<Desc/Clms Page number 1>
Brennkammer Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer, welche in Gasturbinen für Kraftstationen, in Düsentriebwerken für Flugzeuge und bei Öl- und Gasbrennern verwendet werden kann.
Brennkammern, welche in der Lage sind, pro Volumeneinheit grosse Wärmemengen freizugeben, sind hauptsächlich bei Gasturbinen und bei kleinen Brennern wünschenswert. Die hohen Geschwindigkeiten und Temperaturen, welche über einen grossen Bereich von Arbeitsbedingungen vorherrschen, bringen bezüglieh Stabilität und Vollständigkeit der Verbrennung innerhalb der Brennkammer, bezüglich Kühlung der Brennkammerwände grosse Probleme mit sieh. Wenn nämlich beispielsweise der Verbrennungsvorgang unstabil oder unvollständig ist, besteht die Gefahr des Ei- löschens der Flamme in der Brennkammer.
Die erfindungsgemässe Brennkammer besitzt einen äussern und einen innern einseitig gesehlossenen Mantel, welcher Löcher aufweist, wobei der zwischen dem innern und demn äussern Mantel gebildete Raum als Durchlass für den Durehfluss von Verbrennungsund Kühlluft zum innern Mantel dient und wobei dem innern Mantel Mittel zum Einlass von Brennstoff zugeordnet sind, und kenn- zeiehnet sich dadurch, dass das genannte ge- sehlossene Ende annähernd halblkugelförmig ausgebildet. ist und dass am äussern Umfang desselben Mittel zum Einlass von Primär- und Kühlluft vorgesehen sind, die der gegen das geschlossene Ende hin einströmenden Luft eine Drallbewegung erteilen.
In der Zeichnung sind mehrere beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsge- gemässen Brennkammer dargestellt. Es zeigen: Fig.1 einen Längsschnitt durch eine Brennkammer nach einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Brenn- kammer nach einer zweiten Ausführungsform, Fig. 3 einen Teilschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig.1, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des in Fig.2 gezeigten Ablenkstückes, Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Brenn- kammer nach einer weiteren Ausführungsform, Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine Brenn- kammer gemäss einer vierten Ausführungsform.
Die in Fig.1 und 3 gezeigte Brennkammer, welche allgemein mit 10 bezeichnet ist, kann in Gasturbinen verwendet werden und besitzt zwei koaxiale Wände, und zwar eine innere Wand 11 und eine äussere Wand 12. Die beiden Wände werden durch eine Anzahl nicht dargestellter Verbindungsstücke in koaxialer Lage gehalten. Die Verbindiurgissst.üeke können an einer oder beiden Wänden 11 bzw. 12 angeschweisst sein.
Die Wand 11 bildet einen angenähert zylindrischen Körper 13, der am Auslassende offen ist und an seinem Einlass- ende einen geschlossenen Kopfteil 14 aufweist.
<Desc/Clms Page number 2>
Der Brennstoffeinlass 15 erstreckt sich durch das Zentrum des Kopfteils 14 in der Form einer Zerstäuberdüse, welche den von einer nicht gezeigten Brennstoffpumpe gelieferten Brennstoff fein verteilt. Der Raum zwischen den Wänden 11 und 12 bildet einen Durchlass 16, welchem durch geeignete Mittel (nicht gezeigt) am linken Ende der Brennkammer Luft von gewünschtem Druck zugeführt wird.
Am Kopfteil 14 sind Öffnungen 17 vorgesehen, durch welche Primärluft in den Kopfteil einströmen kann. Die Öffnungen 17 sind auf einer Kreislinie angeordnet und weisen Drallschaufeln 18 auf, wobei dieselben so angeordnet sind, dass sie der einströmenden Luft eine Drallströmung erteilen, in welche der Brennstoff eingespritzt wird. Im Körper 13 ist eine Mehrzahl von Löchern 19 vorgesehen, die reihenweise angeordnet und über dem Umfang desselben verteilt sind. Durch diese Löcher wird dem innerhalb der Wand 11 gelegenen länglichen Raum aus dem Durchlass 16 zusätzliche Verbrennungsluft zugeführt. Im vorliegenden Fall sind die Löcher in vier Längsreihen angeordnet, wobei die Mittelpunkte einander entsprechender Löcher in den Reihen je in einer gemeinsamen senkrecht zur Längsachse der Brennkammer stehenden Ebene liegen.
