-
Ringförmige Misch- oder Brennkammer, insbesondere für Gasturbinen
In Misch- und Brennkammern, die von gasförmigen Medien durchströmt werden, denen
andere Stoffe in Form von Gasen, Flüssigkeiten oder Pulvern fester Teilchen zum
Zwecke der Durchmi.sohung, der Verbrennung oder der Durchführung anderer Austauschvorgänge
oder chemischer Reaktionen zugesetzt werden, will man besonders bei höheren Temperaturen
zur Verkleinerung des Kostenaufwandes den Durchsatz möglichst ,groß machen bei möglichst
kleinem Strömungswiderstand und kleinen Abmessungen. Dabei besteht die Gefahr, daß
mit wachsendem Durchsatz die Mischung bzw. die Reaktion unvollkommen bleibt oder
die Reaktionszone aus der Kammer hinausgeblasen wird und so die Reaktion erlischt.
-
In Brennkammern von Gasturbinen baut man deshalb zur Verhinderung
des I3inausblasens der Flamme sogenannte Flammenhalter ein, hinter denen sich ein
durchwirbeltes Strömungsgebiet mit geringerer mittlerer Strömungsgeschwindigkeit
ausbildet, dessen heiße Gase die Verbrennung aufrechterhalten. Solche Flammenhalter
haben aber erhebliche Strömungswiderstände, die z. B. bei Gasturbinen den Wirkungsgrad
der Anlage merklich herabsetzen.
-
Man hat Brennkammern auch so ausgebildet, daß sich in ihnen ein Ringwirbel
bildet, derart, daß die Gasteilchen in Ebenen durch die Turbinenachse eine kreisende
Bewegung ausführen um eine gedachte-, die Turbinenachse ringförmig umschließende
Mittelachse der Brennkammer. Die Bewegung der Gasteilchen entspricht dann etwa den
gekrümmten Pfeilen der Abb. 1. In diesen Ringwirbel wird in der Regel an mehreren
Stellen der Brennstoff bzw. der zweite Reaktionspartner eingespritzt oder eingeblasen.
Diese Bauart hat den Nachteil, daß die Wände der Kammer recht heiß werden und dali
die Verbrennung wegen der Kürze des Flammenweges von der Einspritzstelle des Brennstoffes
bis zum Austritt der Gase in den Schaufelkranz der Turbine nicht vollständig ist.
-
Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile dadurch, daß die
Gase außer den geschilderten Bewegungsformen auch noch eine Bewegung parallel zur
kreisförmigen Mittelachse des Wirbelringes ausführen. An einer insbesondere für
Gasturbinen vorgesehenen ringförmigen. Misch- oder Brennkammer mit um die Mittelachse
des Ringes kreisender Bewegung des Kammerinhaltes isst. die Erfinaung demnach darin
zu sehen, d.aß über die kreisende Bewegung eine Bewegung in Richtung der Mittellinie
des Ringes gelagert ist.
-
Dadurch werden infolge der Zentrifugalwirkung dieser Zusatzbewegung
die schwereren, kälteren Gase an die äußere Wand der Kammer gedrückt und diese vor
zu starker Erhitzung geschützt. Zugleich wird der Flammweg durch die überlagerte
Bewegung verlängert und damit die Vollständigkeit der Reaktion verbessert.
-
Diese überlagerte Bewegung wird am einfachsten dadurch erzielt, daß
man die Strömung aus dem Axialverdichter noch mit Umfangskomponente in die Brennkammer
eintreten läßt, indem man den letzten Leitradkranz mit nur schwacher Ablenkung ausbildet
oder auch ganz fortläßt, so daß die Luft bzw. das Reaktionsgas unmittelbar aus dem
letzten Laufrad des Verdichters in die Brennkammer eintritt. Der Fortfall' des letzten.
Laufradkranzes hat bei Gasturbinen eine erwünschte Verkürzung der axialen Länge
zur Folge. Auch für die eigentliche Turbine ist die Umfangskomponente der Geschwindigkeit
erwünscht, weil sie das erste Leitrad mit kleiner Umle.nkung zu bauen erlaubt, was
die- Verluste vermindert.
-
Eine Ausführungsform der Erfindung, die speziell als Brennkammer einer
Gasturbine geeignet ist, zeigt Abb. 1. Im folgenden wird meist .nur von. einer Brennkammer
für Gasturbinen gesprochen, was aber nicht ausschließt, daß die Erfindung im Sinne
der an,fänglichen Erläuterung auch als Misch- oder Reaktionskammer für irgendwelche
Mischungen und Reaktionen mit einem gasförmigen Partner benutzt wird. In Abb. 1
ist a der letzte Schaufelkranz des Rotationskompressors der Turbine, der um die
Achse A-A rotiert und durch den die Strömung von links nach rechts hindurchtritt.,,
b ist die ringförmige Erweiterung dieses Strömungskanals, in der .sich der Wirbelring
ausbildet. Bei c werden die Verbrennungsgase -der Beschaufelung d der eigentlichen
Gasturbine zugeführt, die sich ebenfalls um die Achse A-A dreht. Strömt das Gas
von a nach c, so bildet sich in dem Raum b ein Wirbelring aus, in dem die Gasteilchen
sich
etwa auf Bahnen-bewegen, die durch die kreisähnlichen, mit Pfeilen versehenen Kurven
der Abbildung angedeutet sind.
