DE4406399A1

DE4406399A1 - Wärmeerzeuger

Info

Publication number: DE4406399A1
Application number: DE4406399A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Althaus
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1994-02-26
Publication date: 1994-10-13
Anticipated expiration: 2014-02-27
Also published as: DE4406399B4; CH687347A5; US5647200A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeerzeuger gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es sind Wärmeerzeuger bei Gasturbogruppen bekannt gewor den, welche stromab einer Hochdruckturbine und stromauf einer Niederdruckturbine wirken, und die Aufgabe haben, eine Zwischenüberhitzung der Abgase aus der Hochdrucktur bine zu bewerkstelligen, dergestalt, daß die Niederdruck turbine mit Heißgasen beaufschlagt werden kann.

Diese Wärmeerzeuger der bekannten Art weisen eine Vielzahl von einzelnen Brennkammern auf, welche zwischen den genannten Turbinen plaziert sind. Zwischen diesen Brenn kammern und der Hochdruckturbine ist ein Sammler vorgese hen, aus welchem die Abgase über Zuleitungen zum Wärmeer zeuger geführt werden. Abströmungsseitig der genannten Brennkammer ist ein Verteiler vorgesehen, aus welchem die Heißgase zu der Niederdruckturbine strömen.

Ein solcher Wärmeerzeuger ist ein relativ komplizierter Bauteil mit strömungsmäßig ungünstiger Ausgestaltung, wobei die einzelnen Brennkammern mit jeweiliger vollwerti ger Infrastruktur, wie Brennstoffzufuhr, Luftzufuhr, Bren ner, Gemischbildung, Zündung, Dispositive gegen eine Flam menrückzündung etc., den Wärmeerzeuger naturgemäß sehr verteuern.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wärmeerzeuger der eingangs genannten Art den Wirkungsgrad zu maximieren und die Schadstoff-Emissionen zu minimieren.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die ringförmige Ausgestaltung sich nahtlos zwischen Hochdruckturbine und Niederdruckturbine integrieren läßt, so daß die Zu- und Abströmungs-Verhältnisse dieses Wärme erzeugers optimal ausfallen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß der Wärmeerzeuger an sich eine einzige Brennkammer ist, wodurch deren Infrastruktur minimiert werden kann, so daß eine Verbrennung mit minimierten Schadstoff-Emissionen gezielt gehandhabt werden kann.

Ein weiterer und wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß ein solcher Wärmeerzeuger nach dem Prinzip der Selbstzündung betrieben werden kann, d. h., ein solcher Wärmeerzeuger ist dazu prädestiniert, durch Eindü sung eines Brennstoffes in die heißen Abgase aus der Hochdruckturbine den heißgaserzeugenden Betrieb aufrecht zuerhalten.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängi gen Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbei spiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmit telbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Wärmeerzeuger, der sich zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine befindet, in schematischer Dar stellung, und

Fig. 2 einen Träger als radiale Verbindung zwischen Innenwand und Außenwand des Wärmeerzeugers.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Anwendbarkeit

