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Abblasevorrichtung für Brennkammern für Gasturbinenanlagen Die I?rtindun@
betrifft eine _\l)l)lasevorriclitung für Brennkammern für Gasturbinenanlagen. Gleichdruckbrennkamenern
von Gasturbinen mit offener bzw. hall>offener Prozeßführung, namentlich solche mit
gasförmigen Brennstoffen, bedürfen einer Sicherheitseinrichtung gegen Explosionen
oder auch Detonationen, die beim Ausbleiben der Zündung und irgendwelchen anderen
Gründen ausgelöst werden können. Sie sind deshalb vorteilhaft, um edlere Teile der
Anlage, z. B. Verdichter und Turbine, vor Schädigungen zu bewahren. Die übliche
Art, --%fembranen geringer Masse in Verlängerung der meist rohrartigenBrennräume
anzuordnen, scheitert andemhohen stationären Betriebsinnendruck der Brennkammer,
weil die Dickenabmessungen der Membrane bei ausreichend großen Notauslaßöffnungen
zu groß werden müßten.
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Da die zugehörigen Schließkräfte durch Federn erfindungsgemäß ebenfalls
nur äußerst schwierig zu ver«@irklichen sind, wird ein vom Arbeitsmittel beaufschlagter
pneumatischer Kolben zum Schließen der Notöffnung verwendet: Aus dem Netz der Anlage
mit verschiedenen Drücken für die @erbrennungsluft bzw. das Arbeitsgas können verschiedene
Beaufschlagungsdrücke herangezogen werden; bei Hochdruckbrcnnkammern z. B. am besten
der Verdichtungsenddruck, bei Zwischenüberhitzungsbrennkammern ein an einer günstigen
Stelle luftseitig abnehmbarer Zwischendruck. Da trotz des mit der Last schwankenden
Luftpegels das Verhältnis der Drücke zueinander sich wenig ändert, ist also stets
mit einfachen Mitteln eine ausreichende Schließkraft für das Absperrorgan gewährleistet.
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Bei auftretenden Explosionen wird dieser Schließdruck des Ventiltellers
schnell überwunden und dem Brennkammerinhalt Gelegenheit zum Austritt ins Freie
gegeben. Wenn in Weiterausbau der Erfindung in der Speiseleitung des Druckkolbens
(notwendig
auch zur laufenden Deckung von Undichtheitsverlusten des Kolbens) ein. Rückschlagventil
eingebaut ist, bewirkt das Zusammendrücken dies eingeschlossenen Luftvolumens ein
dämpfendes Auffangen der Druckwellenenergie, ohne die Öffnungszeit des Aus.laßorgans
merklich zu verlängern. Diese Lösung ermöglicht auch ohne weiteres, daß nach dem
Verebben der Druckwelle der Verschluß der Brennkammer automatisch wieder eintritt.
Bei Anordnung von Bruchmembranen wäre in jedem Fall eine Betriebspause zur Auswechslung
nötig.
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Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist die Verwendung als Organ
für das schnelle Abstellen nachgeschalteter Teilturbinen, meist Verdichterturbinen,
bei Auftreten von Überdrehzahlen, die irgendwelche Ursachen haben mögen., aber sehr
schnell abgefangen werden sollen. Wenn die Schnellsch.lußeinrichtung nämlich im
Augenblick ihrer Auslösung auf mechanischem oder hydraulischem Wege mittels eines
größeren Abblaseventils den Gegendruck hinter dem Kolben echnell abbaut, öffnet
der innere Überdruck der Arbeitsgase in. der Brennkammer den Verschluß, und, die
potentielle Arbeitsenergie der abzustellenden Turbine ist praktisch ausgeschaltet.
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Schließlich tritt bei der Einstellung günstigen Teillastverbrauches
an mehrwelligen Gasturbinenanlagen infolge des Fehlens von Querschnittsbeeinflussungsmöglichkeiten
an den Turbinen und infolge der steileren Charakteristik der meist verwendeten Axialverdichter
das Bedürfnis nach Umführung eines Teile dies Arbeitsmittels um eine Turbine auf.
In diesem Fall kann die Sicherheitseinrichtung nach der Erfindung mit Gegendruckkolben
an der vorgeschalteten Brennkammer oder Zwischenüberhitzungskammer dazu benutzt
werden, durch Steuerung des Gegendruckes hinter dem Kolben das Abblaseventil nur
wenig anzuheben und so so eine dosierte Menge abströmen zu lassen. Das Gleichgewicht
der Ventil- und Kolbenkräfte in Verbindung mit einer Feder auf der Kolbendruckscheibe
wird dadurch eingestellt, daß über ein vorgesehenes feinzusteuerndes Schnüffelventil
gerade so viel von der zugespeisten Druckluft aus dem Prozeßnetz wieder zum Abströmen
gelangen kann, daß sich ein ent-.sprecherid kleinerer Gegendruck hinter dem Kolben
einstellt, der in seiner Kraftwirkung den gewünschten Abblasequerschnitt am Ventilteller
offenläßt.