Die durch die Öffnungen 17 und zwischen den Drallschaufeln 18 einströmende Primärduft, die eine sehr intensive Drallströmung bildet, ist durch die Pfeile 20 bezeichnet. Die Strömungsrichtung der die Drallbewegung ausführenden Primärluft wird, wie durch die Pfeile 21 und 22 angedeutet, unngekehrt. Der durch die Pfeile 21 bezeichnete Teil der Luft dient zur Kühlung des Kopfteils 14. Da der Teilluftstrom 21 in seiner der Wandung des Kopfteils benachbarten Bahn erwärmt wird, steigt die Geschwindigkeit, so dass sich ein Wärmeaustausch mit dieser Wandung ergibt. Infolge des natürlichen Abflusses aus der Drallströmung wirkt der mit 23 bezeichnete Teil der Primärluft als Kühlung für einen Teil des Körpers 13 bzw. der Wand 11.
Der in die Brennkammer bzw. in den durch die Wand 11 umgebenen Raum eingespritzte Brennstoff wird durch die der Drallbewegung unterliegenden Primärluft mitgenommen, wie durch die Pfeile 24 angedeutet, nachdem diese Primärluft ihre Strömungsrichtung geändert hat. Die sich mit dem Brennstoff zuerst mischende Luft wird während ihrem Weg von den Schaufenn weg infolge der Drallströmung vorgewärmt, wobei die genannte Strömungsart eine längere Heizzeit für die Luft ergibt. An der durch die Pfeile 24 angedeuteten Stelle erfolgt die Entzündung des Gemisches durch bekannte, nicht dargestellte Mittel. Infolge der Drallströmung der eintretenden Luft wie auch des Brennstoff-Luft- Gemisches tritt eine vollständige und stabile Verbrennung ein.
Die durch die Schaufeln erzeugte Drallströmung bewirkt, dass sieh im Zentrum des innern Mantels eine Unterdruckzone bildet. Dadurch wird zusätzliche Luft in das Flammenzentrum angesogen, wie durch die Pfeile 25 angedeutet. Die so gebildete Strömung ist für die Stabilität, der Flamme von Bedeutung und dient auch zur Vergrösserung der wirksamen Verbrennungszone. Die zusätzliche Luft, wel- ehe die durch die Pfeile 25 angedeutete Strömung bildet, fliesst durch die erste Umfang & - lochreihe der in der Wand 11 vorgesehenen Löcher 19 ein.. Die Luft. wird bei der Dureh- strömung der Verbrennungsgase, welche teilweise mitgenommen werden, vorgewärmt.
Der Luftstrom 25 ändert darauf seine Richtung gemäss den Pfeilen 2.6, vereinigt sich mit den Gasströmen 24 und fliesst darauf entlang der Innenseite der Wand 11 ab, wie dies durch die Pfeile 28 angedeutet ist, wobei diese vereinigten Ströme zwischen Luftströmen 27 hindurch fliessen.
Weitere Luft für die Verbrennung und die Kühlung der Verbrennungsgase auf eine bestimmte Temperatur wird durch die Löcher 19 in der Wand 11 zugeführt, welche in R.ieh- tung der Pfeile 27 strömt. Die Kühlung der äussern Wand 12 und der Aussenseite der Wand 11 geschieht ebenfalls durch die den Durehl.ass 16 durchströmende Luft.
Im vorliegenden Fall sind die an das Brennstoffeinspritzsistem zu stellenden An-
<Desc/Clms Page number 3>
forderungen nicht so hoch, wie dies sonst meist der Fall ist, da die Drallströmung die Zerstäubung des eingespritzten Brennstoffes und dessen Mischung mit der Luft unterstützt und die beiden Mischungsteile während der maximal möglichen Zeitdauer miteinander in Kontakt hält. In Fig. 2 ist eine Brennkammer dargestellt, welche mehrere Brennstoffeinspritzdüsen aufweist. Im übrigen ist die Konstruktion und Funktionsweise der Ausführungsform gemäss Fig. 2 ähnlich wie diejenige nach Fig.1.
