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Verbrennungsverfahren für eine Gasturbinen-Brennkammer, mit
Kraftstoffverdampfung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbrennungsverfahren für eine Gasturbinen-Brennkammer, mit Kraftstoffverdampfung, wobei flüssiger Kraftstoff zwecks Bildung eines Flüssigkeitsfilmes und daraus erfolgender Verdampfung auf die Wandung eines kühlbaren und gegebenenfalls heizbarenBrennkammer-Bau- teiles unmittelbar aufgetragen wird.
Das Ziel einer jedenBrennkammerkonstruktion ist eine möglichst vollkommene Verbrennung des ein- gespritzten KraftStoffes zu erreichenund damit die konstruktive Länge derBrennkammersogeringwiemög- lich machen zu können. Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, unter Benutzung der Erkenntnisse über den Ablauf der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Lösungen für dieses Problem anzugeben.
Während bei vielen heute verwendetenBrennkammern die Verbrennungsluft und der Kraftstoff dadurch in innige Mischung gebracht werden, dass fein zerstäubendeDüsen in denLuftsirom einsebaut werden, und durch die künstlich oder natürlich vorhandene Turbulenz eine Verdampfung des fliegenden flüssigen Tropfens und eine Vermischung der entstehenden Kraftstoftdampte mit der Verbrennungsluft herbeigeführt wird, geht die Erfindung von einem grundsätzlich andern, wenn auch an sich bekannten Verfahren aus.
Der Kraftstoff wird nicht mehr in fein zerstäubter Form unmittelbar der Luft beigemischt, sondern vor der Vermischung einer Verdampfung unterzogen. Dies gelingt nach den neuesten Erkenntnissen am besten, wenn man den Kraftstoff in einer dünnen Schicht längs einer geeignet temperierten Oberfläche fliessen lässt. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Verdampfungszeit oder wie man es auch ausdrücken kann, die
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keit ein Maximum wird.
Über dieses physikalische Phänomen haben die japanischen Forscher Z. Tamura undy. Tanasawa einen Aufsatz geschrieben (veröffentlicht in"SEVENTH SYMPOSIUM INTERNATIONAL onCOMBUSTION". Londen, Butterworths Scientific Publications 1958). Diese Forscher stellten fest, dass beispielsweise für einen
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H,, (n-Cetan),ringere Verweilzeit auftritt, als wenn beispielsweise dieWandungsiemperatur HOC"betragt. Bei dem Ziel, eine möglichst kurze Ausbrennzeit zu erreichen, ist noch ein weiterer Punkt zu beachten, u. zw. die Frage, inwieweit die chemische Konstitution des Kraftstoffes während des Gemischbildungsvorganges eine Veränderung erfährt.
Es ist bekannt, dass die Fähigkeit des Kraftstoffmoleküls, Sauerstoff aufzunehmen, von seiner Struktur abhängt (Terres, Zeitschrift Brennstoff Chemie vom 8. Feber 1956, Bd. 37, Heft 3/4, S. 33-64).
Verwendet man in einerBrennkammer einen Kraftstoff, der eine grosse Zerfallsneigung besitzt, dann ist die Vorbereitungszeit des Kraftstoffes bis zu seiner Verbrennung nicht kurz genug, um zu vermeiden, dass unter dem Einfluss der Flammenstrahlung ein molekularer Zerfall auftritt, der dazu führt, dass sich Wasserstoffatome aus dem Molekül loslösen und durch diesen Vorgang allmählich ein reaktionsträges Molekül entstehen lassen, das zu einem unerwünschten Nachbrennen führt. Um dieses Nachbrennen zu vermeiden, wird in denBrennkammern durch Zugabe von Zusatzluft eine erhöhte Turbulenz geschaffen. Diese Zusatzluft ist jedoch in vielen Fällen gar nicht erwünscht, da sie in der Tat eigentlich nicht so sehr durch
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ihren Sauerstoffgehalt wirkt, sondern nur durch die bei dem Vermischungsvorgang hervorgerufene Turbu- lenz.
