Brennkammer, insbesondere für magnetogasdynamische Maschinen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenn kammer, insbesondere für magnetogasdynamische Maschinen.
Bei der Gestaltung der Wände von Feuerräumen werden entsprechend deren Verwendungszweck und Temperaturbereich sowohl metallische als auch ke ramische Werkstoffe verwendet.
Eine metallische Wand wird dann gewählt, wenn entweder Wärme der Flamme direkt entzogen wer den soll (Kessel) oder hohe Wärmeverluste an die Wand nicht nachteilig sind (Gasturbinen).
Muss dagegen die Flamme vor allzu hohen Strah lungsverlusten geschützt werden oder ist eine hin reichende Kühlung der Wand nicht erwünscht oder kann nicht gewährleistet werden, so kann vorteil- hafterweise eine keramische Wand Verwendung fin den.
Bei sehr hohen Temperaturen und relativ hohen Emissionskoeffizienten der Flamme wird an eine gekühlte, metallische Wand ein sehr grosser Anteil der entwickelten Wärme abgegeben. Die Verbren nung erfolgt dann nicht adiabatisch, und die Flam mentemperatur bleibt wesentlich unter dem theore tisch erreichbaren stöchiometrischen Maximum.
Bei hohen Temperaturen, wie ,sie mit stöchio- metrischen Gemischen erreicht werden können, be steht die Gefahr, dass sehr gut isolierende, keramische Wände an der flammenseitigen Oberfläche schmelzen. Dieses Schmelzen kann so weit fortschreiten, dass es die Festigkeit der Wände gefährdet.
Bei Zyklonbrennern für Kohlenstaubfeuerungen kann eine Kombination von wassergekühlter Wand mit keramischem Überzug angewendet werden. Da bei klebt die geschmolzene Asche an den Kühkohren und schützt sie damit vor schädigender Feuerwirkung. Der Nachteil dieser Ausführung liegt darin, dass praktisch nur Kohlenstaub verbrannt werden kann, da das Heizöl zu wenig und zudem ungeeignete Schlacke erzeugt.
Für das Erreichen höchster Temperaturen, wie sie in m.agnetogasdynamischen Maschinen notwendig sind, ist es wichtig, dass die Wärmeverluste der Flamme an die Brennkammerwand möglichst niedrig gehalten werden, da sonst, trotz Rekuperationsmög- lichkeiten, die gewünschte Flammentemperatur nicht erreicht wird. Der Sprung zwischen Flammentempe ratur und der noch zulässigen Betriebstemperatur der Wand ist trotzdem derart gross, dass mit be trächtlichen Wärmeflüssen zu rechnen ist. Diese auf die Wand einfallende Wärme wird mit Vorteil mit Hilfe einer Wasserkühlung abgeführt.
Die technische Realisierung einer wassergekühlten, kompakten, ke ramischen Wand stösst auf beträchtliche Schwierig keiten, vor allem infolge von Wärmespannungen.
Die bisherigen Ausführungen von Brennkammer auskleidungen sind für derartige Maschinen daher ungeeignet. Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer für diese Zwecke einsetzbaren Brenn- kammer. Diese zeichnet sich aus durch ein oder mehrere mindestens teilweise aus Keramikmaterial bestehende, mittels gekühlter Organe festgehaltene Auskleidungselemente.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden anschliessend anhand von Figuren erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen Schnitt gemäss Linie I-I durch einen Ausschnitt aus einer Brennkammer, in schematischer Darstellung, Fig. 2 eine Aufsicht auf den in Fig. 1 dargestellten Brennkammerausschnitt, Fig. 3 ein Auskleidungselement von vorne, Fig. 4 einen Ausschnitt aus einer weitern Brenn kammerkonstruktion, analog Fig. 1.
Eine Brennkammer 1 einer magnetogasdynami- scher. Maschine ist mit plättchenartigen Elementen 2 ausgekleidet, die aus feuerfestem Material bestehen, vorzugsweise aus Keramikmaterial oder einem ent sprechenden Material mit Keramikzusätzen. Diese Auskleidungselemente 2 sind mit einer konischen Bohrung 3 versehen.
