Verbrennungseinrichtung. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. eine Verbrennungseinrichtung zur Ver brennung von pulverisiertem Brennstoff, die eine Brennkammer mit kreisförmigem Quer schnitt aufweist, welche einen axialen Auslass für die Verbrennungsgase besitzt sowie Mittel, um der in diese Brennkammer einströmenden Luft eine Wirbelbewegung um die Brenn- kammeraxe zu geben. Eine solche Verbren nungseinrichtung wurde in der schweizeri schen Patentschrift Nr. 274978 näher beschrie ben.
Die Erfindung ist in jenen Fällen an wendbar, in welchen die Verbrennung in einem rasch strömenden Fluidum (im folgen den mit Luft bezeichnet.) aufrechterhalten werden soll, wobei die Erfindung die Verwen dung von festem, pulverisiertem Brennstoff vorsieht. --Mit der Bezeichnung rasch strö mend für den die Verbrennung unterhalten den Luftstrom ist gemeint, dass die Geschwin digkeit des axial durch eine Initial-Brennzone strömenden Luftstromes, berechnet aus dem pro Zeiteinheit durch den Querschnitt des Strömungsweges strömenden Volumens, ge nügend gross ist in bezug auf die Ausbrei- tungsgeschwindigkeit der Flamme im Brenn stoff-Luft-Gemisch, um flammenlöschend wir ken zu können.
Für in Luft. verbrennende Kohlenwasserstoff-Brennstoffe hat die Flam- menausbreitungs-Geschwindigkeit die Grössen ordnung 0,3 m/sec bei Atmosphärentempera tur. Die Erfindung ist anderseits besonders auf Verbrennungseinrichtungen von Verbren- nungsgasturbinen und/oder Strahltriebwerken anwendbar, bei welchen die axiale Strömungs geschwindigkeit der durch eine Verbrennungs zone strömenden Luft, die wie erwähnt berech net wird, 3 bis 90 misec betragen kann oder noch mehr, je nach den Abmessungen der Anlage.
Erfindungsgemäss ist die Verbrennungs einrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer einen dem Durchfluss von Kühlluft dienenden Kühlmantel aufweist, dessen Auslass über eine Leitung mit einer pneumatischen Brennstoff-Fördervorrichtung, mittels welcher der Brennstoff in den Einlass der Brennkammer gefördert wird, verbinden ist, wobei die verbrauchte Kühlluft zur För derung von zur Verbrennung bestimmten, pulverisierten Brennstoffpartikeln dient.
An Hand der beiliegenden Zeichnung soll der Erfindungsgegenstand beispielsweise näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch eine Einrichtung gemäss der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 11-II in Fig. 1 und Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 1.
Gemäss der Zeichnung ist. eine durch In nenwände 2, 3 gebildete Brennkammer 1 mit kreisförmigem Querschnitt vorgesehen, die nach aussen eine konkave Form aufweist, wobei die Innenwand 2 von einer Aussenwand 4 umgeben ist zwecks Bildung eines Mantels bzw. Ringkanals 5, welchem über eine Einlass- leitung 6 aus der Atmosphäre, z. B. mittels eines Kompressors, Kühlluft zugeführt werden kann, und zwar tangential und am Umfang des Ringkanals 5.
Beim Betrieb strömt die Luft mit. radial nach innen gerichteter Wir- belbewegLing durch den Ringkanal 5 und ver- lässt diesen durch eine Auslassöffni-mg 7 'und gelangt über eine räumlich gekrümmte Lei tung 8 in eine Leitung 9 in der durch ge strichelte Pfeile angegebenen Richtung.
Während die Luft durch den Ringkanal 5 strömt, nimmt sie von der Wand 2 Wärme auf, wobei dieser Wärmeübergang durch ge eignete Mittel erhöht werden kann, z. B. durch Rippen an der Aussenfläche der Innen wand 2. Geeignete (nicht gezeichnete) Leit- schaufeln können ebenfalls im Innern des Ringkanals 5 vorgesehen sein, um die ver langte, spiralförmige, radial einwärtsgerich- tete Strömung zu erreichen.
Infolge des abnehmenden Strömungsquer schnittes der Kühlluft auf ihrem Strömungs weg gegen den Auslass 7 hin sinkt ihr Druck und steigt ihre Geschwindigkeit unter bzw. über den entsprechenden Wert am Einlass 6.