Im Zusammenhang mit der ersten Ringreihe von Löchern 19 in der Wand 11 sind bei der Ausführungsform der Brennkammer gemäss Fig. 2 zwei zusätzliche Brenns toffein- spritzdüsen 15' vorgesehen, durch welche Brennstoff in den geschlossenen Endteil der Brennkammer eingespritzt werden kann. Die beiden zusätzlichen Brennstoffeinspritzdüsen sind einander diametral entgegengesetzt angeordnet.
Es ist dadurch möglich, eine sehr grosse Menge von Brennstoff zuzuführen, welcher die primäre Verbrennungsflamme nicht aus- löscht. Zudem erlaubt diese Anordnung die Verdampfung und Überführung des Brennstoffes in den gasförmigen Zustand und da- mnit eine sehr intensive Verbrennung. Ein Ab- lenkstüek 29 (siehe Fig. 4) ist an den beiden die Brenustoffeinspritzdüsen aufweisenden Löcher 19 des ersten Lochringes vorgesehen. hin Teil der durch den Durchlass 16 strömenden Luft wird durch die Ablenkbleche 29 umgelenkt und tritt dureh die Öffnungen 19 in der Wand 11, an welchen die Einspritzdüsen vorgesehen sind, in die Brennkammer ein.
Der zerstäubte Brennstoff 40' wird zurammen mit der durch diese Öffnungen 19 eintretenden Luft eingespritzt. Die Brenn- stoff-Luft-llischung, die durch die Pfeile 30 angedeutet ist, tritt in den hohlen Kern der Drallströmung ein, wodurch die Temperatur der Mischung stark erhöht wird. Die Brennstoff-Luft-Mischung ändert ihre Strömungsrichtung im Sinne der Pfeile 31 und fliesst zusammen mit der durch die Pfeile 24 angedeuteten Mischung entlang der Innenseite der Wand 11 zurück, wie dies durch die Pfeile 32 dargestellt ist. Die Brennstoffmenge, welche dem geschlossenen Endteil bzw. dem Kopfteil 14 der Kammer zugeführt wird, kann konstant sein, wobei nur die durch die Düsen 15 zugeführte Menge variiert wird.
Dies hat den Vorteil, dass keine komplizierte Brennstoffdüse benötigt wird, die mehr als eine Gruppe Brennstofföffnungen aufweist (Duplex).
Die Schwierigkeit bei Zerstäuberdüsen, eine wirkungsvolle Zerstäubung des Brennstoffes nur zu erhalten, wenn der Druckabfall innerhalb enger Grenzen variiert, kann dadurch umgangen werden, dass mit der Verringerung des Brennstoffverbrauches eine Düse nach der andern blockiert wird. Die Zerstäubung des aus den im Betrieb verbleibenden Düsen ausströmenden Brennstoffes wird demzufolge nicht beeinträchtigt.
Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist im übrigen gleich wie die derjenigen gemäss Fig.1.
In der Brennkammer gemäss Fig.2 wird die im geschlossenen Kopfteil freiwerdende Wärme zur Aufheizung und Verdampfung des Hauptteils der Verbrennungsluft bzw. des Brennstoffes verwendet. Im Unterschied zu den meisten Brennkammern dieses Typs wird hierbei keine heisse Metallplatte ad-er ein Wärrneaustauscher verwendet.
Durch geeignete Einspritzung und Mischung von Brennstoff und Luft werden vielmehr Bedingungen geschaffen, die erlauben, mittels der heissen Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungszone im Kopfteil 14 den grössere Teil des durch die Löcher 19 im ersten Lochring eintretenden Brennstoffes zu- verdampfen und in den gasförmigen Zustand überzuführen. Der restliche Teil der Verbrennungs- und Kühlluft wird durch die verbleibenden Löcher 19 in bekannter Weise eingeführt, - um eine bestimmte Temperatur zu erzeugen.
In Fig. 5 und 6 sind weitere Ausführungs- formen der Brennkammer dargestellt., welche derjenigen gemäss Fig. 2 ähnlich sind.
