle Verdampfungsoberflächen, und die Kopfplatte 44 ist von der Flamme abgeschirmt.

Beschaffenheit und Anordnung der Verdampfungsrohre 40 wurden sorgfältig gestaltet, so dass örtliche Überhitzungen vermieden werden, was zwei Massnahmen einschliesst. Die Wandstärke 86 ist nicht überall gleichförmig, sondern ist grösser an der Spitze, wo der Luftstrom abgelenkt wird, ebenso beim inneren Radius 90, wo die Ausflussarme in den Stamm münden. Das Gebiet mit grösserer Wandstärke an der Spitze dient der örtlichen Erhöhung der Temperatur über die Temperaturschwelle für Kohlenstoffablagerung. Dies, weil sich gezeigt hat, dass die Rohre an der Spitze unter gewissen Umständen bei zu tiefer Temperatur betrieben werden, bei der sich Kohlenstoff ablagert.

Die grössere Wandstärke beim inneren Radius 90 verhindert eine zu enge, einspringende Formgebung (Kavität), was ebenfalls erhöhte Neigung zur Kohlenstoffablagerung zur Folge hätte. Der mittlere Kopfteil der Rohre gegenüber dem Auslassende des Stammes 54 ist verdickt, das Rohrmaterial ist bei 86 stärker und nimmt dann allmählich zu den dünneren Kanten 88 der Auslassöffnungen 58 hin ab. Zusätzlich ist der innere Radius 90 der Rohrköpfe verstärkt, wiederum zur Vermeidung einer scharf einspringenden Form oder Kavität. Es ist wünschbar, die Temperatur über 538° C (1000°F) zuhalten, weil darunter eine Neigung zu Kohlenstoffablagerung besteht, jedoch unterhalb 788° C (1450°F), weil darüber eine Neigung zur Verminderung der Lebensdauer wegen Sulfidation eintritt.

Das Innere der Verdampfungsrohre 40 ist nach anerkannten, aerodynamischen Grundsätzen gestaltet und die Formgebungen verursachen minimale Wirbelbildung und Strömungsverluste. Das Rohrinnere bildet einen freien und unbehinderten Strömungspfad. Die glatten Innenpfade und die gegenüber dem Stamm engeren Arme 56A und 56B begünstigen die Verhinderung von Gebieten mit Strömungsumkehr oder -Stagnation, was zum Nachbrennen bei den Austrittsöffnungen und zur örtlichen Kohlenstoffablagerung beitragen könnte. Nachbrennen bei den Austrittsöffnungen während des Abbremsens könnte zur Ver-windung und zum Zerspringen der Kopfplatte führen, falls keine anderen Schutzmassnahmen vorhanden wären.

Es hat sich gezeigt, dass die gestalterischen Einzelheiten der Erfindung ferner zur Vermeidung von örtlichen Überhitzungen beitragen, denn an keiner Stelle und zu keinem Zeitpunkt bilden sich Wirbel einer stöchiometrischen Mischung von Brennstoff und Luft, oder verharren dort während einer beliebigen Zeitdauer. Die gewählte Konstruktion ist ein Gegenstück zur sogenannten «Gehrungsanordnung». Die Ungleichförmigkeitder Wandstärke der Verdampfungsrohre, d. h. die grösseren Wand-stärken im Mittelteil und an der Kopfpartie 62 dient zunächst der Erhöhung der Temperatur des Kopfteils, in Kenntnis des

Umstandes, dass konventionelle Rohre zu kühl betrieben werden und dabei zur Kohlenstoffablagerung beitragen. Der verstärkte Innenradius 90 vermeidet scharf einspringende Formen, die ebenfalls zur Kohlenstoffablagerung neigen könnten. Die 5 Verdampfungsrohre 40 können gegossen werden, was durch den verdickten Innenradius erleichtert wird.

Wie erwähnt, können die Temperaturunterschiede in der Kopfplatte bei den bekannten Konstruktionen, z. B. der Gehrungsanordnung mit völliger Strömungsumkehr, recht hoch sein, 10 im Bereich von 370° C (600° F). Ein äusserst wichtiges Resultat besteht in der Herabsetzung dieses Bereiches auf ca. 150° C (300° F) oder weniger, indem der Austrittswinkel beispielsweise im Bereich von 20° bis 55° aus der Vertikalen gewählt wird (statt der völligen Strömungsumkehr). Dieser Winkel 92 ist in Fig. 7 15 und 8 ersichtlich, wo der Winkelbereich in Klammern angegeben ist. Unter gewissen Umständen kann dieser Winkel nahe bei 35° liegen, wie in den Zeichnungen ebenfalls angegeben. Dieser Winkel ist für beide Varianten gleich, sowohl für das doppelte «T-Rohr» als auch das einfache «J-Rohr», gemäss Fig. 7 bzw. Fig. 20 8. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Austrittsebene im wesentlichen unter 90° zur Mittellinie der Austrittsöffnung steht, wobei diese Mittellinie selbst wie erwähnt in einem Winkel zwischen 20° und 55° zur Vertikalen steht.