Da dieser Anteil an Sauerstoff der Luft aber gar nicht zur Verbrennung benötigt wird, denn es war ursprünglich schon genug Sauerstoff vorhanden, setzt diese Zusatzluft nur die Verbrennungstemperatur her- ab und vermindert weiter dadurch die Reaktionsgeschwindigkeit des an sich schon träge gewordenen Kraftstoffes.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wird erfindungsgemäss das vorstehend bereits erwähnte und bekannte
Verfahren der Kraftstoffilmverdampfung verbessert, u. zw. dadurch, dass zur Erzielung eines grossflächi- gen Kraftstoffilmes die Auftragung des flüssigen Kraftstoffes in einem oder mehreren Kraftstoffbändern auf die Innenwandung des Flammrohres erfolgt und eine um die Flammrohrlängsachse kreisende Luftbewegung vorgesehen wird, wobei die Temperatur der Flammrohrwand durch ein die Flammrohrwand in an sich be- kannter Weise umströmendes Medium entsprechend dem jeweiligen Belastungszustand der Brennkammer auf einer Höhe gehalten wird, die für den jeweils verwendeten Kraftstoff als diejenige Temperatur er- mittelt wurde,
bei der die Verdampfungszeit-Wandtemperatur-Kurve ihr nach dem Siedepunktbereich folgendes Minimum aufweist. Es ist hier also keine Düse vorhanden, die den Kraftstoff unmittelbar in die
Luft einspritzt oder ihn nach Durcheilen einer gewissen Wegstrecke beispielsweise teilweise auf einen
Flammenhalter (elektrische Funkenstrecke) auftreffen lässt, sondern es wird hier der Kraftstoff in Form eines dünnen Filmes ohne Zerstäubung auf eine geeignete Wandung der Brennkammer aufgebracht.
Was das zuletzt genannte Merkmal bezüglich derFlammrohrwandtemperatur anlangt, gibt hier wieder der Aufsatz von Tamura und Tanasawa, u. zw. die Verdampfungszeit-Wandtemperatur-Kurve auf Sei- te 131, Fig. 10 im Zusammenhang mit Nr. 4 der Tabelle I auf Seite 137 Aufschluss. Im vorliegenden Fall würden für den Kraftstoff mit derFormel C H der Siedepunkt bei 288 C, ferner das nachfolgende Mini- mum dieser Kurve bei 3270C und das Leidenfrost'sche Phänomen bei 3800C liegen. Demnach käme hier für die Flammrohrwand eine Temperatur im Bereich von 330 C in Frage.
Bevorzugt lässt sich dieses Verfahren benutzen bei zylindrischen oder hohlkörperförmigenrohrförmigen
Brennkammern, wobei die Anlegung des Kraftstoffes an der Innenseite des Hohlkörpers kontinuierlich oder auch diskontinuierlich erfolgt.
Wichtig für das Gelingen der Auftragung ist nun das Zusammenwirken mit der Luftbewegung, die noch dadurch begünstigt wird, dass der Durchmesser der Brennkammer vom Einlass bis zum Auslass leicht konisch abnimmt. Der Kraftstoff wird zur Vermeidung der Zerstäubung mit geringer Geschwindigkeit an der Brenn- raumwandung vorgelagert, während die Verteilung des Kraftstoffes auf der Wandung im wesentlichen durch die Luft erfolgen soll. Dabei hat sich herausgestellt, dass es Vorteile besitzt, der Luft eine kräftige Dre- hung in der hohlkörperförmigen Brennkammer zu geben. Auf diese Art und Weise wird der Kraftstoff je nach der'Anzahl der angewendeten Kraftstoffstrahlen in einem oder mehreren spiraligen Bändern auf der
Wandung ausgebreitet, wobei die Temperatur der Wandung auf die Temperatur der geringsten Verweil- zeit des Kraftstoffes eingestellt wird.
Die Einstellung der Wandtemperatur kann in bekannter Art und Weise erfolgen, indem beispielsweise um die Brennkammer herum Kühlluft oder Zusatzluft geleitet wird, die die Flammrohrwand im Bereich des Kraftstoffilmes auf der gewünschten Temperatur hält. Durch entspre- chende Aufteilung des Luftstromes in Verbrennungsluft und Kühlluft lässt sich die Wandung stets auf die
Temperatur bringen, die dem gerade verwendeten Kraftstoff entspricht. Dies kann so durchgeführt werden, dass koaxial um die Brennkammer mit radialem Abstand ein zweiter Hohlkörper angeordnet ist, und in dem so gebildeten Ringkanal eine durch ein Mengeneinstellorgan geregelte Luftmenge in den zweiten Hohlkörper geführt wird.