In Fig. 5 besitzt. der Kopfteil 14 in dessen Zentrum einen Hilfsbrenner 41, welcher eine
<Desc/Clms Page number 4>
Flammne 42 bildet. Der Hilfsbrenner 41 verhindert das Erlöschen der Flamme in der Brennkammer. Diese Brennkammer kann somit über einen grossen Bereich bezüglich Druck und zugeführter Brennstoffmenge verwendet werden. Die Einführung von Luft 30 und Brennstoff 40' geschieht in der gleichen Weise wie in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig.2 beschrieben. Dia Primärluft wird durch die Öffnungen 17 und zwischen den Schaufeln 18 hindurch in den Kopfteil 14 geleitet, wobei in diesem eine Drallhströmung 20 von hoher Geschwindigkeit erzeugt wird.
Die Strömung wird im Kopfteil umgelenkt, wie durch die Pfeile 21, 22 und 23 angedeutet. Der durch den Pfeil 21 angedeutete Teil der Luft dient zur Kühlung der Wand des Kopfteils. Die Kühlung der Innenseite der Wand 11 geschieht durch den mit 23 bezeichneten Teil der Luft. Der durch die erste Lochreihe einströmende Teil der Primärluft wird umgelenkt, wie dies durch die Pfeile 31 angedeutet ist und vereinigt sich darauf mit dem Strom 33, um d arauf entlang der Wand 11 als Strom 34 abzufliessen. Durch den Hilfsbrenner wird der in der Mischung enthaltene Brennstoffüberschuss verbrannt. Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform der Brennkammer ist der Kopfteil 14 vollkommen geschlossen, d. h. derselbe enthält weder eine Brennstoffeinspritzdüse noch einen Hilfsbrenner.
Die Einführung der Brennstoff-Luft-Mischung geschieht hier ausschliesslich durch die erste Lochreihe in der Wand 11. Durch die Öffnungen 17 und zwischen den Schaufeln 18 hindurch wird Luft in den Kopfteil 14 geleitet, wobei in diesem eine Drallströmung 20 von hoher Geschwindigkeit erzeugt wird. Die Drallströmung wird im Kopfteil 14 umgelenkt, wie durch die Pfeile 35 und 36 angedeutet, wobei diese beiden Teilströme die Innenwand des Kopfteils 14 kühlen. Der durch den Pfeil 23 angedeutete Teil der Luft dient zur Kühlung der Innenseite der Wand 11. Ein Teil der Brennstoff- Luft-Mischung wird gemäss den Pfeilen 31 ebenfalls umgelenkt und vereinigt sich darauf mnit dem Strom 37, um darauf entlang der Wand 11 als Strom 38 abzufliessen.
Bei allen Ausführungsformen kann bei spielsweise eine Zündkerze zur Entzündung der Mischung verwendet werden.
<Desc / Clms Page number 1>
Combustion Chamber The present invention relates to a combustion chamber which can be used in gas turbines for power stations, in jet engines for aircraft and in oil and gas burners.
Combustion chambers which are able to release large amounts of heat per unit volume are mainly desirable in gas turbines and small burners. The high speeds and temperatures, which prevail over a wide range of working conditions, cause major problems with regard to the stability and completeness of the combustion within the combustion chamber and with regard to cooling the combustion chamber walls. If, for example, the combustion process is unstable or incomplete, there is a risk of the flame in the combustion chamber being extinguished.
The combustion chamber according to the invention has an outer and an inner jacket which is closed on one side and which has holes, the space formed between the inner and outer jacket serving as a passage for the flow of combustion and cooling air to the inner jacket and the inner jacket having means for admitting fuel are assigned, and is characterized in that the said closed end is approximately hemispherical. and that on the outer circumference of the same means are provided for the inlet of primary and cooling air, which impart a swirling movement to the air flowing in towards the closed end.
Several exemplary embodiments of the combustion chamber according to the invention are shown in the drawing. 1 shows a longitudinal section through a combustion chamber according to a first embodiment, FIG. 2 shows a longitudinal section through a combustion chamber according to a second embodiment, FIG. 3 shows a partial section along the line 3-3 in FIG. 1, FIG a perspective view of the deflector shown in FIG. 2, FIG. 5 a longitudinal section through a combustion chamber according to a further embodiment, FIG. 6 a longitudinal section through a combustion chamber according to a fourth embodiment.
