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Verbrennungseinrichtung für flüssige oder gasförmige Brennstoffe,
insbesondere für Gasturbinen und Düsentriebsätze Die Erfindung betrifft eine Verbrennungseinrichtung
für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, insbesondere für Gasturbinen und Düsentriebsätze,
bei welcher eine Düse oder ein Zerstäuber einen Brennstoffstrahl in einen ihm entgegengerichtetenLuftstrom
einspritzt, und betrifft insbesondere die Ausbildung einer derartigen Verbrennungseinrichtung,
bei welcher die Verbrennung in einem sich schnell bewegenden Luftstrom aufrechterhalten
wird, dessen mittlere Geschwindigkeit größer als die Rückzündungsgeschwindigkeit
in dem betreffenden Brennstoff-Luft-Gemisch ist. Für Kohlenwasserstoffbrennstoffe,
die in Luft brennen, wird die Zündgeschwindigkeit in der Größenordnung von 0,3 m/sec
bei normaler Außentemperatur angenommen.
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Es sind bereits Verbremiungseinrichtungen bekannt, bei welchen Sekundär-
oder Teilluft in die Mitte eines Brennstoffstrahles eintritt. Bei allen diesen Einrichtungen
verläuft jedoch der Brennstoffstrahl in der gleichen Richtung wie der Hauptluftstrom,
und daher tritt das Problem eines die Flamme erstickenden Brennstoffstrahles nicht
in der gleichen Weise auf, wie dies bei Einrichtungen der Fall ist, bei welchen
der Brennstoffstrahl entgegengesetzt dem Hauptluftstrom verläuft.
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Die Erfindung ist in erster Linie anwendbar bei Düsenantriebssätzen,
beispielsweise als Nachbrenn-oder Wiedererhitzungs-Verbrennungssystem einer Einpreßdüse
oder eines Vortriebsstutzens einer Düsen-Vortriebsmaschine. Sie kann außerdem unter
anderem beim Haupt-Verbrennungssystem einer Gas-Turbomaschine und bei Prüfeinrichtungen
für die Erzeugung und Lieferung von Heizgas - vor allem zum Vorwärmen der Verbrennungsluft
für die Prüfung anderer Brennkammern - verwendet werden. Insbesondere ist der Gegenstand
der Erfindung anwendbar bei solchen Verbrennungssystemen, bei denen die Geschwindigkeit
des Luftstromes in der allgemeinen Stromrichtung hinter einer Verbrennungszone zwischen
10 und 100 m/sec oder mehr, je nach der Anlage, groß sein kann. Die Erfindung ist
weiterhin von besonderer Bedeutung für Anlagen, bei welchen, wie bei den vorerwähnten
Kraftanlagen, ein stabilisiertes Brennen aufrechterhalten werden muß, und zwar nicht
nur bei einem sich schnell bewegenden Luftstrom, sondern auch bei sehr hohen Luftüberschußzahlen,
und bei welchen ein stabiles Brennen bei hoher Sättigung der Brennstoffeinspritzung
bei einem Kleinstwert an Druckverlust aufrechterhalten werden muß.
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Die Flamme einer Zerstäuberdüse, die Brennstoff gegen den Hauptluftstrom
einspritzt, brennt ganz erheblich stabiler als diejenige, bei welcher Brennstoff
quer zum Luftstrom oder mit dem Hauptluftstrom eingespritzt wird; der Luftstrom
wirkt hierbei selbsttätig derart, daß die brennenden Gas- und/oder Brennstoffteilchen
dauernd durch den Luftstrom, der in den Strahl hinein- und/oder an ihm vorbeiführt,
zurückbefördert werden und der aus der Zerstäuberdüse austretende Brennstoff leicht
gezündet wird.
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Um voll wirksam zu sein, muß jedoch die selbstausrichtende Wirkung
von einer guten Sauerstoffzufuhr zum Flammengrund begleitet sein. Die Flamme hat,
wenn sie durch den Luftstrom zurückbewegt wird, die Neigung, den Brennstoffstrahl
zu umschließen und Luft von ihm abzusperren, wodurch das Brennen unmöglich gemacht
wird, obwohl der ausströmende Brennstoff auf die Zündtemperatur erhitzt worden ist.
Die Flamme neigt daher dazu, sich selbst auszulöschen, wenn nicht der Flammengrund
ausreichend mit Sauerstoff versorgt wird.
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Durch den Gegenstand der Erfindung soll die Stabilität der Flamme
eines- Brennstoffstrahles erhöht werden, der in einen ihm entgegengerichteten, sich
schnell bewegenden Luftstrom eingespritzt wird. Vor
allem soll eine
ausreichende Sauerstoffzufuhr zum Flammengrund gesichert werden.
