DE4406399B4

DE4406399B4 - Wärmeerzeuger

Info

Publication number: DE4406399B4
Application number: DE4406399A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Althaus
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1994-02-26
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2014-02-27
Also published as: DE4406399A1; CH687347A5; US5647200A

Abstract

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) begrenzter 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 Strömungsrichtung stromab der Brennstoffdüsen (9a, 9b) mindestens eine wirbelerzeugende Profilschränkung (13) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeerzeuger gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind Wärmeerzeuger bei Gasturbogruppen bekannt geworden, welche stromab einer Hochdruckturbine und stromauf einer Niederdruckturbine wirken, und die Aufgabe haben, eine Zwischenüberhitzung der Abgase aus der Hochdruckturbine zu bewerkstelligen, dergestalt, dass die Niederdruckturbine 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 Brennkammern und der Hochdruckturbine ist ein Sammler vorgesehen, aus welchem die Abgase über Zuleitungen zum Wärmeerzeuger 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 vollwertiger Infrastruktur, wie Brennstoffzufuhr, Luftzufuhr, Bren ner, Gemischbildung, Zündung, Dispositive gegen eine Flammenrückzündung 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 Wärmeerzeugers 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 minimerten 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 Eindüsung eines Brennstoffes in die heissen Abgase aus der Hochdruckturbine den heissgaserzeugenden Betrieb aufrechtzuerhalten.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
1 einen Querschnitt durch einen Wärmeerzeuger, der sich zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine befindet, in schematischer Darstellung, und
2 einen Träger als radiale Verbindung zwischen Innenwand und Aussenwand des Wärmeerzeugers.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Anwendbarkeit
1 zeigt einen Wärmeerzeuger 1, der zwischen einer zuströmungsseitigen Hochdruckturbine 2 mit den endseitigen Laufschaufeln 2a und Leitschaufeln 2b und einer abströmseitigen Niederdruckturbine 3 mit den beginnenden Leitschaufeln 3a und den nachfolgenden Laufschaufeln 3b plaziert ist, alles über einen einzigen Rotor 10. Selbstverständlich kann ein solcher Wärmeerzeuger 1 beispielsweise zwischen einem Verdichter und einer Niederdruckturbine plaziert sein, oder auch als Wärmeerzeuger einer atmosphärischen Feuerungsanlage eingesetzt werden. Der Wärmeerzeuger 1 weist eine zylindrische oder quasi-zylindrische 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-zylindrischer Linienführung der Wände ist jene Konfiguration zu verstehen, bei welcher der Strömungsquerschnitt des Wärmeerzeugers 1 in Strömungsrichtung zu- oder abnimmt. Die Innenwand 4 ist über eine Anzahl radial angelegte Träger 6 mit der Aussenwand 5 verbunden. In 1 sind zwei von diesen Trägern 6 in Ansicht und einer im Schnitt dargestellt. Die Innenwand 4 und Aussenwand 5 sind in üblicher Manier ausgeführt, beispielsweise doppelwandig, womit eine gezielte Kühlung der kalorisch beanspruchten Teile vorgesehen 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 dargestellte 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 Träger 6 einströmt, und von dort, wie unten detailliert noch zur Ausführung gelangen wird, über eine Reihe von Einspritz- 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 strömungstechnischen Gründen sind die Träger 6 mindestens anströmungsseitig als Leitflügel ausgebildet. Die kalorische Disposition der Heissgase bei einem zugrundegelegten Selbstzündungsbetrieb im Wärmetauscher 1 geht dahin, dass die in der Hochdruckturbine 2 zur Beaufschlagung gelangenden 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 Hockdruckturbine 2, im Bereich der Eindüsung des genannnten Brennstoffes, eine Temperatur in der Grössenordnung von 1000°C aufweisen, soll die Selbstzündung stabil aufrechterhalten werden können. Bei solchen Aggregaten müssen jeweils Vorkehrungen getroffen werden, damit die Flammenfront aus dem Brennraum 1a des Wärmeerzeugers 1 nicht stromauf wandern kann, dh., ein Zurückschlagen der Flamme Richtung Hochdruckturbine 2 muss verhindert werden. Nachteilig wäre hier, abströmungsseitig der Hochdruckturbine 2 irgendwelche Flammenhalter vorzusehen. Der hier vorgeschlagene Träger übernimmt deshalb, über das scon Gesagte, durch eine spezielle Ausgestaltung, die Funktion eines Wirbelgenerators, der eine stabile Rückströmzone zu bilden vermag. Die zu diesem Zweck wesentliche Ausgestaltung des Trägers 6 wird unter 2 näher erläutert. Die im Wärmeerzeuger 1 bereitgestellten Heissgase 15 beaufschlagen die Niederdruckturbine 3 und strömen als Abgase 15a einer weiteren kalorischen Nutzung zu, beispielsweise als Trägermedium eines nachgeschalteten Dampfkreislaufes.
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 Verbrennungsluft 11 einen inneren Kanal 7a auf, durch welchen die unter 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 Unterdruckfläche 6a und Ueberdruckfläche 6b aufweist, während die untere hintere Hälfte des leitschafelförmigen Trägers 6 demgegenüber geschränkt ist, d.h. die Ueberdruckfläche 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 divergierende Teilströme 12a, 12b auf. Im Bereich der beginnenden Profilschränkung 13 wirken Brennstoffdüsen 9a, 9b, die hier anhand von Oeffnungen 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 Verbrennungsluft 11 aus. Die Brennstoffdüsen 9a, 9b sind innerhalb 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 2 hervorgeht. Die durch die Profilschränkung 13 in Strömungsrichtung erzeugten Wirbel beschleunigen nicht nur im Nahfeld des Trägers die Mischung von Brennstoff 8 und Verbrennungsluft 11, was eine kurze Mischlänge und dementsprechend eine unmittelbare Selbstzündung auslöst, sondern sie gleichen im Fernbereich, also im weiteren 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 feststellen, dass der genannte Ausgleich bei minimalen Druckverlusten abläuft, was einen höheren Leistungsertrag aus der nachgeschalteten Turbine ergibt. Selbstverständlich lassen sich auch über die Höhe des Trägers 6 intermittierende Unterdruckfächen, d.h. mehrere Profilschränkungen 13 vor sehen, dies im Zusammenhang mit der angestrebten Wirbelerzeugung.
Selbstverständlich kann die Profilschränkung 13 so ausgelegt werden, dass sie die ganze achsiale Länge des Trägers 6 erfasst, d.h. die Divergierung zwischen Ueberdruck- und Unterdruckfläche umfasst den ganzen Träger 6, und teilt ihn in zwei Ebenen auf.

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: Ueberdruckfläche
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

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) begrenzter 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 Strömungsrichtung stromab der Brennstoffdüsen (9a, 9b) mindestens eine wirbelerzeugende Profilschränkung (13) aufweist.
Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (6) ein schaufelförmiges Profil aufweist.
Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (6) mindestens einen luftführenden Kanal (7a) aufweist.
Wärmeerzeuger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Profilschränkung (13) innerhalb des Trägers (6) zwei Unterdruckflächen (6a, 6c) schafft, und dass jeweils die Unterdruckflächen (6a, 6c) mit den Brennstoffdüsen (9a, 9b) versehen sind.