The combustion chamber shown in Figures 1 and 3, which is generally designated 10, can be used in gas turbines and has two coaxial walls, namely an inner wall 11 and an outer wall 12. The two walls are connected by a number of connecting pieces, not shown held in a coaxial position. The connecting pieces can be welded to one or both walls 11 and 12, respectively.
The wall 11 forms an approximately cylindrical body 13 which is open at the outlet end and has a closed head part 14 at its inlet end.
<Desc / Clms Page number 2>
The fuel inlet 15 extends through the center of the head part 14 in the form of an atomizing nozzle, which finely distributes the fuel supplied by a fuel pump, not shown. The space between the walls 11 and 12 forms a passage 16 to which air of the desired pressure is supplied by suitable means (not shown) at the left end of the combustion chamber.
On the head part 14 openings 17 are provided through which primary air can flow into the head part. The openings 17 are arranged on a circular line and have swirl vanes 18, the same being arranged so that they impart a swirl flow to the inflowing air into which the fuel is injected. In the body 13 a plurality of holes 19 are provided, which are arranged in rows and distributed over the circumference thereof. Through these holes, additional combustion air is supplied from the passage 16 to the elongated space located inside the wall 11. In the present case, the holes are arranged in four longitudinal rows, the centers of corresponding holes in the rows each lying in a common plane perpendicular to the longitudinal axis of the combustion chamber.
The primary scent flowing in through the openings 17 and between the swirl blades 18, which forms a very intense swirl flow, is indicated by the arrows 20. The direction of flow of the primary air executing the swirling movement is reversed, as indicated by arrows 21 and 22. The part of the air denoted by the arrows 21 serves to cool the head part 14. Since the partial air flow 21 is heated in its path adjacent to the wall of the head part, the speed increases, so that there is a heat exchange with this wall. As a result of the natural outflow from the swirl flow, the part of the primary air labeled 23 acts as cooling for part of the body 13 or the wall 11.
The fuel injected into the combustion chamber or into the space surrounded by the wall 11 is entrained by the primary air which is subject to the swirl movement, as indicated by the arrows 24 after this primary air has changed its flow direction. The air that first mixes with the fuel is preheated on its way away from the blades as a result of the swirl flow, the type of flow mentioned resulting in a longer heating time for the air. At the point indicated by the arrows 24, the mixture is ignited by known means, not shown. As a result of the swirling flow of the incoming air and of the fuel-air mixture, complete and stable combustion occurs.
The swirl flow generated by the blades causes a negative pressure zone to be formed in the center of the inner jacket. As a result, additional air is sucked into the center of the flame, as indicated by the arrows 25. The flow formed in this way is important for the stability of the flame and also serves to enlarge the effective combustion zone. The additional air, which forms the flow indicated by the arrows 25, flows in through the first circumference and row of holes of the holes 19 provided in the wall 11. The air. is preheated in the flow of combustion gases, some of which are carried along.
The air flow 25 then changes its direction according to the arrows 2.6, combines with the gas flows 24 and then flows away along the inside of the wall 11, as indicated by the arrows 28, these combined flows flowing between air flows 27.
Further air for the combustion and the cooling of the combustion gases to a certain temperature is supplied through the holes 19 in the wall 11, which flows in the direction of the arrows 27. The outer wall 12 and the outer side of the wall 11 are also cooled by the air flowing through the passage 16.
In the present case, the connections to be made to the fuel injection system are
<Desc / Clms Page number 3>
Requirements are not as high as is usually the case, as the swirl flow supports the atomization of the injected fuel and its mixing with the air and keeps the two parts of the mixture in contact with one another for the maximum possible time. In Fig. 2 a combustion chamber is shown which has several fuel injection nozzles. Otherwise, the construction and functioning of the embodiment according to FIG. 2 is similar to that according to FIG.