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Durch den Gegenstand der Erfindung wird eine bessere Mischung von
Luft und Brennstoff in denjenigen Flammenteilen erreicht, die vom Mittelpunkt des
Strahles weiter entfernt sind, so daß eine konzentrische Schichtung reicher und
armer Mischungen vermieden wird.
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Erfindungsgemäß wird eine Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen von
Brennstoff in einem sich schnell bewegenden Brennstoffstrom vorgesehen, welche eine
Brennstoffdüse zum Einspritzen eines Brennstoffstrahles in entgegengesetzter Richtung
des Hauptluftstromes aufweist, so daß die Richtung des Brennstoffstrahles durch
den Luftstrom umgekehrt wird.
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Gekennzeichnet ist die Erfindung dadurch, daß im Verbrennungsluftstrom
unmittelbar vor der Brennstoffdüse ein sich mittig in den Brennstoffstrahl hinein
erstreckender, an seinem gegen die Brennstoffdüse gerichteten Ende mit einer Luftdüse
versehener hohler Staukörper angeordnet ist, und die Luftaustrittsöffnungen der
Luftdüse so bemessen sind, daß durch die vom Verbrennungsluftstrom abgetrennte und
in den Kern des Brennstoffstrahles geleitete Teilluftmenge eine vorzeitige Umkehr
des Brennstoffstrahles vor Berührung mit dem Hauptluftstrom verhindert wird.
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Vorteilhaft können in dem hohlen Teilstück des Staukörpers Öffnungen
vorgesehen werden, durch welche dem weiter von der Brennstoffdüse entfernten Bereich
des Strömungskernes des Brennstoffstrahles weitere Teilluftmengen zugeführt werden.
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Weiterhin können erfindungsgemäß am äußeren Umfang (Flansch) des Staukörpers
radial verlaufende Öffnungen zum Zuführen eines dritten Luftstromteiles angeordnet
sein, der innerhalb des den Staukörper umgebenden Hauptluftstrahles zu den äußeren
Teilen oder Teilbereichen des Brennstoffstrahles führt, die durch den Hauptluftstrom
um den Strahlgrund herum umgekehrt oder umgelenkt werden.
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Besonders vorteilhaft läßt sich erfindungsgemäß das hohle Teilstück
des Staukörpers gleichachsig zur Brennstoffdüse anordnen und so ausbilden, daß er
in Richtung der Luftaustrittsdüse kegelförmig zuläuft, wobei die Luftdüse zweckmäßig
durch nahe der Kegelspitze angeordnete Öffnungen gebildet wird.
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Außerdem wird erfindungsgemäß noch vorgeschlagen, in den Wänden des
kegeligen Staukörperteiles weitere Öffnungen vorzusehen, welche von der Kegelspitze
aus rückwärts, und zwar weiter als die ersterwähnten Öffnungen, angeordnet sind
und zur Führung des zweiten Luftstromteiles dienen.
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Um ein gutes Mischen von Luft und Brennstoff über den ganzen Brennstrahlbereich
sicherzustellen und konzentrische Schichtungen verschiedener Mischungen der vorerwähnten
Art zuverlässig zu vermeiden, istbzw. sind der kegelförmige S taukörper und/oder
dessen stromaufwärts des Luftstromes gelegener Flansch mit mehreren radial verlaufenden
Schlitzen versehen. Der Flansch verläuft im wesentlichen quer zum allgemeinen Luftstrom,
wodurch er gleichsam den Rand eines Hutes bildet, dessen Kopfteil der kegelige Staukörper
ist, so daß die Luft durch die Schlitze zum stromaufwärts gelegenen Ende und zu
den in radialer Richtung äußeren Schichten des brennenden Strahles geführt wird.
Dadurch wird die Luft, welche diese Schicht des Brennstoffstrahles speist, in mehreren
regelmäßig angeordneten, flachen Schichten zugeführt, die eine radiale Schichtung
mit abwechselnd reichen und armen Mischungsverhältnissen hervorrufen und die Ausbreitung
konzentrischer Mischungsschichten verhindern.
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Zur Verringerung des Druckverlustes bei stabilem Brennen und bei hohen
Brennstoffeinspritzgeschwindigkeiten sind außerdem noch Einspritzeinrichtungen zum
Einspritzen des Brennstoffes an zwei oder mehr Brennbereichen vorgesehen, wobei
der zweite und die nachfolgenden Brennbereiche stromabwärts zum vorangehenden Brennbereich
vorgesehen sind und nur der erste Brennbereich durch einen Staukörper gegen die
Wirkung des Luftstromes geschützt ist.