-
Außerdem hat die Strömung im Sinne dieser Erfindung aber noch eine
erhebliche. Umfangskomponente (bezogen auf die Achse A-A) senkrecht- zur Zeichenebene.
Diese Zusatzbewegung hat zur- Folge-, daß die kälteren und damit spezifisch. schwereren
Teile der noch nicht zur Verbrennung benutzten Luft b.zw. des Gases vor der Readttion
:sich infolge der Fliehkraft an die äußere Wand der Kammer legen, und so vor dieser
einen Schleier kälteren, Gases bilden, der sie vor der unmittelbaren Berührung durch
die heißen Verbrennungsgase des Wirbelringes schützt.
-
Man kann einen solchen Kalbluftschleier auch dadurch erreichen, daß
man mach Abb. 2 einen Ring f von geeigneter Querschnittsform anordnet, der einen
Teil der Hauptströmung ablenkt und an der äußeren Wand der Wirbelkammer entlang
führt. Bei dieser Anordnung dreht sich der Ringwirbel, wie das die Kurven mit Pfeilen
der Abb. 2 andeuten, in entgegengesetzten Sinne wie in Abb. 1.
-
Auch hier ist wesentlich die Umfangskomponente der Strömung um die
Achse A-A, also senkrecht zur Zeichenebene.
-
Der Brennstoff bzw. der als Gas, Flüssigkeit oder in Form eines Staubes
fester Teilchen beizumischende zweite Reaktionspartner kann der Strömung vor ihrem
Eintritt in die Wirbelkammer an einer Anzahl über den Umfang des Strömungskanals
verteilten Stellen zugesetzt werden. Man kann ihn aber auch an beliebiger Stelle
in den Wirbelring selbst einspritzen, wie das in Abb. 1 bei e- angedeutet ist, oder
man kann ihn mit Hilfe von quer zur Strömungsrichtung angeordneten Röhrchen i im
Wirbelring oder im eintretenden Strom verteilen, wie das die Abb. 3 zeigt. Spritzt
man den Brennstoff in der Nähe der Mittellinie des Wirbelringes ein, so verbrennt
er hier mit hoher Temperatur, und mach -dem Umfang des Wirbelrin,ges hin sinkt die
Temperatur in erwünschter Weise infolge! der zunehmenden turbulenten Vermischung
der V erbrennungsgase mit der zugeführten Frischluft.
-
Besonders geeignet für die Einführung und Verteilung des Brennstoffes
ist der in Abb. 2 angegebene ringförmige Körper f, den man zu diesem Zweck hohl
ausbildet oder mit Kanälen ausstattet und in dessen Oberfläche man Öffnungen oder
Spritzdüsen anbringt, die den Brennstoff in den Hauptstrom vor seinem Eintritt in
den Bereich des Ringwirbels und oder in denn Ringwirbel selbst einspritzen, wie
das die vom Ringkörper f ausgehenden Strichbündel der Abb. 2 andeuten. Wenn Brennstofftröpfchen
die Wand der Kammer treffen, so ist das kein Nachteil, da sie hier verdampfen und
dabei die Wand kühlen.
-
Um den Läufer der Turbine vor der Einwirkung der heißen. Gase der
Brennkammer zu schützen, kann man nach Abb. 2 einen ruhenden. oder mit der Turbine
umlaufenden Ringmantel g anordnen, der den: Läufer konzentrisch umgibt unter Bildung
eines Ringspaltes, durch den Luft ohne B@rennstoffzus.atz hindurohtritt. In ähnlicher
Weise kann auch die ringförmige Brennkammer mit einer solchen inneren Auskleidung
h versehen sein, wie, das in Abb. 2 angedeutet ist.
-
Hat der Eintrittsquerschnitt der ankommenden Luft einen größeren Durchmesser
als der Austrittsquerschnitt, wie das in der Regel bei Gasturbinen mit Radialverdichtern
oder bei Axialverdichtern mit radialer Endstufe der Fall ist, so kann man den Wirbelring_zwischem
diesen beiden Durchmessern anordnen.-Eine - solche Ausführung zeigt als Beispiel
die Abb. 3. Dabei ist wieder A-A die Drehachse der Maschine und b die ringförmige
Wirbelkammer. Bei a
tritt die Strömung in die Wirbelkammer in der Nähe ihres
größten Durchmessers ein, und bei c verlassen die Gase die Kammer wieder. Der Wirbelring
dreht dabei in der durch gekrümmte Pfeile angedeuteten Richtung. Der Brennstoff
kann durch Düsen von der Wand her eingespritzt werden oder auch durch eine Mehrzahl
von Röhrchen i, die, wie in Abb. 3 angedeutet, den Brennstoff in der Nähe der Mitte
des Ringwirbels zuführen.
-
Andere mögliche Ausbildungsformen der Brennkammer zeigen. Abb. 4 und
5, die man besonders dann anwenden kann, wenn der Austrittsumfang des Verdichters
größer ist als der Eintrittsdurchmesser der Turbine.
-
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kann der Brennstoff natürlich
auch in bekannter Weise durch eine Mehrzahl quer zur Strömung angeordneter Rohre
zugeführt werden, die mit Öffnungen oder Düsen versehen sind und schon vor dein
Eintritt der Strömung in die Brennkammer angeordnet sein können. Insbesondere können
auch Schaufelkränze des Verdichters, der letzte Leitschaufel- oder Laufschaufelkran.z
dieser Aufgabe dienen.