Fig. 1 zeigt einen Wärmeerzeuger 1, der zwischen einer zuströmungsseitigen Hochdruckturbine 2 mit den endseitigen Laufschaufeln 2a und Leitschaufeln 2b und einer abström seitigen Niederdruckturbine 3 mit den beginnenden Leit schaufeln 3a und den nachfolgenden Laufschaufeln 3b pla ziert ist, alles über einen einzigen Rotor 10. Selbst verständlich kann ein solcher Wärmeerzeuger 1 beispiels weise zwischen einem Verdichter und einer Niederdrucktur bine plaziert sein, oder auch als Wärmeerzeuger einer atmosphärischen Feuerungsanlage eingesetzt werden. Der Wärmeerzeuger 1 weist eine zylindrische oder quasi-zylin drische Innenwand 4 und eine zylindrische oder quasi zylindrische Außenwand 5 auf, welche den Wärmeerzeuger als Brennkammer begrenzen. Bei zylindrischer Linienführung der Innenwand 3 und Außenwand 4 nimmt der Wärmeerzeuger eine ringförmige Ausgestaltung ein. Mit quasi-zylindri scher Linienführung der Wände ist jene Konfiguration zu verstehen, bei welcher der Strömungsquerschnitt des Wärme erzeugers 1 in Strömungsrichtung zu- oder abnimmt. Die Innenwand 4 ist über eine Anzahl radial angelegte Träger 6 mit der Außenwand 5 verbunden. In Fig. 1 sind zwei von diesen Trägern 6 in Ansicht und einer im Schnitt darge stellt. Die Innenwand 4 und Außenwand 5 sind in üblicher Manier ausgeführt, beispielsweise doppelwandig, womit eine gezielte Kühlung der kalorisch beanspruchten Teile vorge sehen werden kann. Die gleichmäßig am Umfang verteilten Träger 6 erfüllen mehrere Funktionen, die im engsten Zusammenhang mit der Betreibungsart des Wärmeerzeugers 1 stehen. Ausgehend davon, daß der Wärmeerzeuger 1 durch Selbstzündung betrieben wird, übernimmt der hier darge stellte Träger 6 mehrere wichtige Funktionen. Zunächst, wie bereits oben erwähnt, wird die Innenwand 4 von den Trägern 6 getragen. Eine weitere Funktion betrifft die Brennstoffzuführung 8, welche radial in die einzelnen Trä ger 6 einströmt, und von dort, wie unten detailliert noch zur Ausführung gelangen wird, über eine Reihe von Ein spritz- oder Einströmungseindüsungen 9 gezielt in den Brennraum 1a des Wärmeerzeugers 1 eingebracht wird. Des weiteren dienen die Träger 6 der Zufuhr von Luft 7, die als Kühlluft und/oder als gemischbildende Luft für den verwendeten Brennstoff 8 zur Anwendung gelangt. Aus strö mungstechnischen Gründen sind die Träger 6 mindestens anströmungsseitig als Leitflügel ausgebildet. Die kalori sche Disposition der Heißgase bei einem zugrundegelegten Selbstzündungsbetrieb im Wärmetauscher 1 geht dahin, daß die in der Hochdruckturbine 2 zur Beaufschlagung gelangen den Heißgase 14 dort nur so weit entspannt werden, daß sie abströmungsseitig dieser Turbine 2 als Abgase noch über jene minimale Temperatur verfügen, welche eine Selbstzündung im Wärmeerzeuger 1 mit dem dort eingesetzten Brennstoff 8 ermöglicht. Wird bespielsweise als Brennstoff 8 Erdgas eingesetzt, so muß die von den Abgasen gebildete Verbrennungsluft 11, abströmungsseitig der Hockdrucktur bine 2, im Bereich der Eindüsung des genannten Brennstof fes, eine Temperatur in der Größenordnung von 1000°C auf weisen, soll die Selbstzündung stabil aufrechterhalten werden können. Bei solchen Aggregaten müssen jeweils Vor kehrungen getroffen werden, damit die Flammenfront aus dem Brennraum 1a des Wärmeerzeugers 1 nicht stromauf wandern kann, d. h., ein Zurückschlagen der Flamme Richtung Hoch druckturbine 2 muß verhindert werden. Nachteilig wäre hier, abströmungsseitig der Hochdruckturbine 2 irgendwel che Flammenhalter vorzusehen. Der hier vorgeschlagene Trä ger übernimmt deshalb, über das schon Gesagte, durch eine spezielle Ausgestaltung, die Funktion eines Wirbelgenera tors, der eine stabile Rückströmzone zu bilden vermag. Die zu diesem Zweck wesentliche Ausgestaltung des Trägers 6 wird unter Fig. 2 näher erläutert. Die im Wärmeerzeuger 1 bereitgestellten Heißgase 15 beaufschlagen die Nieder druckturbine 3 und strömen als Abgase 15a einer weiteren kalorischen Nutzung zu, beispielsweise als Trägermedium eines nachgeschalteten Dampfkreislaufes.