Die Anordnung der Austrittsöffnungen in Verbindung mit 25 den anderen Merkmalen der Verdampfungsrohre und den zugehörigen Mechanismen tragen zur Gesamtwirkung der Erfindung bei. Im Unterteil der Rohre wird, wie angedeutet durch die Pfeile 68, Brennstoff mit etwas Luft eingeführt, wobei die Mischung dann gegen die innere Oberfläche des Rohroberteiles strömt, 30 währenddessen sie der das Rohr umgebenden Hitze ausgesetzt ist, wodurch sie teilweise verdampft.

Die Strömung wird dann sachte umgelenkt in einen Winkel, der einer teil weisen Umkehr entspricht, angedeutet durch die Pfeile 68A, wonach die Strömung gemäss den Pfeilen 60B die 35 Rohre durch die Austrittsöffnungen verlässt. Dieser Strömungsabschnitt ist gegen die Spritzplatten 50 gerichtet, in einer vom Stamm 54 entfernten Lage.

Beim Austrittspunkt 58 des Gasstromes kann eine weitere Mischung mit zusätzlicher Luft stattfinden, angedeutet durch den 40 Kreis 91 ; diese Luft tritt teilweise durch den Luftkanal 70 ein und durch das teilweise geöffnete obere Ende der Abschirmung 46 wieder aus. Die Gasströme schlagen auf den Spritzplatten auf, wobei weiterer Brennstoff verdampft, falls dies nicht schon vollständig erfolgt ist. Das Gemisch strömt dann angedeutet 45 durch die Pfeile 68C, in den Ringbrenner, der in der üblichen Weise arbeitet.

Die kombinierten Effekte des Strömungsaustrittes aus dem Verdampfungsrohr ohne völlige Strömungsumkehr, sondern etwas seitlich von der Basis des Verdampfungsrohres weg, und 50 der Spritzplatten für jedes Verdampfungsrohr, die nicht kreisförmig, sondern mehr oder weniger rechteckig geformt und exzentrisch so angeordnet sind, dass die direkte Strömung aus dem Verdampfungsrohr darauf trifft, sind wichtig für die erreichten Ergebnisse.

55 Die winkelmässige Anordnung und das Zusammenwirken mit den Spritzplatten verhindern praktisch jegliche Kohlenstoffablagerung oder örtliche Überhitzung, sowohl auf der Kopfplatte wie auch auf der Spritzplatte. Es hat sich gezeigt, dass unter gewissen Umständen eine Neigung zur Kohlenstoffablagerung 60 längs der Seitenkanten der Spritzplatten bei 94A und 94B auftritt. Um dies zu vermeiden, weisen die Abschirmungen 46 eine Anzahl Antikohlenstoff-Löcher 96 auf, die so gerichtet sind, dass in die Abschirmungen 46 eintretende Luft (angedeutet durch die Pfeile 74) durch diese Löcher austritt und in den 65 Gebieten 94A und 94B auf die Spritzplatten trifft, wodurch ein Luft-Mischvorgang dort eine Kohlenstoffablagerung zu verhindern neigt. Weil die oberen Enden der Abschirmung 46 an die Aussenseiten des Stammabschnittes der Verdampfungsrohre

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geschweisst sind (durch 98 angedeutet), muss beim Schweissen darauf geachtet werden, den Antikohlenstoff-Löchern nichtzu nahe zu kommen oder diese zu berühren. Die Schweissung ist unter den Armen 56A und 56B mindestens teilweise unterbrochen .damit zusätzliche Luft zur Beimischung und zur Kühlung des Stammes einströmen kann. Das untere Ende der Abschirmung 46 ist vom Verdampfungsrohr etwas entfernt mit diesem heftverschweisst, beispielsweise an drei Stellen. Eine grössere Anzahl von Antikohlenstoff-Löchern 96 kann in der Abschirmung 46 vorgesehen sein,z. B. zwölf, gleichmässiglängs des Umfangs derselben verteilt angeordnete Löcher. Dies ist den je drei Löchern auf jeder Seite gemäss Fig. 6 vorzuziehen.

