DE1048442B - - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
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Description
DEUTSCHESGERMAN
kl 46 f 7/03kl 46 f 7/03
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BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUS LE GE S CH RI FT:NOTICE THE REGISTRATION AND ISSUE OF THE FROM LE GE S CH RI FT:
B 38209 Ia/46fB 38209 Ia / 46f
8. DEZEMBER 1955 8. J A N U A R 19 5 9DECEMBER 8, 1955 8th J A N U A R 19 5 9
Die Erfindung bezieht sich auf Brennkammern und ähnliche Reaktionsräume unter hoher Betriebstemperaturen, vorzugsweise auf Brennkammern für Gasturbinen, und betrifft insbesondere die Zuführung der in den Brennraum einzubringenden Verbrennungsluft sowie die Ausbildung zugehöriger, am Ort des Eintritts der Verbrennungsluft in den Brennraum angeordneter Brenner.The invention relates to combustion chambers and similar reaction spaces at high operating temperatures, preferably on combustion chambers for gas turbines, and in particular relates to the supply of the Combustion air to be introduced into the combustion chamber and the formation of the associated air at the point of entry the combustion air in the burner arranged in the combustion chamber.
In Brennkammern für Gasturbinen mit Gastemperaturen bis 80° C wird im allgemeinen mit erheblichem Luftüberschuß gearbeitet. Man führt dabei den für die Verbrennung benötigten Teil der Luft unmittelbar in den Brennraum ein und leitet die restliche bzw. Sekundärluft, die zu Abkühlung der Verbrennungsgase dient, so um den inneren Brennraum herum, daß sie in der gleichen Richtung strömt wie die Flamme. Bei bekannten Brennkammern wird die Kühlluft auch durch Löcher oder Spalte den Verbrennungsgasen zugesetzt, wodurch die innere Wandung und die Verbrennungsgase gekühlt werden. Durch die ao Sekundärluft wird dabei gleichzeitig auch die Temperatur der äußeren, den Druck aufnehmende Wandung herabgesetzt. Die Entwicklung der Gasturbinen geht jedoch dahin, immer höhere Gastemperaturen anzuwenden. Der Luftüberschuß wird dabei geringer und somit die zur Kühlung dienende Sekundärluftmenge kleiner. Wird außerdem die Primärluft im Verhältnis zur Brennstoffmenge geringer, so wird die Verbrennungstemperatur sehr hoch. Es entsteht dann die Gefahr, daß die Brennkammerwand nicht mehr genügend gekühlt werden kann und ihre Standfestigkeit verliert.In combustion chambers for gas turbines with gas temperatures up to 80 ° C is generally with considerable Excess air worked. The part of the air required for the combustion is passed through directly into the combustion chamber and directs the remaining or secondary air that cools the combustion gases around the inner combustion chamber so that it flows in the same direction as the flame. In known combustion chambers, the cooling air is also passed into the combustion gases through holes or gaps added, whereby the inner wall and the combustion gases are cooled. Through the ao Secondary air is also the temperature of the outer wall that absorbs the pressure degraded. However, the development of gas turbines is to use ever higher gas temperatures. The excess air is reduced and thus the amount of secondary air used for cooling is reduced smaller. In addition, if the primary air is lower in relation to the amount of fuel, the combustion temperature becomes lower very high. There is then the risk that the combustion chamber wall is no longer sufficient can be cooled and loses its stability.
Ferner ist bekannt, die Luft ohne in Primär- und Sekundärluft aufzuteilen, entgegen der Flammenrichtung um die Brennkammer herumzuführen und danach zur Verbrennung in den Brennraum einzublasen. Dadurch wird erreicht, daß die Verbrennungsendtemperatur nicht wesentlich über der Eintrittstemperatur in die Turbine liegt und außerdem durch die gesamte Luft die Wandung des Brennraumes gekühlt wird. Bei dieser Anordnung wird eine metallische Wandung bei hohen Betriebstemperaturen nur dann genügend gekühlt, wenn diese die Möglichkeit hat, ihre Wärme über den äußeren Mantel an die Umgebung abzustrahlen. Die Kühlung durch Konvektion mit der hinter dem inneren Mantel vorbeiströmenden 45 c) Luft hat für sich nur eine geringe Wirkung. Die Wärmeabstrahlungsverluste müssen also in Kauf genommen werden. d)It is also known to guide the air around the combustion chamber against the direction of the flame, without dividing it into primary and secondary air, and then to blow it into the combustion chamber for combustion. This ensures that the final combustion temperature is not significantly above the inlet temperature into the turbine and, moreover, the wall of the combustion chamber is cooled by all of the air. With this arrangement, a metallic wall is only cooled sufficiently at high operating temperatures if it is able to radiate its heat to the environment via the outer jacket. The cooling by convection with the air flowing past behind the inner jacket 45 c) has only a minor effect in itself. The heat radiation losses must therefore be accepted. d)
Würde eine an sich ebenfalls bekannte Isolierung auf dem äußeren Mantel innerhalb eines druckfesten Behälters angebracht werden, so würde bei den angestrebten hohen Temperaturen der innere Mantel innerhalb kurzer Zeit zerstört, da die Wärme nicht mehr abgestrahlt werden kann.Would a also known insulation on the outer jacket within a pressure-resistant Are attached to the container, so at the desired high temperatures, the inner jacket would be inside destroyed in a short time because the heat can no longer be radiated.