Das Mengeneinstellorgan ist am Einlassende der Brennkammer angeordnet ; es kann von Hand aus oder selbsttätig durch einen auf die Temperatur der Brennkammerwand ansprechenden Thermostat, beispielsweise elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch, gesteuert werden. Auf diese Art und Weise gelingt es, eine ausserordentliche Unabhängigkeit des Verbrennungswirkungsgrades von der Art des Kraftstoffes zu erreichen. Grundsätzlich soll hier noch einmal wiederholt werden, dass es wichtig ist, den Kraftstoff wirklich filmartig auf die Wand zu bringen und dass deshalb Düsen, die eine Zerstäubung ergeben und die den Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit austreten lassen, hier nicht zur Verwendung kommen, es sei denn in dem besonderenFalle einer Anlasshilfe.
Hier wird dann zweckmässig, unabhängig von dem für die Filmauftragung vorgesehenen Kraftstoff, durch eine besondere Kraftstoffdüse noch zusätzli - cher luftverteilter Kraftstoff zugeführt, wobei diese Kraftstoffdüse der Zündquelle vorgelagert ist. Wie bereits erwähnt, ist zur Begünstigung der Filmauftragung auf die Brennkammerwand eine kreisende Luftströmung vorgesehen. Diese wird in an sich bekannter Weise durch Anordnung von verstellbaren Leitschaufeln im Lufteinlasskanal erzeugt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an Hand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen Fig. I einen schematischen Längsschnitt durch eine Brennkammer und Fig. 2 einen
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Schnitt durch die Haupt-Einspritzdüse.
Einer im Axi alse lllli tt gezeigten, beispielsweise zwischen einem hier nicht weiter dargestellten Kom- pressor und einer Gasturbinenanlage liegenden zylindrischen Brennkammer 1, die hier runden Querschnitt aufweist und deren Durchmesser vom Einlass bis zum Auslass leicht abnimmt und die Wandung z. B. unter einem Kegelwinkel von 70 verläuft, wird von einem Ende her, hier Einlass 2, Druckluft zugeführt. Diese
Luft durchströmt dann die eigentliche Brennkammer, wobei innerhalb derselben Kraftstoff verbranntwird.
Zu diesem Zweck ist in diesem Ausführungsbeispiel von gegebenenfalls vorhandenen mehreren Düsen eine einzige Einspritzdüse 3 eingezeichnet, aus deren schlitzartiger Düsenmündung ein geschlossener Kraftstoff- strahl 4 ohne freie Strahlweglänge, also unmittelbar auf die Brennraumwand aufgeschoben und dort, wie noch später beschrieben wird, als grössflächiger Film 40 aufgetragen wird. Fig. 2 zeigt den Mündungs- schlitz 30 der Düse 3, der hier quer zur Strömungsrichtung liegt.
Des weiteren ist in der Brennkammer eine hinter der Einspritzdüse liegende elektrische Zündfunken- strecke 5 angeordnet, die beispielsweise aus der Zündeinrichtung 50 gespeist wird. Dieser Zündfunken- strecke ist als Anlasshilfe eine besondere Kraftstoffeinspritzdüse 6 vorgeschaltet, deren weitstreuender
Kraftstoffstrahl 60 direkt in denBereich derZUndfunkenstrecke 5 gerichtet ist. Auf diese Weise kann dann beim Anlassen die Hi1fsdiie 6 eingeschaltet und, sobald die Brennkammer durch die heissen Brenngase ge- nügend erhitzt ist, wieder abgeschaltet werden.
Damit innerhalb der Brennkammer der Effekt einer inten- siven rotierenden, gerichteten Luftströmung 7 erzielt wird, sind am Brennkammereinlass bekannte Einrich- tungen zur Erzeugung einer kreisendenLuftbewegung, beispielsweise verstellbare Leitschaufeln 8 angeord- net, die mittels einer Kurbel 9 und natürlich auch selbsttätig mit an sich bekannten Mitteln, jeweils in die gewünschte Stellung gebracht werden können. Koaxial um die Brennkammer-Aussenwand ist mit ra- dialemAbstand 10 ein zweiter Zylinder 11 angeordnet, wobei ein Teil der Einlassluft durch den so gebil- deten Ringraum 12 geleitet wird, so dass die Brennkammerwand-Temperatur auf einem Niveau gehalten werden kann, das die geringste Verweilzeit des Kraftstoffes auf der Wandung oder mit andern Worten, eine maximale Verdampfungsgeschwindigkeit, ergibt.