Fig. 2 zeigt den Träger 6 in Perspektiv-Darstellung. An sich hat der Träger 6 die Form einer Leitschaufel. Der Träger 6 weist im Bereich der Anströmung der Verbrennungs luft 11 einen inneren Kanal 7a auf, durch welchen die unter Fig. 1 beschriebene Luft 7 strömt; des weiteres, entlang einer Ebene etwa in Strömungsmitte des Trägers 6 ist ein weiterer Kanal 8a disponiert, durch welchen der Brennstoff 8 strömt. Der als Leitschaufel gebildete Träger 6 ist mit einer Profilschränkung 13 erweitert. Diese umfaßt in Strömungsrichtung in etwa die hintere Hälfte der Leitschaufel, dergestalt, daß die obere Hälfte der Leitschaufel eine ununterbrochene Profilierung der Unter druckfläche 6a und Überdruckfläche 6b aufweist, während die untere hintere Hälfte des leitschaufelförmigen Trägers 6 demgegenüber geschränkt ist, d. h. die Überdruckfläche 6b geht profilmäßig in eine Unterdruckfläche 6c über. Die Anströmung 11 des Trägers 6 spaltet sich ab Beginn der Profilschränkung 13 in Strömungsrichtung in zwei divergie rende Teilströme 12a, 12b auf. Im Bereich der beginnenden Profilschränkung 13 wirken Brennstoffdüsen 9a, 9b, die hier anhand von Öffnungen gezeigt sind. Durch diese Brennstoffdüsen strömt der durch Kanal 8a herangeführte Brennstoff 8, allenfalls mit einem Luftanteil 7 vermischt oder gestützt, in den Brennraum 1a des Wärmeerzeugers 1 und löst dort eine Selbstzündung mit der heißen Verbren nungsluft 11 aus. Die Brennstoffdüsen 9a, 9b sind inner halb der radialen Ausdehnung des Trägers 6 gleichmäßig verteilt, entweder auf beiden Seiten des Trägers 6 oder lediglich auf den jeweiligen Unterdruckseiten 6a, 6c, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht. Die durch die Profilschränkung 13 in Strömungsrichtung erzeugten Wirbel beschleunigen nicht nur im Nahfeld des Trägers die Mischung von Brenn stoff 8 und Verbrennungsluft 11, was eine kurze Mischlänge und dementsprechend eine unmittelbare Selbstzündung aus löst, sondern sie gleichen im Fernbereich, also im weite ren Brennraum 1a des Wärmeerzeugers 1, zusätzlich jene Konzentrations- und Temperaturendifferenzen aus, die für einen Anstieg der Schadstoff-Emissionen verantwortlich sind. Vom Wirkungsgrad her betrachtet läßt sich feststel len, daß der genannte Ausgleich bei minimalen Druckverlu sten abläuft, was einen höheren Leistungsertrag aus der nachgeschalteten Turbine ergibt. Selbstverständlich lassen sich auch über die Höhe des Trägers 6 intermittierende Unterdruckflächen, d. h. mehrere Profilschränkungen 13 vor sehen, dies im Zusammenhang mit der angestrebten Wirbeler zeugung.

Selbstverständlich kann die Profilschränkung 13 so ausge legt werden, daß sie die ganze axiale Länge des Trägers 6 erfaßt, d. h. die Divergierung zwischen Überdruck- und Unterdruckfläche umfaßt den ganzen Träger 6, und teilt ihn in zwei Ebenen auf.

Bezugszeichenliste

1 Wärmeerzeuger
1a Brennraum
2 Hochdruckturbine
2a Laufschaufel der HD-Turbine
2b Leitschaufel der ND-Turbine
3 Niederdruckturbine
3a Leitschaufel der ND-Turbine
3b Laufschaufel der ND-Turbine
4 Innenwand des Wärmeerzeugers
5 Außenwand des Wärmeerzeugers
6 Träger
6a Unterdruckfläche
6b Überdruckfläche
6c Unterdruckfläche
7 Luft
7a Luftkanal
8 Brennstoff
8a Brennstoff-Kanal
9 Brennstoffeindüsung
9a Brennstoffdüsen
9b Brennstoffdüsen
10 Rotor
11 Verbrennungsluft
12a Teilstrom
12b Teilstrom
13 Profilschränkung
14 Heißgase
15 Heißgase
15a Abgase.

Claims

1. Wärmeerzeuger zur Heißgaserzeugung, der stromab einer Strömungsmaschine und stromauf einer Turbine plaziert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeerzeuger (1) als ein durch eine Außenwand (5) und eine Innenwand (4) begrenz ter ringförmiger Raum ausgebildet ist, daß Außenwand (5) und Innenwand (4) mit einer Anzahl radial verlaufender angeströmter Träger (6) miteinander verbunden sind, daß der Träger (6) mit mindestens einem Zufuhrkanal (8a) für einen Brennstoff (8) und einer Anzahl Brennstoffdüsen (9a, 9b) versehen ist, und daß der Träger (6) in Strömungs richtung stromab der Brennstoffdüsen (9a, 9b) mindestens eine wirbelerzeugende Profilschränkung (13) aufweist.

2. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) ein schaufelförmiges Profil aufweist.

3. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) mindestens einen luftführenden Kanal (7a) aufweist.

4. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich net, daß jede Profilschränkung (13) innerhalb des Trägers (6) zwei Unterdruckflächen (6a, 6c) schafft, und daß jeweils die Unterdruckflächen (6a, 6c) mit den Brennstoff düsen (9a, 9b) versehen sind.