Auf der der Brennkammer 1 abgewandten Seite der Elemente 2 befindet sich ein Kühlsystem, von welchem in den Fig. 1 und 2 ein Kühlrohr 5 dar gestellt ist. Im Innern des Rohres 5 fliesst ein Kühl medium 6. Das Rohr 5 ist Träger von als Zapfen 7 ausgebildeten Halteorganen, die der Aufnahme der Auskleidungselemente 2 dienen. Die Elemente 2 sind unter Zwischenschaltung eines konischen Aufzieh- ringes 9 auf dem Zapfen 7 gelagert und mittels eines Auflageringes 8 und einer Mutter 10 befestigt. Sie können sich nach allen Richtungen frei ausdehnen, womit das Auftreten von Wärmespannungen und die Bruchgefahr der Elemente verhütet wird.
Die Zapfen 7 können als Vollzapfen, wie aus Fig. 1 ersichtlich, oder mit Ausnehmungen zur Zir kulation des Kühlmediums 6 vorgesehen werden.
Die Zapfen 7 sind, wie aus Fig. 1 ersichtlich, mit dem Kühlrohr 5 durch Lötung oder Schweissung verbunden. Der Auflagering 8 und Aufziehring 9 bestehen aus einem vorzugsweise keramischen Mate rial mit geringem Wärmeleitkoeffizienten. Anstelle der Mutter 10 kann ein Abschlussring verwendet werden, der mit dem Zapfen 7 verlötet ist.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Brennkammerauskleidung dargestellt, in welcher die Auskleidungselemente 2 auf in einer Kühlwand 16 eingetriebenen Zapfen 15 befestigt sind, deren ko nisch ausgestaltetes Ende die Aufnahme der mit der konischen Bohrung 3 versehenen Auskleidungsele- mente 2 ermöglicht, wobei eine Schraube 18 das Aus kleidungselement 2 auf dem Zapfen fixiert. Die Kühl wand 16 ist mit Kühlmitteldurchlässen 17 versehen.
Die Form der Kühlwand 16 richtet sich nach der Form der Brennkammer 1. Die Kühlwand 16 trägt so viele Zapfen 15, als nötig sind, um mit Hilfe der Auskleidungselemente 2 die Brennkammer 1 auszukleiden.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, besitzen die benach barten Auskleidungselemente 2 im kalten Zustand genügend Spiel, um sich im Betriebszustand der Brennkammer nicht zu berühren.
Dicke und Material der quaderförmigen Aus kleidungselemente 2 sind derart zu wählen, dass die Temperatur der der vorzugsweise wassergekühlten Wand 16 bzw. dem wassergekühlten Kühlrohr 5 zugekehrten Seite noch derart hoch bleibt, dass die Wärme vom Auskleidungselement 2 an die gekühlten Stellen durch Strahlung abgeführt werden kann.
Es ist grundsätzlich auch möglich, grössere Ele mente zu verwenden und sie mit mehreren gekühlten Zapfen abzustützen.
Die Zapfen 7 bzw. 15 sind aus einem sehr gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Kupfer, her gestellt. Die Kühlung dieser Auskleidungselemente erfolgt durch Strahlung an die Kühlrohre bzw. Kühlwände, so dass diese Elemente frei von direkter Kontakt kühlung sind, was das Risiko von Temperaturspan nungen in diesen Elementen und ihren frühzeitigen Zerfall bedeutend vermindert.
Durch entsprechende Gestaltung der Ausklei- dungselemente und der Kühlwände ist es möglich, die Wärmeübertragung durch Strahlung derart ab zustimmen, dass die durch das verwendete Material der Auskleidungselemente festgesetzte höchstzuläs sige Temperatur eingehalten werden kann.
Die beschriebene Konstruktion gestattet somit einen Betrieb der Brennkammer mit geringsten Wär meverlusten und hohen Flammentemperaturen.
Combustion chamber, in particular for magnetogasdynamic machines The present invention relates to a combustion chamber, in particular for magnetogasdynamic machines.
When designing the walls of fireplaces, both metallic and ceramic materials are used according to their purpose and temperature range.
A metallic wall is chosen if either heat is extracted directly from the flame who should (boiler) or high heat losses to the wall are not a disadvantage (gas turbines).
If, on the other hand, the flame has to be protected from excessive radiation losses or if adequate cooling of the wall is not desired or cannot be guaranteed, then a ceramic wall can advantageously be used.
At very high temperatures and relatively high emission coefficients of the flame, a very large proportion of the heat developed is transferred to a cooled, metallic wall. The combustion then does not take place adiabatically, and the flame temperature remains significantly below the theoretically achievable stoichiometric maximum.