Die in den Ringraum 12 abgezweigte Luft wird mengen- mässig gesteuert, so dass dann jeweils ein verschiedener Kühleffekt für die Brennkammerwand erreichtwird.
Zu diesem Zweck ist an der Ringraummündung ein Verstellorgan 13 angeordnet, das durch einen auf die Brennkammerwand-Temperatur ansprechenden Thermostat 14 gesteuert wird. Im Ausführungsbeispiel be- steht dieses Verstellorgan 13 aus einem ortsfesten, mit radialen Schlitzen versehenen Ring 15 und einem daneben liegenden, jedoch um die Brennraumlängsachse drehbaren ebenfalls Radialschlitze aufweisenden zweiten Steuerring 16, der über einen durch den Thermostat 14 gesteuerten Servo-Motor 17 sowie ein zwischengeschaltetes Getriebe 18 und ein Zahnsegment 1B verstellt werden kann.
Als Verstellorgan 13 können aber ebensogut radial verlaufende, drehbar gelagerte Leitschaufeln verwendet werden, deren nach aussen überstehende, als Kurbeln ausgebildete Zapfen in an sich bekannter Weise in Kurvenbahnen eines auf dem äusseren Zylinder 11 drehbeweglich gelagerten Verstellringes geführt sind, wobei dann dieser Verstellring ebenso von Hand aus oder selbsttätig durch den Thermostat 14 betätigt wird.
Im Verlauf der Verbrennung in der Brennkammer nimmt die TemperaturinStrömungsrichtungbe- trächtlich zu. Infolge der heftigen Drehbewegung in der Brennkammer werden die spezifisch leichteren Teile des Gases, also im wesentlichen diejenigen, die infolge der Verbrennung eine grössere Temperatur angenommen haben, nach innen abströmen, während die kühleren Gasmassen durch das Zentrifugalfeld hindurch an die Brennkammerwand befördert werden. Im Verlauf der Verbrennung ist jedoch die gesamte Luftmenge in der Brennkammer zur Verbrennung herangezogen worden und es muss deshalb zur Bauteilkühlung eine Kühlluft beigefügt werden.
Zweckmässigerweise wird diese Kühlluft nicht durch einfache, an der Brennkammerwand angeordnete radiale Bohrungen eingeführt, sondern durch tangentiale, im Sinn der Drehrichtung der Luft in der Brennkammer angeordnete Düsen 20 In der Zuführungsleitung 21. Diese Düsen sind dann geeignet, die Drehbewegung in der Brennkammer 1 mittels eines Steuerorganes 21a je nach den erforderlichenBedürfnissen auf : ec ! : t zu erhalten oder gar zu verstärken, wobei durch die wirbelnde Bewegung insbesondere dafür gesorgt wird, dass die kalte Kühlluft sich wirklich an der Aussenwand der Brennkammer anlegt.
Zeigt sich, dass bei besonders verbrennungsträgen Kraftstoffen eine örtlich erhöhte Turbulenz erforderlich ist, dann lassen sich diese einströmenden Kühlluftstrahlen auch dazu benutzen, die Turbulenz zu erhöhen, indem sie teilweise gegen die Drehrichtung angeordnet sind. Es soll jedoch hier noch einmal erwähnt werden, dass das Ziel dieser Brennkammerausbildung ist, ohne wesentliche Zusatzluftzuführung auszukommen, um die Temperaturen in der Verbrennungszone möglichst hoch zu halten.
Die kräftige, einem Potentialwirbel nahekommende Drehung der Luft in der Brennkammer hat eine Druckverteilung zur Folge. In der Achse der Brennkammer herrschen deshalb sehr geringe Drücke. Es besteht aus diesem Grunde immer die Gefahr, dass eine starke Rezirkulationsströmung am Auslass auftritt.
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Diese Rezirkulationsströmung kann in vorteilhafter Weise dazu benutzt werden, um im Teillastbetrieb günstige Verbrennungserscheinungen herbeizuführen, indem verbrannte Gase bewusst zurückgeführt werden.