Die «J-Rohr»-Konstruktion gemäss Fig. 8 weist die gleichen charakteristischen Merkmale der Ausführung gemäss Fig. 7 auf, die im einzelnen diskutiert worden ist. Dies schliesst auch das verdickte Kopfende 86 des Rohres, die innere Kante 88 und die Verdickung im Umlenkgebiet 90 ein. Mit dem «J-Rohr» kann eine Spritzplatte eingesetzt werden, die analog zu jener mit dem «T-Rohr» verwendeten gestaltet ist.

Aus den vorstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen geht hervor, dass diese eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellen und Massnahmen zur Vermeidung von örtlichen Überhitzungen sowohl der Kopfplatten als auch der allfälligen Spritzplatten aufweisen, die darin 5 bestehen, dass die Gasströme etwas seitlich vom Stammabschnitt des Verdampfungsrohres abgelenkt auf diesem austritt, und nicht in völliger Strömungsumkehr nach rückwärts umgelenkt wird.

Die gewählte Anordnung vermeidet auch örtliche Überhit-10 zungen im Verdampfungsrohr, durch die sanfte Formgebung des Strömungspfades, d. h. in Stromlinienform nach anerkannten aerodynamischen Prinzipien. Zusätzlich ist die Wandstärke des Rohres variiert, um die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit unerwünschten Temperaturschwankungen auf ein Minimum zu 15 reduzieren, ebenso die Neigung zur Bildung von Kohlenstoffab-lagerungen. Um eine wirksamere Abschirmung der Kopfplatte vor der Gasströmung zu erreichen, sind die bei jedem der Verdampfungsrohre angeordneten Spritzplatten nicht kreisförmig, sondern mehr oder weniger rechteckig und gewähren damit 20 eine wirksamere Abdeckung des Aufschlaggebietes der Gasströmung.

M

4 Blatt Zeichnungen

Claims (19)

1. 631254 2

   "PATENTANSPRÜCHE

   1. Brenner des Verdampfungstypus für eine Gasturbine mit mindestens einem Brennstoff-Verdampfungsrohr (40), dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungsrohr einen hohlen 5 Stamm (54) mit einer offenen Basis als Einlassöffnung für ein Brennstoff-Luft-Gemisch aufweist, ferner einen auf diesem Stamm angeordneten Kopf (56) mit mindestens einem Arm (56B), der sich seitlich vom Kopf aus erstreckt und mit einer Gasaustrittsöffnung (58) endigt, welche in einem spitzen Winkel 10 zur Achse des Stammes (54) angeordnet ist, um die ausgestos-sene Gasströmung unter dem spitzen Winkel (92) vom Stamm

   (54) nach rückwärts und von der Basis des Stammes (54) wegzu-lenken.
2. 2. Brenner gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass15 er ein Ringbrenner ist.
3. 3. Brenner gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Büchsenbrenner ist.
4. 4. Brenner gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungsrohr im wesentlichen die Form eines liegen- 20 den «J» hat.
5. 5. Brenner gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungsrohr im wesentlichen die Form eines «T» hat und der Kopf (56) zwei Arme (56A, 56B) aufweist.
6. 6. Brenner gemäss einem der Ansprüche 1,4 oder 5, gekenn- 25 zeichnet durch ein Verdampfungsrohr, bei welchem der spitze Winkel (92j im Bereich zwischen 20° und 55° von der Längs-Mitîellinie des Stammes aus liegt, um das durch den Stamm strömende Brennstoff-Luft-Gemisch um einen Winkel im Bereich zwischen 125° und 160° umzulenken. 30
7. 7. Brenner gemäss einem der Ansprüche 1,4 oder 5, gekennzeichnet durch ein Verdampfungsrohr, bei dem der spitze Winkel ungefähr 35' beträgt.
8. 8. Brenner gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verdampfungsrohre (40) vorgesehen sind, dass jedem 35 Verdampfungsrohr eine Kopfplatte (44) und eine Spritzplatte (50) zugeordnet sind, dass die Innenseiten der Verdampfungsrohre glatte Stromlinienoberflächen zur Vermeidung von Wirbele und Strömungsverlusten und örtlichen Überhitzungen aufweisen, wobei die Verdampfungsrohre ungleichförmige Wand- 40 stärken (86,88) zur Gewährleistung einer Betriebstemperatur aufweisen, die nicht nur die Bildung von Gebieten mit Kohlenstoffablagerung, sondern auch örtliche Überhitzungen verhindern, wobei die Spritzplatte (50) für ein Zusammentreffen mit dem umgelenkten Gasstrom angeordnet ist und so ausgestaltet 45 ist, dass sich eine Abschirmung der Kopfplatte vor dem heissen Gasaustritt aus den Rohren ergibt.
9. 9. Brenner gemäss Anspruch 2, wobei Verdampfungsrohre ringförmig angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis jedes Stammes durch eine Kopfplatte (44) hindurch ver- 50 läuft und mit einer Spritzplatte (50) versehen ist, die sich um den Stamm (59) herum, in der Nähe der Basis zwischen der Austrittsöffnung (58) und der Kopfplatte (44) erstreckt, um den grössten Teil der austretenden Gasströmung abzufangen und dabei die Kopfplatte (44) von den heissen Austrittsgasen abzuschirmen. 55
10. 10. Brenner gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