Die Leitung 9 besitzt einen kontinuierlich abnehmenden Querschnitt und mündet an ihrer engsten Stelle 10 in ein Rohr 12 mit erweiterter Einlassöffnimg 11, wobei der Querschnitt des an einen Krümmer anschlie ssenden Teils des Rohres 12 kontinuierlich zu nimmt. Die Durchmesser des Auslasses 10 und des Einlasses 11 sind derart, dass der statische Druck in dieser Zone gerade unter dem Atmosphärendruck liegt und demzufolge hier nur eine kleine Luftmenge aus der Atmo sphäre angesogen wird. Diese Lift strömt durch eine Zufuhranlage 15 für pulverisier ten Brennstoff, der z.
B. mittels einer archi medischen Schraube 16 gefördert werden kann, wobei die genannte Luft solchen pulve risierten Brennstoff in die Leitung 12 mit reisst. Die Leitungen 9 und 1.2 bilden also eine pneumatische Brennstoff-Fördervorrieh- tung.
Der Luft-Brennstoff-Strom gelangt an schliessend durch die Leitung 12, wie dies durch die voll ausgezogenen Pfeile angedeutet ist, in eine Einlassspirale 13, die in einen Ringkanal 11 mündet, der zwischen der In nenwand 3 der Brennkammer 1 und einer Aussenwand 17 gebildet ist.. Der aus der Spi rale 13 tangential in den Kanal 14 eintretende Luft-Brenlistoff-Strom bewegt sieh radial aus wärts durch den Ringkanal 14, wobei er durch den Wärmeübergang von der Wand 3 er wärmt wird, bis er eine ringförmige Öffnung 18 erreicht, durch welche er zur Verbrennung in die Brennkammer 1 strömt.
Während des Strömens gegen die Öffnun- 18 hin bewegt sieh der Luft-Brennstoff-Strom in Form einer Spirale mit zunehmendem Querschnitt, ähnlich wie in einem Diffusor. Die Anordnung ist dabei zweckmässig derart, dass der Druck dieses Stromes beim Erreichen der Öffnung 18 nur wenig über dem in der Kammer 1 herrschenden Druck liegt. Zufolge des Wärmeüberganges von der Innenwand 3 erhöht sieh die Temperatur dieses Luftstro mes, wobei dieser Wärmeübergang durch An ordnung von Rippen an der Wand 3 erhöht werden kann.
Wie dies in der vorangehend erwähnten Patentschrift beschrieben ist, strömt die Luft und der Brennstoff während der Verbren nung in der Brennkammer 1 in einer Wirbel strömung um die Axe der Kammer 1, wobei die Brennstoffpartikel einen Weg von kon tinuierlich abnehmendem Radius zuriieklegen, weil diese Partikel im Verlauf ihrer Verbren nung zunehmend an Grösse verlieren; die Ver brennungsgase verlassen zusammen mit even tuell nicht verbrannten Brennstoffpartikeln die Kammer 1 durch die axiale Auslassöff- nung 23.
Wie dies ebenfalls in dieser Patentschrift beschrieben ist, sind die Geschwindigkeiten und Wege der Partikel in der Brennkammer 1 weitgehend durch die Form der Begren zungswände bestimmt., da die Radialkompo- nente der Gasgeschwindigkeit in jedem ein zelnen Radialabstand von der Aae des Wir bels von dem der Radialströmung an dieser Stelle zur Verfügung stehenden Querschnitt abhängt. Durch entsprechende Ausbildung der Wandung der Brennkammer und durch Wahl der entsprechenden Betriebsbedingun gen kann jede beliebige Bewegung der Brenn stoffpartikel erreicht werden.
Gemäss der Zeichnung besitzt die Brenn- kammer 1 Begrenzungswände solcher Ausbil- clung, dass der Abstand zwischen einem Punkt der einen Wand und dem entsprechenden Punkt auf der gegenüberliegenden Wand in Aelisriehtung gemessen sich vom Umfang bis zum Auslass stetig ändert, mit der Änderung des Radialabstandes dieser Punkte von der genannten Axe und mit kleiner werdendem Radius zunimmt.
Die Wände sind zweckmässig konkav von aussen gesehen.