Brennkammer mit Brenner für hohe BetriebstemperaturenCombustion chamber with burner for high operating temperatures
Anmelder:Applicant:
Badische Anilin- & Soda-Fabrik Aktiengesellschaft, Ludwigshafen/RheinBadische Anilin- & Soda-Fabrik Aktiengesellschaft, Ludwigshafen / Rhein
Dipl.-Ing. Erich Kube, Wachenheim (Pfalz), Dipl.-Ing. Heinz Leib und Dipl.-Ing. Joachim Nitschke1 Ludwigshafen/Rhein, sind als Erfinder genannt wordenDipl.-Ing. Erich Kube, Wachenheim (Palatinate), Dipl.-Ing. Heinz Leib and Dipl.-Ing. Joachim Nitschke 1 Ludwigshafen / Rhein, have been named as the inventor
Durch eine besonders sorgfältige Luftführung in dem den Brennraum umschließenden ringförmigen Raum in Verbindung mit einer an sich bekannten Isolierung der drucktragenden Brennkammerwand sowie durch die Anordnung eines Ablenkschirmes, an dem die in den Brennraum eintretende Luft eine über den inneren dünnwandigen Brennkammermantel sich fortsetzende wirbelnde Bewegung erhält, lassen sich indes auch extreme Brennraumbelastungen und wesenntlich höhere Temperaturen als bisher üblich beherrschen. Nach der Erfindung werden somit in Brenn- und Wirbelkammern an sich bekannte Merkmale so zusammengezogen, daß eine qualitativ und quantitav einheitliche neue Wirkung gegeben ist. Diese Merkmale bestehen im einzelnenDue to a particularly careful air flow in the ring-shaped one surrounding the combustion chamber Space in connection with a known insulation of the pressure-bearing combustion chamber wall as well by the arrangement of a deflecting screen, on which the air entering the combustion chamber over the inner thin-walled combustion chamber jacket receives continuing swirling movement, however can also handle extreme loads in the combustion chamber and significantly higher temperatures than has been the case up to now. According to the invention, features known per se are drawn together in combustion and vortex chambers in such a way that that there is a qualitatively and quantitatively uniform new effect. These characteristics exist in detail
a) in einem äußeren drucktragenden Mantel mit eingelagerter Isolierschicht,a) in an outer pressure-bearing jacket with an embedded insulating layer,
in einem sich an die Isoliersicht anschließenden ringförmigen Raum, durch den sowohl die Brennluft als auch die Kühlluft entgegen der Flammenrichtung im Brennraum zweckmäßig wendelförmig hindurchgeführt wird,in an annular space adjoining the insulating layer, through which both the combustion air and the cooling air against the direction of the flame in the combustion chamber is expediently helical is passed through,
in der Umlenkung und anschließenden Einführung der Luft in den Brennraum hinter einem Ringwirbel auslösenden Ablenkschirm, in dem Austritt der Brenngase am dem Ablenkschirm gegenüberliegenden Ende des Brennraumes durch einen oder mehrere innen isolierte Rohrstutzen. in the deflection and subsequent introduction of the air into the combustion chamber behind a ring vortex triggering deflection screen, in which the combustion gases exit at the end of the combustion chamber opposite the deflection screen through one or more internally insulated pipe sockets.