    dass die Spritzplatte (50) die Form eines Ringausschnittes hat, dessen Krümmung der des Ringbrennergehäuses hat, dessen Krümmung der des Ringbrennergehäuses entspricht und von den Seitenwänden des Gehäuses durch einen gleichmässigen, kleinen 60 Abstand getrennt ist.
11. 11. Brenner gemäss Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

    dass die Spritzplatte (50) abgerundete Ecken (50C) und nach aufwärts gebogene Aussenränder zur Erhöhung der Steife und zur Begrenzung der darauf auftreffenden Gasströmung aufweist.65
12. 12. Brenner gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

    dass die Verdampfungsrohre (40) unter gleichen Abständen zwischen den ringförmigen Seitenwänden montiert sind, dass ferner die Enden der Spritzplatten (50) voneinander in einem Abstand angeordnet sind, der im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den Längskanten der Spritzplatte und den Seitenwänden und derart ist, dass der grösste Teil jeder Gasströmung aus dem Verdampfungsrohr (40) aufgefangen wird, wodurch die ganze Kopfplatte (44) abgeschirmt wird.
13. 13. Brenner gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungsrohr eine Abschirmung (46) aufweist, welche um die Stammachse herum in der Nähe der Basis und unter radialem Abstand davon angeordnet ist, welche sich über und unter die Kopfplatte (44) erstreckt und welche mit dem Stamm (54) einen dazwischen liegenden Luftströmungskanal (48) bildet, der komprimierte Luft zur zusätzlichen Beimischung zur Gasströmung aus dem Verdampfungsrohr einführt und den Stamm (54) kühlt.
14. 14. Brenner gemäss Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (46) Löcher (96) aufweist, die quer zur Längsseite der Spritzplatte (50) gerichtet sind und dazu dienen, Luft auf die obere Fläche der Spritzplatten strömen zu lassen, um Kohlenstoffpartikel davon wegzuwaschen.
15. 15. Brenner gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (56) eine gegenüber dem Austrittsende des Stammes (54) zentral angeordnete, verdickte Wandpartie (86) aufweist, wobei die Wandstärke von dieser Zentralpartie ausgehend zu der Austrittsöffnung (58) hin abnimmt, um eine im wesentlichen gleichförmige Temperaturverteilung zu erhalten und der Bildung von Kohlenstoffablagerungen in der Kopfpartie entgegenzuwirken.
16. 16. Brenner gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (86) des Kopfes dicker an der Spitze gegenüber dem Stammaustritt (56) ist und konisch zur dünneren Wandstärke (88) bei der Austrittsöffnung (58) übergeht, wobei der verdickte Wandabschnitt zur Erhöhung der Temperatur an dieser Stelle dient.
17. 17. Brenner gemäss Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (86) an der Stelle (90), an der der Rand der Austrittsöffnung nahe am Stamm vorbei verläuft, verdickt ist, um eine starke Krümmung der Innenoberfläche zu vermeiden und damit der Kohlenstoffablagerung entgegenzuwirken und eine stark konkave Aussenoberfläche bei der Rohrverbindungsstelle zu vermeiden.
18. 18. Brenner gemäss Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere des Verdampfungsrohres glatte Stromlinienformen zur Vermeidung von Wirbeln und Strömungsverlu-sten und zur Verhinderung der Bildung von örtlichen überhitzten Stellen im Dampfrohr aufweist.
19. 19. Brenner gemäss Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Armes (88) kleiner als die Querschnittsfläche des Stammes (60) ist.

    Technisches Gebiet