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Es hat sich nämlich herausgestellt, daß dann, wenn die Gase aus dem
ersten Brennbereich genügend heiß sind und die aufeinanderfolgenden Brennbereiche
in genügend dichten Abständen vorgesehen sind, ein stabiles Brennen im zweiten Brennbereich
und gegebenenfalls in nachfolgenden Brennbereichen selbst in einem sich schnell
bewegenden Luftstrom hinein aufrechterhalten werden kann.
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Aus diesem Grunde ist daher nur der erste Brennbereich von zwei oder
mehr Einspritz- oder Brennbereichen in einer Brennkammer mit einem Staukörper versehen,
während die übrigen Brennbereiche keinen solchen aufweisen. Bei einer solchen Anordnung
wird die Luft (oder ein Teil derselben) durch Verbrennen des im ersten Brennbereich
eingespritzten Brennstoffes auf eine solche Temperatur erhitzt, daß dieser Brennbereich
das.Brennen des Brennstoffes, der im zweiten Brennbereich eingespritzt wird, gleichsam
führend veranlaßt, und wenn weitere Einspritz- oder Brennbereiche vorgesehen werden,
so wirken deren Flammen ebenfalls zündungsführend und werden so durch die Flammen
aller stromaufwärts gelegenen Brennbereiche stabilisiert.
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Durch die thermischen Veränderungen würde es schwierig sein, die Ausrichtung
des kegelförmigen Staukörpers mit der Düse oder dem Zerstäuber aufrechtzuerhalten,
wenn der Zusammenbau in der üblichen Weise bemessen wäre. Diese Schwierigkeit soll
dadurch überwunden werden, daß die Düse oder der Zerstäuber und der kegelförmige
Staukörper starr aneinander befestigt werden; sie werden von den Wandungen der Brennkammer
oder des Flammrohres durch gemeinsame Haltemittel gehalten, welche aus einem oder
mehreren Rohren bestehen können, die der Düse oder dem Zerstäuber Brennstoff zuführen.
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Die Zeichnung stellt beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
dar, und zwar zeigt Fig. 1 im Mittellängsschnitt einen Teil einer Verbrennungseinrichtung,
Fig. 2 einen Querschnitt dazu nach der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig.3 einen Schnitt,
ähnlich demjenigen nach Fig. 1, durch eine abgeänderte Verbrennungseinrichtung,
Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 3 und Fig. 5 einen Mittellängsschnitt
einer anderen Verbrennungseinrichtung.
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Nach Fig. 1 und 2 ist der Brenner 11 als hohles Ouerstützglied ausgebildet,
das an den Wänden des Flammrohres 10 befestigt ist und eine Brennstoffeinspritzdüse
12 trägt, die in der Mitte des Flammrohres liegt und einen Brennstoffstrahl dem
Luftstrom entgegenspritzt, wobei die Richtung der Luftströmung durch in vollen Linien
gezeichnete Pfeile und die Richtung des Brennstoffstrahles in gestrichelten Pfeilen
angedeutet ist. Der Brennstoff wird der Düse 12
mittels einer äußeren
Leitung 13, eines Rohranschlußstückes 14 und eines im Innern der Stütze gebildeten
Durchlasses 15 zugeführt. Ein hohler, vorzugsweise kegelförmiger Staukörper 16 ist
gleichachsig zur Brennstoffdüse 12 angeordnet, wobei seine Spitze gegen die Düse
zeigt und nahe derselben liegt. Die Grundfläche dieses kegelförmigen Staukörpers
ist der Luftströmung zugekehrt, und seine Spitze ist mit einer kreuzförmigen Öffnung
17 versehen, durch welche ein Teil des Luftstromes ins Innere des aus der Düse 12
austretenden Brennstoffstrahles geleitet wird. Der Staukörper 16 ist ferner mit
einem Ring von Öffnungen 18 versehen, welche von der Düse 12 weiter als die Öffnung
17 entfernt sind und die dazu dienen, einen weiteren Teil des Luftstromes ins Innere
des Brennstoffstrahles zu führen, und zwar in die Nähe jenes Bereiches, wo die Brennstofftröpfchen
von der Luftströmung eine Strömungsumkehr erfahren, wie durch die gestrichelten
Pfeile angedeutet ist. Der kegelförmige Staukörper 16 ist mit einem Grundflansch
19 versehen, welcher eine Anzahl radialer Schlitze 20 aufweist, durch welche weitere
Luft in Form flacher Ströme dem Umkehrbereich des Brennstoffstrahles zugeführt wird.
Die Anwesenheit des Staukörpers erzeugt eine Verwirbelung in der Luftströmung, welche
ein teilweise erneutes Umkehren des zu verbrennenden Brennstoffes von außen nach
innen gegen die Düe hin bewirkt; diese Wirkung wird durch diejenige der radialen
Schlitze so ergänzt, daß eine gleichachsige Schichtung in eine überreiche Mischung
im inneren Teil der Flammenzone und eine überarme Mischung im äußeren Teil derselben
vermieden wird.