Im Innern des Ringkanals 1.1 können Mittel vorgesehen sein, um einen Teil der Luft des Luft-Brennstoff-Stromes vor dessen Eintritt in die Brennkammer 1. abzuzapfen. Diese Mittel können z. B. eine Stauplatte 19 aufweisen, die im Peripheriebereieh des Kanals 14 angeordnet ist.
Zufolge ihrer Träg heit versuchen die grösseren Brennstoffparti kel ihren We;, radial auswärts durch den Kanal 1,4 in die Brennkammer 1 fortzusetzen, während ein Teil der Luft, der kleinere Brennstoffpartikel enthält, um die Stauplatte 19 abgelenkt wird und durch die Öffnung 20 in eine Ringkammer 21. gelangt, wobei diese Luft. mit der Primärluft zum Zwecke der Vorwärninng gemischt werden kann.
Diese 1'riinäi@lnft tritt durch eine Öffnung 22 tan- gential in die Brennkammer 1 ein, um die ge wünschte Wirbelbewegung um die Axe der Kammer 1 zii erzeugen.
Die in Fig. 2 gezeigte Leitring zur Zufüh rung der Primärluft zur Einlassöffnung 22 kann mit Mitteln zur Zündung des Brenn stoffes versehen sein, z. B. zur Erzeugung einer Zündflamme mit flüssigem Brennstoff, wobei die Zufuhr dieses Brennstoffes abge stellt werden kann, wenn der feste Brennstoff entzündet ist.
Es ist zit bemerken, dass bei der Anwendung einer solchen Verbrennungsein- richtung in einer CTastiirbinenanlage der den Einlassöffnungen 6 und 22 zuzuführende Luftstrom vom Auslass eines Kompressors kommt..
Das beschriebene Beispiel lässt weiter er kennen, dass sieh eine Einrichtung der be schriebenen Art auch in solchen Kraftanlagen anwenden lässt, bei welchen nicht nur die Auf rechterhaltung einer stabilen Verbrennung in rasch strömender Luft verlangt wird, sondern auch bei hohen Luft-Brennstoff-Verhältnissen.
Incinerator. The subject of the present invention is. a combustion device for combustion of pulverized fuel, which has a combustion chamber with a circular cross-section, which has an axial outlet for the combustion gases and means to give the air flowing into this combustion chamber a swirling movement around the combustion chamber axis. Such a combustion device was described in more detail in Swiss patent specification No. 274978.
The invention is applicable in those cases in which the combustion in a rapidly flowing fluid (hereinafter referred to as air.) Is to be maintained, the invention providing the use of solid, pulverized fuel. --With the term rapidly flowing for the air flow that maintains the combustion, it is meant that the speed of the air flow flowing axially through an initial combustion zone, calculated from the volume flowing through the cross section of the flow path per unit of time, is sufficiently high in with reference to the propagation speed of the flame in the fuel-air mixture in order to be able to act as a flame-extinguishing agent.
For in air. For burning hydrocarbon fuels, the flame propagation speed is in the order of magnitude of 0.3 m / sec at atmospheric temperature. On the other hand, the invention is particularly applicable to combustion devices of combustion gas turbines and / or jet engines, in which the axial flow speed of the air flowing through a combustion zone, which is calculated as mentioned, can be 3 to 90 misec or even more, depending on the dimensions of the system.
According to the invention, the combustion device is characterized in that the combustion chamber has a cooling jacket serving for the flow of cooling air, the outlet of which is connected via a line to a pneumatic fuel conveying device by means of which the fuel is conveyed into the inlet of the combustion chamber, the consumed Cooling air is used to convey pulverized fuel particles intended for combustion.
The subject matter of the invention is to be explained in more detail, for example, with the aid of the accompanying drawing.
1 shows an axial section through a device according to the invention, FIG. 2 shows a section along line 11-II in FIG. 1, and FIG. 3 shows a section along line III-III in FIG. 1.
According to the drawing is. a combustion chamber 1 formed by inner walls 2, 3 with a circular cross-section is provided, which has a concave shape on the outside, the inner wall 2 being surrounded by an outer wall 4 for the purpose of forming a jacket or annular channel 5, which via an inlet line 6 from the atmosphere, e.g. B. by means of a compressor, cooling air can be supplied, tangentially and on the circumference of the annular channel 5.
The air flows with it during operation. Radially inwardly directed vortex movement through the annular channel 5 and leaves this through an outlet opening 7 'and arrives via a spatially curved line 8 into a line 9 in the direction indicated by dashed arrows.