At high temperatures, as can be achieved with stoichiometric mixtures, there is a risk that ceramic walls with very good insulation will melt on the surface of the flame. This melting can proceed to the point that it compromises the strength of the walls.
A combination of a water-cooled wall with a ceramic coating can be used for cyclone burners for pulverized coal firing. The melted ash sticks to the cooling ears and protects them from the harmful effects of fire. The disadvantage of this design is that practically only coal dust can be burned, since the heating oil produces too little and also unsuitable slag.
In order to achieve the highest temperatures, as they are necessary in magnetogasdynamic machines, it is important that the heat losses from the flame to the combustion chamber wall are kept as low as possible, otherwise the desired flame temperature will not be reached despite the recuperation possibilities. The jump between the flame temperature and the still permissible operating temperature of the wall is nevertheless so great that considerable heat flows can be expected. This heat incident on the wall is advantageously dissipated with the help of water cooling.
The technical implementation of a water-cooled, compact, ceramic wall encounters considerable difficulties, especially as a result of thermal stresses.
The previous versions of combustion chamber linings are therefore unsuitable for such machines. The present invention aims to create a combustion chamber that can be used for these purposes. This is characterized by one or more lining elements which are at least partially made of ceramic material and are held in place by means of cooled organs.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are then explained with reference to figures. 1 shows a section along line II through a detail from a combustion chamber, in a schematic representation, FIG. 2 shows a plan view of the combustion chamber detail shown in FIG. 1, FIG. 3 shows a lining element from the front, FIG. 4 shows a detail a further combustion chamber construction, analogous to FIG. 1.
A combustion chamber 1 of a magnetogasdynamic. Machine is lined with plate-like elements 2, which are made of refractory material, preferably made of ceramic material or a corresponding material with ceramic additives. These lining elements 2 are provided with a conical bore 3.
On the side of the elements 2 facing away from the combustion chamber 1 there is a cooling system, of which a cooling pipe 5 is provided in FIGS. 1 and 2. A cooling medium 6 flows inside the tube 5. The tube 5 is the carrier of holding elements, which are designed as pins 7 and which serve to hold the lining elements 2. The elements 2 are mounted on the pin 7 with the interposition of a conical mounting ring 9 and fastened by means of a support ring 8 and a nut 10. They can expand freely in all directions, which prevents the occurrence of thermal stresses and the risk of the elements breaking.
The pin 7 can be provided as a full pin, as shown in FIG. 1, or with recesses for circulation of the cooling medium 6.
The pins 7 are, as can be seen from FIG. 1, connected to the cooling tube 5 by soldering or welding. The support ring 8 and pull-on ring 9 consist of a preferably ceramic mate rial with a low coefficient of thermal conductivity. Instead of the nut 10, a locking ring which is soldered to the pin 7 can be used.
In Fig. 4, a further embodiment of a combustion chamber lining is shown, in which the lining elements 2 are attached to pins 15 driven into a cooling wall 16, the conical end of which allows the lining elements 2 provided with the conical bore 3 to be received Screw 18 from the cladding element 2 fixed on the pin. The cooling wall 16 is provided with coolant passages 17.
The shape of the cooling wall 16 depends on the shape of the combustion chamber 1. The cooling wall 16 carries as many pins 15 as are necessary to line the combustion chamber 1 with the aid of the lining elements 2.
As can be seen from Fig. 2, the neigh disclosed lining elements 2 have enough play in the cold state so as not to touch in the operating state of the combustion chamber.
The thickness and material of the cuboid cladding elements 2 are to be selected so that the temperature of the side facing the preferably water-cooled wall 16 or the water-cooled cooling tube 5 remains high enough that the heat can be dissipated from the lining element 2 to the cooled areas by radiation .
It is basically also possible to use larger elements and to support them with several cooled pegs.
The pins 7 and 15 are made of a very good thermally conductive material, such as copper. These lining elements are cooled by radiation to the cooling pipes or cooling walls, so that these elements are free from direct contact cooling, which significantly reduces the risk of temperature stresses in these elements and their premature disintegration.
By appropriately designing the lining elements and the cooling walls, it is possible to coordinate the heat transfer by radiation in such a way that the maximum permissible temperature set by the material used for the lining elements can be maintained.
The construction described thus allows the combustion chamber to be operated with minimal heat losses and high flame temperatures.