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Besonders zweckmäßig ist es, die Öffnung der Brennkammer mit dem Abschlußorgan
in Richtung der zu erwartenden Druckwellenwirkung zu legen,, wobei es aber wesentlich
vorteilhaft ist, den Arbeitsgas,strom vorher umzulenken, um zu seiner Verbrauchsstelle
zu gelangen. Man erreicht dadurch, daß der Anschluß der Sicherheitseinrichtung in
einer toten Strömungsecke des Brenng*sstromes liegt, Teller und Sitz nicht so heiß
werden und die Dichtheit des Abschlusses auf lange Zeit gewährleistet werden kann.
Die Heranfüh;rung von Verbrennungsluft aus dem Brennkammermantel unterstützt diese
Wirkung noch zusätzlich.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Abblasevorrichtung
nach der Erfindung dargestellt, wobei die Breinikamnier in einem Längsschnitt gezeigt
ist, während die mit ihr in; Verbindung stehende Gasturbinenanlage schematisch dargestellt
ist.
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Die Brennkammer mit dem Gasbrenner i, dem druckfesten Gehäuse 2 und
dem zu.nderbeständigen Brennraumeinsatz 3 erhält die Verbrennungsluft als Primär-
und Sekundärluft an den Stutzen 4 und 5 in vorgewärmtem Zustand von Verdichter 6
und Vorwärmer 7 angeliefert. Das entstehende Treibgas entweicht am Stutzen 8 zur
Turbine 9, die in dem Ausführungsbeispiel einer Frischgasbrennkammer eine Teilturbine
einer mehrteiligen Gasturbinenanlage darstellt und zur schematischen Erläuterung
der Arnwendungs#möglichkeiten der Sicherheitseinrichtung auch einen Generator io
antreibt. Nach der Erfindung hält die Brennkammer eine weitere Öffnung möglichst
in Richtung der axialen Erstreckung derselben, die vom Ventil 12 verschlossen wird.
Die Schließkraft wird durch einen Kolben 13 in einem Druckzylinder 14 aufgebracht,
der von einem Teilstrornn der verdichteten Luft über die Leitung 15 mit eingebautem
Rückschlagventil 16 und Drosselöffnung 17beaufschlagt wird. Beim Auftreten einer
umerwünschten Drucksteigerung in der Brennkammer wird die Schließkraft des Druckkolbens
13 überwunden, und der Gasinhalt kann bei der dadurch bewirkten öffnung d.es Ventils
12 über den Stutzen 18 und die Leitung i9 ins Freie entweichet, wobei durch die
Zusammend rückurig des hinter dem Kolben 13 eingeschlossenen Luftvolumens eine Dämpfung
des Druckstoßes erfolgt, weil in der Nachfülleitung 15 dann das Rückschlagventil
16 wirksam wird.
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Das Eingreifen des Sicherheitsabschlusses 12 bei Überschreitung der
zulässigen Höchstdrehzahl der Turbine 9 aus irgendwelchen Gründen wird ausgelöst
durch die Schnellachlußeinrichtung 2o auf der Welle derselben. Es ist die übliche
Bauart mit einem uriwuchtigen Ring, der durch Federkraft auf rundlaufendem Außendurchmesser
gehalten wird. In der Zeichnung ist sie schematisch dargestellt. Bei gefährlicher
Überschreitung der Drehzahl überwiegt bekanntlich die Massenkraft am Ring die Federkraft
und der Hebel 21 erfährt einen Ausschlag, durch welchen der Absperrhahn 22 in der
Abblaseleitung 23 geöffnet wird und der Gegendruck für die Dichthaltung des Ventils
12 schlagartig abgebaut wird.
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Falls es die Regelung der Anlage auf günstige Teillastverbräuche fordert,
kann. abhängig von der Last von der aus eine Umführung eines Teiles der in der Brennkammer
entstandenen Treibgase um die nachgeschaltete Turbine 9 erwünscht ist, das Ventil
12 nur wenig angehoben werden, um eben eine begrenzte Teilmenge abströmen zu lassen.
Dies ist in der Abbildung schematisch dadurch angedeutet, daß eine gewisse Muffenstellung
des Fliehkraftreglers 24 dler Turbine 9 unmittelbar ein Regelventil 25 in der Abblaseleitung
23 so weit öffnet, daß im Druckraum des Zylinders 14 unter dem Einfluß der Zuströmung
in der Speiseleitung 15 und der so gesteuerten Abströmung in der Abflußleitung 23
sich ein abgesenkter Druck einstellt. Die Beeinflussung
des Ventils
25 kann durch irgendeine bekannte wattmetrische Einrichtung am Generator io erfolgen.
Unter Zuhilfenahme der vom Ventilhub abhängigen Federkräfte eitler eingebauten Schraubenfeder
26 entsteht so das Gleichgewicht für eine passende geringe Ventilerhebung.
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Damit das Ventil nicht unmittelbar von den heißen Treibgasen beheizt
wird, ist es zweckmäßig, Teller und Sitz an einem Strömungstotraum oder einem längeren
axial angeordneten Stutzen vorzusehen. Zusätzlich kann der Luftmantel der Brennkammer,
wie in der Abbildung erkennbar, so in die Nähe des Sitzes gezogen werden, daß derselbe
laufend von kälterer Luft bespült wird und eine einwandfreie Dichtheit des Ventils
auch bei längerer Betriebsdauer und hohen Temperaturen sichergestellt ist.