Man kann beispielsweise durch die beiden Leitungen 24, mit Drosselklappe 25, und 22, mit Drosselklap- pe 23, den Kern des Wirbels in der Brennkammer dazu benutzen, eine Kreislaufströmung innerhalb der
Brennkammer herbeizuführen, derart, dass beispielsweise durch die Leitung 24 verbrannte Gase eintreten, die durch die Leitung 22 wieder austreten und die Achse der Brennkammer durchströmen. Je nach den sich einstellenden Druckverhältnissen in der Kammer kann die Kreislaufluftströmung auch umgekehrt verlau- fen. Bei voller Beschickung der Kammer wird durch Regelorgane dafür gesorgt, dans der Kreislauf im we- sentlichen Frischluft enthält, so dass eine Rezirkulationsströmung von Abgasen vermieden wird.
Bei Teil- last dagegen wird dieser Rezirkulationskreislauf mit heissen Abgasen beschickt, so dass die Brennkammer-
Gesamttemperatur eine entsprechende Anhebung erfährt.
Der Ablauf des Gemischbildungs- und Verbrennungsvorganges ist nun folgender :
Bei Inbetriebnahme der Anlage wird zunächst das Durchströmen der Verbrennungsluft durch die Brenn- kammer l eingeleitet. Gleichzeitig werden aber auch noch die Zündfunkenstrecke 5 eingeschaltet und die
Hauptdüse 3 sowie die Hilfsdüse 6 geöffnet. Der Brennstoffilm 40 wird dann durch die Hauptdüse 3 unter der Wirkung des Luftwirbels 7 auf die Brennkammerwand aufgeschoben, während an der Zündfunken- strecke 5 durch den weitstreuenden Strahl 60 der Hilfsdüse 6 eine Brennflamme zustandekommt. Sobald die Temperatur in der Brennkammer entsprechend angestiegen ist, verdampft der Kraftstoffilm auf der
Brennkammerwand. Dieser Kraftstoffdampf wird vom Luftwirbel, bis zur Zündquelle 5 geführt, um sich dort zu entzünden.
Die Luftbewegung führt den weiteren Brennstoff jedoch nunmehr ausschliesslich in Dampfform an die sich hinter der Zündquelle bildende Verbrennungszone heran, wodurch die Flamme weiter genährt wird. Da die nunmehr einsetzende schnelle Temperatursteigerungin derBrennkammerund die intensive Strahlung der Flamme die Verdampfung des aufgetragenen Kraftstoffilmes wesentlich beschleunigen, werden zeitlich immer grössere Dampfmengen vom Luftwirbel 7 erfasst, mit diesem vermischt und dem Bereich der Brennzone zugeführt. Die Hilfsdüse 6 kann dann geschlossen werden.
Das der Brennzone bei diesem Ausführungsbeipiel kontinuierlich zugeführte Brennstoffdampf-Luftge misch wird mengenmässig durch die Verdampfungsgeschwindigkeit des Brennstoffilmes 40 gesteuert, die ausserdem von der durch die Leitschaufeln 8 geregelten Luftmenge und damit von der Luftbewegung selbst abhängig ist. Dabei wird die Temperatur der Brennkammerwand derart auf die geringste Verweilzeit des jeweils verwendeten Kraftstoffes eingesteuert, dass bei entsprechender Einstellung des Thermostatesl4von diesem das Luftmengen-Verstellorgan 13 jeweils so eingestellt wird, dass die Brennraumwandung entsprechend gekühlt, d. h. auf der gewünschten Temperatur gehalten wird.
PATENTANSPRÜCHE : 'l. Verbrennungsverfahren für eine Gasturbinen-Brennkammer, mit Kraftstoffverdampfung, wobei flüs- sigerKraftstoff zwecks Bildung eines Flüssigkeitsfilmes und daraus erfolgender Verdampfung auf die Wandung eines kühlbaren und gegebenenfalls heizbarenBrennkammer-Bauteiles unmittelbar aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines grossflächigen Kraftstoffilmes die Auftragung des flüssigen Kraftstoffes in einem oder mehreren Kraftstoffbändern auf die Innenwandung des Flammrohreserfolgt und eine um die Flammrohrlängsachse kreisende Luftbewegung vorgesehen wird,
wobei die Temperatur der Flammrohnwand durch ein die Flammrohrwand in an sich bekannter Weise umströmendes Medium entsprechend dem jeweiligen Belastungszustand der Brennkammer auf einer Höhe gehalten wird, die für den jeweils verwendeten Kraftstoff als diejenige Temperatur ermittelt wurde, bei der die VerdampfungszeitWandtemperatur-Kurve ihr nach dem Siedepunktbereich folgendes Minimum aufweist.