Bei dieser Anordnung kann für die Mäntel ein Werkstoff ohne nennenswerte Warmfestigkeit verwendet werden, sofern der Werkstoff ausreichend zun-With this arrangement, a material without any appreciable heat resistance can be used for the jackets provided that the material increases sufficiently
b)b)
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derbeständig ist. Um den'deh Brennraum umschließenden dünnwandigen Mantel auch nicht kurzzeitig Drucklx;!astungen auszusetzen, kann dieser zwischen dem ringförmigen Raum und dem eigentlichen Brennraum kleine, dem Druckausgleich dienende Durchbrechungen aufweisen.which is permanent. Not even briefly around the thin-walled jacket surrounding the combustion chamber Exposure to pressure loads can occur between the annular space and the actual combustion chamber have small perforations for pressure equalization.
Die Luft besitzt durch die wendelförmige Führung in dem Ringkanal noch einen Drall um die Brennkammerachse. Dieser Drall sorgt für eine dem Ringwirbel überlagerte Drallbewegung, wodurch eine innige Durchmischung von Brennluft und Brennstoff und damit eine kurze Flamme erzielt wird. Der durch die Wendel erzeugte Drall erwirkt ferner, daß der in den Ringwirbel gelangende und an der Verbrennung nicht teilnehmende Luftanteil nach außen gegen den inneren Mantel geschleudert wird und dort nochmals m wendelförmiger Bewegung eine Kühlwirkung erzielt. Due to the helical guidance in the ring channel, the air still has a twist around the axis of the combustion chamber. This twist ensures a twisting movement superimposed on the ring vortex, whereby a intimate mixing of combustion air and fuel and thus a short flame is achieved. The through the twist generated by the helix also has the effect that the swirl which gets into the ring vortex and is involved in the combustion non-participating air portion is thrown outwards against the inner jacket and there again m helical movement achieved a cooling effect.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist auch darin zu sehen, daß der innere Verbrennungsraum klein gehalten werden kann. Eine mit den genannten Merkmalen aufgebaute Brennkammer wird einschließlich der Innenisolierung nicht größer als die heute üblichen Brennkammern für weniger hohe Temperaturen. Versuche haben ergeben, daß die Verbrennüngstemperatur bei dieser Anordnung kaum höher liegt als die Temperatur vor der Turbine. Bei den üblichen Brennkammern, bei denen ein großer Teil der Luft in Flammenrichtung um die Brennkammer herumgeführt werden muß und nachträglich den Verbrennungsgasen zugeführt wird, liegt die VerbrennungstemperatuT zwangläufig bedeutend höher als die Temperatur vor der Turbine.Another advantage of this arrangement can be seen in the fact that the internal combustion chamber can be kept small. A combustion chamber constructed with the features mentioned is included the inner insulation is no larger than the combustion chambers commonly used today for less high temperatures. Tests have shown that the combustion temperature is hardly higher with this arrangement than the temperature in front of the turbine. With the usual combustion chambers, where a large part the air must be guided around the combustion chamber in the direction of the flame and subsequently the combustion gases is supplied, the combustion temperature is inevitably significantly higher than that Temperature in front of the turbine.
Die Luft wird auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite in den Luftführungskanal zwischen dem äußeren und inneren Mantel der Brennkammer zugeführt. Im Luftführungskanal können Luftführungsbleche angeordnet werden, die eine gleichmäßige Verteilung der Luft bewirken. Man kann die Luftfühfungsbleche so anordnen, daß an den Stellen höherer Temperatur des inneren Mantels eine stärkere Luftströmung auftritt, so' daß die Kühlwirkung an diesen Stellen erhöht wird. Die Luftführungsbleche werden zweckmäßig in Form einer Spirale bzw. eines Wehdels angeordnet, so daß die Luft bis zum Eintritt in1 den' Verbrennungsraum einen längeren Weg zurückzulegen hat, dadurch besser kühlt und selbst stärker vorgewärmt wird. An den Stellen erhöhter Temperatur kann ferner die Steigung der Spirale geringer gewählt werden, insbesondere kann, entsprechend dem Venturi-Düsenprinzip, der durch zwei benachbarte Bleche bestimmte Strömungsquerschnitt verengt werden, so daß die Luftgeschwindigkeit erhöht wird. Bei besonders schwer verbrennbaren Brennstoffen besteht die Gefahr, daß ein Teil des Brennstoffes erst an der inneren Wandung vollständig ausbrennt. Da an diesen Stellen meist kein Luftüberschuß vorhanden ist und sich somit eine erhöhte Temperatur einstellen würde, kann an diesen Stellen auch der innere Mantel durch Löcher oder Schlitze durchbrochen werden, durch die ein kleiner Teilstrom der durch den Wendel geführten Luft unmittelbar in den Verbrennungsraum überströmt.The air is fed into the air duct between the outer and inner casing of the combustion chamber on the side opposite the burner. Air guide plates can be arranged in the air duct to ensure an even distribution of the air. You can arrange the Luftfühfungsbleche so that a stronger air flow occurs at the points of higher temperature of the inner jacket, so 'that the cooling effect is increased at these points. The air guide plates are suitably arranged in the form of a spiral or of a Wehdels, so that the air has to entry into the 1 'combustion chamber to travel a longer distance, thereby better cooling and even more preheated. At the points of increased temperature, the gradient of the spiral can also be chosen to be lower, in particular, according to the Venturi nozzle principle, the flow cross-section determined by two adjacent metal sheets can be narrowed so that the air speed is increased. In the case of fuels that are particularly difficult to burn, there is a risk that some of the fuel will only burn out completely on the inner wall. Since there is usually no excess air at these points and an increased temperature would result, the inner jacket can also be pierced at these points by holes or slits through which a small partial flow of the air guided through the helix flows directly into the combustion chamber.