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Der Hauptteil der Luft strömt mit hoher Geschwindigkeit durch das
Rohr 10 und ist in der Nähe des Staukörpers 16 hauptsächlich auf den radial äußeren
Bereich des Rohres 10 begrenzt, so daß er den Brennstoffstrahl umgibt und eine Strömungsumkehr
des letzteren hervorruft.
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Der Grundflansch 19 des kegelförmigen Staukörpers ist an vier Stützen
21 befestigt, welche an den Wänden des Flammrohres angebracht sind und dadurch den
kegelförmigen Staukörper abstützen.
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Die Ausbildung nach den Fig. 3 und 4 ist in mancher Beziehung gleich
derjenigen nach Fig. 1 und 2, wobei entsprechende Elemente durch die gleichen Bezugsziffern
bezeichnet sind. Hingegen ist außer dem Staukörper 16 ein besonderes kürzeres kegelförmiges
Stauelement 22 vorhanden, das gleichachsig über die Spitze des kegelförmigen Staukörpers
16 geschoben und von diesem distanziert ist, so daß ein enger ringförmiger Zwischenraum
zwischen diesen Teilen vorhanden ist, welchem Luft durch Öffnungen 23 des Staukörpers
16 zugeführt wird. Das äußere kegelförmige Stauelement 22 ist mit einer kreuzförmigen
Öffnung 17 versehen, durch welche Luft ins Innere des Strahles der Düse 12 geführt
wird, und hinten aus dem Zwischenraum zwischen dem Staukörper 16 und dem Element
22 austretende Luft wird dem Umkehrbereich der Flammenzone zugeführt, Bei dieser
Bauart ist der Flansch 19 durch einen kegelförmigen Schirm 24 ersetzt, und die radialen
Schlitze 20 liegen in dem Grundteil des kegeligen Staukörpers 16.
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Ferner sind zwei Brenner vorgesehen, von welchen der eine eine
Düse 37 besitzt, welche sich in der Strömungsrichtung hinter der ersten Düse 12
befindet. Für den zweiten Brenner sind keine Staumittel vorgesehen, da dessen Flamme
durch die Flamme des ersten Brenners gesteuert und stabilisiert wird. In der Bauart
unterscheidet sich diese Ausbildung von derjenigen nach Fig. 1 und 2 insofern, als
die Düsen starr mit den Staumitteln verbunden und gegen die Wände des Flammrohres
10 durch gemeinsame Stützmittel abgestützt sind, welche aus radialen Stützen 21
und einem U-förmigen Rohr 30 bestehen, das den Brennstoff den Düsen 12 und 37 zuführt.
Diese Düse 12 ist an einem Brenner 34 vorgesehen, der an den Seitenschenkeln des
Rohres 30 mittels T-Stücken 35 befestigt ist. Das Rohr 30 ist an den radialen Stützen
21 und an der Grundfläche des Staukörpers 16 und des Schirmes 24 durch einen Klemmkörper
36 befestigt und die Enden des Rohres 30 gehen durch die Wände des Flammrohres 10
hindurch und sind daran durch Scheiben 31 und Muttern 32 befestigt und endigen in
einem Gewindeteil 33 für den Anschluß an die (nicht gezeigten) Brennstoffzufuhrleitungen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist der kegelförmige Schirm 24
durch einen zylindrischen Schild 24a ersetzt, der mit dem Staukörper 16 mittels
eines kegelförmigen Elementes 25 verbunden ist, das einen größeren Kegelwinkel als
der Staukörper 16 hat und eine Verlängerung der Grundfläche desselben bildet. Die
Teile 24a und 25 sind an einem weiteren kegeligen Glied 26 durch Schrauben 27 und
Abstandsringe 28 befestigt, wodurch eine ringförmige Öffnung gebildet wird, durch
welche Luft in das Innere des Staukörpers 16 geführt wird.
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Die Einrichtung nach Fig. 5 besitzt drei Brenner 11, 39, 42, die durch
äußere Leitungen 13, 40, 43 gespeist werden und Düsen 12, 38, 41 besitzen, welche
alle in der Achse des Flammrohres 10 liegen, mit der auch die Achse des Staukörpers
16 zusammenfällt. Die durch die Öffnungen 17, 23 dem Inneren des Brennstoffstrahles
zugeführte Luft stabilisiert die erste Flamme der Düse 12, während die zweite und
dritte Flamme der Düsen 38 und 41 durch die Flammen der vorhergehenden Düse oder
Düsen gesteuert und stabilisiert werden.