In connection with the first ring row of holes 19 in the wall 11, two additional fuel injection nozzles 15 'are provided in the embodiment of the combustion chamber according to FIG. 2, through which fuel can be injected into the closed end part of the combustion chamber. The two additional fuel injection nozzles are arranged diametrically opposite one another.
This makes it possible to supply a very large amount of fuel which does not extinguish the primary combustion flame. In addition, this arrangement allows the fuel to be vaporized and converted into the gaseous state, and thus very intensive combustion. A deflection piece 29 (see FIG. 4) is provided at the two holes 19 of the first ring of holes, which holes 19 have the fuel injection nozzles. Part of the air flowing through the passage 16 is deflected by the baffles 29 and enters the combustion chamber through the openings 19 in the wall 11 on which the injection nozzles are provided.
The atomized fuel 40 'is injected together with the air entering through these openings 19. The fuel-air mixture, which is indicated by the arrows 30, enters the hollow core of the swirl flow, as a result of which the temperature of the mixture is greatly increased. The fuel-air mixture changes its flow direction in the direction of the arrows 31 and flows back along the inside of the wall 11 together with the mixture indicated by the arrows 24, as is shown by the arrows 32. The amount of fuel which is supplied to the closed end part or the head part 14 of the chamber can be constant, only the amount supplied through the nozzles 15 being varied.
This has the advantage that no complicated fuel nozzle is required that has more than one group of fuel openings (duplex).
The difficulty with atomizer nozzles to obtain effective atomization of the fuel only when the pressure drop varies within narrow limits can be circumvented by blocking one nozzle after the other with the reduction in fuel consumption. The atomization of the fuel flowing out of the nozzles remaining in operation is consequently not impaired.
The mode of operation of this embodiment is otherwise the same as that according to FIG.
In the combustion chamber according to FIG. 2, the heat released in the closed head part is used for heating and evaporation of the main part of the combustion air or the fuel. In contrast to most combustion chambers of this type, no hot metal plate is used here, but a heat exchanger.
Rather, suitable injection and mixing of fuel and air create conditions that allow the greater part of the fuel entering through holes 19 in the first ring of holes to evaporate and convert it into the gaseous state by means of the hot combustion products from the combustion zone in head part 14. The remaining part of the combustion and cooling air is introduced through the remaining holes 19 in a known manner - in order to generate a certain temperature.
In FIGS. 5 and 6, further embodiments of the combustion chamber are shown, which are similar to that according to FIG.
In Fig. 5 has. the head part 14 in its center an auxiliary burner 41, which a
<Desc / Clms Page number 4>
Flammne 42 forms. The auxiliary burner 41 prevents the flame in the combustion chamber from going out. This combustion chamber can thus be used over a large area with regard to pressure and the amount of fuel supplied. The introduction of air 30 and fuel 40 'takes place in the same way as described in connection with the exemplary embodiment according to FIG. The primary air is passed through the openings 17 and between the blades 18 into the head part 14, in which a swirl flow 20 of high speed is generated.
The flow is deflected in the head part, as indicated by arrows 21, 22 and 23. The part of the air indicated by the arrow 21 serves to cool the wall of the head part. The inside of the wall 11 is cooled by the part of the air labeled 23. The part of the primary air flowing in through the first row of holes is deflected, as indicated by the arrows 31, and then merges with the flow 33 in order to flow off along the wall 11 as flow 34. The excess fuel contained in the mixture is burned by the auxiliary burner. In the embodiment of the combustion chamber shown in FIG. 6, the head part 14 is completely closed, i. H. it contains neither a fuel injector nor an auxiliary burner.
The fuel-air mixture is introduced here exclusively through the first row of holes in the wall 11. Air is passed through the openings 17 and between the blades 18 into the head part 14, a swirl flow 20 being generated in this at high speed. The swirl flow is deflected in the head part 14, as indicated by the arrows 35 and 36, these two partial flows cooling the inner wall of the head part 14. The part of the air indicated by the arrow 23 serves to cool the inside of the wall 11. A part of the fuel-air mixture is also deflected according to the arrows 31 and then merges with the flow 37 to then form a flow along the wall 11 38 to drain.
In all embodiments, for example, a spark plug can be used to ignite the mixture.