Die Verbrennungsgase werden auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite durch einen oder mehrere Stutzen, die mit Innenisolierung und inneren Gasführungsrohren ausgerüstet sind, abgeführt. Diese Stutzen können direkt mit der Turbine verflanscht werden. In diesem Fall muß die Brennkammer so gelagert werden, daß ihre thermische Ausdehnung keineThe combustion gases are passed through one or more on the side opposite the burner Nozzles that are equipped with internal insulation and internal gas ducts are discharged. These Nozzles can be flanged directly to the turbine. In this case the combustion chamber must be positioned in this way be that their thermal expansion is no
Spannungen auf die Turbine überträgt. Man kann aber zwischen der Turbine und den Abgasstutzen der Brennkammer auch eine weniger unmittelbare Verbindung durch längere, wärmeisoJierte Rohre herstellen. .Transfers stresses to the turbine. But you can between the turbine and the exhaust port of the Combustion chamber also create a less direct connection through longer, heat-insulated pipes. .
Bei der Konstruktion muß darauf geachtet werden, daß sich alle Brennkammereinbauten frei dehnen können, damit sich das Material nicht durch Wärmespannungen verwirft. Es ist günstig, z. B. die Luftführungsbleche im Luftführungskanal nur an einer Stelle mit dem inneren oder äußeren Mantel zu verbinden und im übrigen die Luftführungsbleche untereinander durch Stege, Rohre oder Zuganker festzulegen. Da diese Verbindungen, Stützen od. dgl. ebenso wie auch die Luftführungsbleche im Luftstrom liegen, haben sie stets etwa die gleiche Temperatur und verändern die Lage zueinander nicht. Der innere Mantel kann frei beweglich auf den Luftführungsblechen liegen und wird nur an einer Stelle in axialer Rich-During construction, care must be taken to ensure that all internal combustion chamber fixtures can expand freely so that the material does not warp due to thermal stresses. It is cheap, e.g. B. to connect the air guide plates in the air duct only at one point with the inner or outer jacket and, moreover, to set the air guide plates with one another by webs, pipes or tie rods. Since these connections, supports or the like, as well as the air guide plates, are in the air flow, they always have approximately the same temperature and do not change their position relative to one another. The inner jacket can move freely on the air guide plates and is only installed at one point in the axial direction.
ao tung an dem äußeren Mantel festgelegt. In kaltem Zustand muß man den gewendelten Luftführungsblechen genügend Spiel geben, damit die radiale Dehnung des inneren Mantels nicht behindert wird, während bei der Betriebstemperatur die Luftführungsbleche jedoch praktisch an beiden Mänteln anliegen sollten. ao tung fixed on the outer jacket. In the cold state, the coiled air guide plates must be given enough play so that the radial expansion of the inner jacket is not hindered, while at the operating temperature the air guide plates should practically rest against both jackets.