While the air flows through the annular channel 5, it absorbs heat from the wall 2, this heat transfer can be increased by suitable means GE, eg. B. by ribs on the outer surface of the inner wall 2. Suitable (not shown) guide vanes can also be provided in the interior of the annular channel 5 in order to achieve the required, spiral, radially inward flow.
As a result of the decreasing flow cross section of the cooling air on its flow away towards the outlet 7, its pressure drops and its speed increases below or above the corresponding value at the inlet 6.
The line 9 has a continuously decreasing cross section and opens at its narrowest point 10 into a tube 12 with an enlarged inlet opening 11, the cross section of the part of the tube 12 connected to a bend increasing continuously. The diameter of the outlet 10 and the inlet 11 are such that the static pressure in this zone is just below atmospheric pressure and consequently only a small amount of air is sucked in from the atmosphere. This lift flows through a feed system 15 for pulverized th fuel, the z.
B. can be promoted by means of an Archi medical screw 16, said air such pulverized fuel in the line 12 with tears. The lines 9 and 1.2 thus form a pneumatic fuel delivery device.
The air-fuel stream then passes through the line 12, as indicated by the solid arrows, into an inlet spiral 13 which opens into an annular channel 11 formed between the inner wall 3 of the combustion chamber 1 and an outer wall 17 is .. The air-Brenlistoff flow entering the channel 14 tangentially from the spiral 13 moves radially outward through the annular channel 14, where it is warmed by the heat transfer from the wall 3 until it reaches an annular opening 18 through which it flows into the combustion chamber 1 for combustion.
During the flow towards the opening 18, the air-fuel flow moves in the form of a spiral with an increasing cross-section, similar to a diffuser. The arrangement is expedient in such a way that the pressure of this flow when it reaches the opening 18 is only slightly above the pressure prevailing in the chamber 1. As a result of the heat transfer from the inner wall 3, the temperature of this Luftstro increases, and this heat transfer can be increased by arranging ribs on the wall 3.
As described in the aforementioned patent, the air and fuel flows during the combustion in the combustion chamber 1 in a vortex flow around the axis of the chamber 1, the fuel particles covering a path of continuously decreasing radius, because these particles increasingly lose size in the course of their burn; the combustion gases leave the chamber 1 through the axial outlet opening 23 together with any uncombusted fuel particles.
As is also described in this patent specification, the speeds and paths of the particles in the combustion chamber 1 are largely determined by the shape of the boundary walls, since the radial component of the gas speed in each individual radial distance from the Aae of the vortex from the the cross section available at this point depends on the radial flow. Any movement of the fuel particles can be achieved by appropriately designing the wall of the combustion chamber and by selecting the appropriate operating conditions.
According to the drawing, the combustion chamber 1 has boundary walls such that the distance between a point on one wall and the corresponding point on the opposite wall changes continuously measured from the circumference to the outlet, with the change in the radial distance thereof Points from said axis and increases with decreasing radius.
The walls are expediently concave from the outside.
Means can be provided in the interior of the annular channel 1.1 in order to draw off part of the air of the air-fuel flow before it enters the combustion chamber 1. These funds can e.g. B. have a baffle 19 which is arranged in the peripheral region of the channel 14.
As a result of their inertia, the larger fuel particles try their We ;, continue radially outward through the channel 1, 4 into the combustion chamber 1, while part of the air containing the smaller fuel particles is deflected around the baffle 19 and through the opening 20 in an annular chamber 21 arrives, this air. can be mixed with the primary air for the purpose of preheating.
This 1'riinäi @inft enters the combustion chamber 1 tangentially through an opening 22 in order to generate the desired vortex movement about the axis of the chamber 1zii.
The guide ring shown in Fig. 2 for Zufüh tion of the primary air to the inlet port 22 can be provided with means for igniting the fuel, for. B. to generate a pilot flame with liquid fuel, the supply of this fuel can be abge when the solid fuel is ignited.
It should be noted that when such a combustion device is used in a gas turbine system, the air flow to be supplied to the inlet openings 6 and 22 comes from the outlet of a compressor.
The example described further reveals that a device of the type described can also be used in such power plants in which not only the maintenance of stable combustion in fast-flowing air is required, but also at high air-fuel ratios.