Der äußere Mantel wird in an sich bekannter Weise so an dem Druckgehäuse befestigt, daß er sich frei dehnen kann. Man kann hierzu z. B. mehrere radiale Bolzen benutzen oder ihn auf Stegen oder Kugeln lagern. Jedenfalls soll bei kaltem Einbau zwischen dem Gehäuse und den Stegen oder Kugeln so viel Spiel vorhanden sein, daß die radiale Dehnung weder zu örtlichen noch zu weiterverbreiteten Spannungen des äußeren Mantels führt. An einer Stelle wird der äußere Mantel am Druckbehälter festgelegt. Es ist zweckmäßig, für den Raum zwischen dem äußeren Mantel und dem Druckbehälter ein elastisches Isoliermaterial zu verwenden, das bei der Wärmedehnung des äußeren Mantels nachgibt, z. B. wärmebeständiges Fasermaterial. Man kann aber auch Isoliersteine verwenden, wenn genügendes Spiel zwischen dem äußeren Mantel und der Isolierschicht vorgesehen werden kann.The outer jacket is attached to the pressure housing in a manner known per se so that it can expand freely. You can do this for. B. use several radial bolts or store it on bars or balls. In any case , if the installation is cold, there should be enough play between the housing and the webs or balls that the radial expansion neither leads to local nor to widespread stresses in the outer shell. The outer shell is fixed to the pressure container at a location. It is expedient to use an elastic insulating material for the space between the outer jacket and the pressure vessel which yields when the outer jacket expands, e.g. B. heat-resistant fiber material. But you can also use insulating stones if sufficient play can be provided between the outer jacket and the insulating layer.
Die Luft aus dem Luftführungskanal gelangt nach einer durch die Formgebung des äußeren Mantels bedingten Richtungsänderung beispielsweise unmittelbar hinter dem Brenner in den Verbrennungsraum. Der Brenner besteht aus einem tellerförmigen, ebenen oder schwach konischen Ablenkschirm, auf dem die Luft von hinten ohne Berücksichtigung ihres Dralls etwa senkrecht auftrifft. Es bildet sich vor dem Ablenkschirm ein Wirbel, in den der Brennstoff eingeführt wird. Hierdurch läßt sich erreichen, daß die Flamme in einem sehr weiten Betriebsbereich nicht abreißt. Dieser Bereich wird noch erweitert, wenn man an dem Ablenkschirm einige Löcher oder Schlitze anbringt. Dadurch gelangt bei jedem Belastungszustand aus dem Luftführungskanal übergeströmte frische Luft unmittelbar in den Wirbel. Bei genügend großer Luftgeschwindigkeit ist die Strömung im Wirbel turbulent. Wie an sich bekannt, ergeben sich dabei besonders große Feuerraumbelastungen, und der Verbrennungsraum kann sehr klein gehalten werden.After a change in direction caused by the shape of the outer jacket, the air from the air duct reaches the combustion chamber, for example, directly behind the burner. The burner consists of a plate-shaped, flat or slightly conical deflecting screen on which the air hits approximately vertically from behind, regardless of its swirl. A vortex forms in front of the deflecting screen, into which the fuel is introduced. In this way it can be achieved that the flame does not break off in a very wide operating range. This area is further expanded if a few holes or slots are made on the deflection screen. As a result, fresh air that has flowed over from the air duct reaches the vortex immediately with every load condition. If the air speed is high enough, the flow in the eddy is turbulent. As is known per se, this results in particularly large loads on the combustion chamber, and the combustion chamber can be kept very small.
Wird ein gasförmiger Brennstoff benutzt, so wird der Ablenkschirm zweckmäßig auf. dem Gaszuführungsrohr befestigt. Dieses Rohr endet am Ablenkschirm und nimmt eine beispielsweise in axialer Richtung verschiebbare Abdeckplatte auf, so daß ein schmaler, vorzugsweise einstellbarer Ringspalt ent-If a gaseous fuel is used, the deflecting screen is expediently open. the gas supply pipe attached. This tube ends at the deflecting screen and takes one, for example, in the axial direction sliding cover plate so that a narrow, preferably adjustable, annular gap is formed
Claims (3)
Deutsche Patentschrift Nr. 457 906;
österreichische Patentschrift. Nr. 34 863;
schweizerische Patentschrift Nr. 241 750;
französische Patentschriften Nr. 1021444, 728686; britische Patentschrift Nr. 626 275;
USA.-Patentschrift Nr. 2686 400.Considered publications:
German Patent No. 457 906;
Austrian patent specification. No. 34,863;
Swiss Patent No. 241 750;
French Patent Nos. 1021444, 728686; British Patent No. 626 275;
U.S. Patent No. 2686 400.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE1048442B true DE1048442B (en) | 1959-01-08 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1224095B (en) * | 1962-07-24 | 1966-09-01 | Prvni Brnenska Strojirna Zd Y | Gas turbine combustor |
FR2117965A1 (en) * | 1970-12-15 | 1972-07-28 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd |
-
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- DE DENDAT1048442D patent/DE1048442B/de active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1224095B (en) * | 1962-07-24 | 1966-09-01 | Prvni Brnenska Strojirna Zd Y | Gas turbine combustor |
FR2117965A1 (en) * | 1970-12-15 | 1972-07-28 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd |
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