DE1079389B - Verbrennungsturbine mit Brennstoffverdampfer - Google Patents

Verbrennungsturbine mit Brennstoffverdampfer

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DE1079389B
DE1079389B DEB37444A DEB0037444A DE1079389B DE 1079389 B DE1079389 B DE 1079389B DE B37444 A DEB37444 A DE B37444A DE B0037444 A DEB0037444 A DE B0037444A DE 1079389 B DE1079389 B DE 1079389B
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Germany
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fuel
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combustion turbine
evaporation vessel
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DEB37444A
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Inventor
David Dutton Budworth
Great Horkesley
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GREAT HORKESLEY
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GREAT HORKESLEY
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/045Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor having compressor and turbine passages in a single rotor-module
    • F02C3/05Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor having compressor and turbine passages in a single rotor-module the compressor and the turbine being of the radial flow type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/30Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices

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Description

  • Verbrennungsturbine mit Brennstoffverdampfer Gegenstand der Erfindung ist eine Verbrennungsturbine mit in der Brennkammer angeordneter Verdampfungseinrichtung.
  • Es ist bekannt, im Verbrennungsraum von Gasturbinen Verdampfungsgefäße für den Brennstoff anzuordnen, die im wesentlichen aus Hohlzylindern mit im Verhältnis zum Durchmesser größerer Länge bestehen, um eine möglichst große Verdampfungswirkung zu erzielen. Es ist vorgeschlagen worden, das Verdampfungsgefäß in Form einer Spirale mit zentral zum Verbrennungsraum angeordnetem Auslaß auszubilden, der gegen eine Sprühscheibe gerichtet ist. Bei anderen bekannten Einrichtungen ist das Verdampfungsgefäß mit zum Verbrennungsraum schräg verlaufender Achse angeordnet. Der Nachteil der bekannten Ausführungsformen besteht jedoch darin, daß sie infolge ihrer im Verhältnis zum Inhalt großen Oberfläche zwar eine gute Verdampfungsleistung ergeben, jedoch außerordentlich hohen Temperaturen ausgesetzt sind, so daß sich an den Wandungen Kohle absetzt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Brennstoff nach der Verdampfung wieder aus der Brennkammer herausgeleitet und dann erst einer zentral in den Verbrennungsraum mündenden Düse zuggeführt wird.
  • Es sind ferner als Verdampfungsröhren ausgebildete Verdampfungseinrichtungen für Verbrennungsturbinen bekannt. Bei diesen Einrichtungen wird je- doch die Außenwand der Verdampfungsröhren nicht durch flüssigen Brennstoff gekühlt, so daß hierbei ebenfalls Kohlebildung auftritt. Bei anderen bekannten Verbrennungsturbinen ist eine von dem Hauptbrennraum getrennte Verdampfungskammer angeordnet, die als Hilfsbrennkammer arbeitet und im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist. In die Hilfsbrennkammer wird ein Brennstoffluftgemisch eingeleitet -und gezündet, welches dazu dient, den Brennstoffhauptstrom bis zur Verdampfungstemperatur zu erhitzen. Diese bekannte Einrichtung ist jedoch verwickelt aufgebaut, erfordert hohen Aufwand bei der Fertigung, muß häufig gewartet werden und ist anfällig gegen Störungen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungsturbine zu schaffen, deren Verdampfungseinrichtung so ausgebildet ist, daß sich keine Verbrennungsrückstände in Form von Kohle od, dgl. ansetzen können. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Verdampfungseinrichtung aus mindestens einem Verdampfungsgefäß besteht, welchem Brennstoff unter niedrigem Druck zugeführt wird und dessen Dampfauslaß derart angeordnet ist, daß in seinem unteren Teil stets ein Rückstand von flüssigem Brennstoff enthalten ist. Ferner ist vorgesehen, daß idie Abmessungen des Verdampfungsgefäßes in den drei Raumrichtungen im wesentlichen gleich s:ind.
  • Die erfindungsgemäße Verbrennungsturbine mit in der ringförmigen Brennkammer kreisendem Brenngasgemisch und darin angeordnetem Brennstoffauslaß weist als weiteres wesentliches Merkmal auf, daß das Verdampfungsgefäß an der Unterstromseite turbulenzerzeugend ausgebildet ist. In vorteilhafter Weise besteht das Verdampfungsgefäß aus einem allseitig geschlossenen Zylinder, dessen Durchmesser gleich der Länge seiner Achse ist. Hierbei ist die Anordnung so getroffen, daß die Achse des Zylinders parallel zur Turbinenachse angeordnet ist.
  • Das durch die Erfindung vorgeschlagene Verdampfungsgefäß besitzt daher im Verhältnis zu seinem Inhalt eine relativ kleine Oberfläche und ist hindernisbildend im Strom der Verbrennungsluft angeordnet. Hierdurch wird erreicht, daß die Flamme stets am Verdampfungsbehälter anliegt, daß aber andererseits immer so viel flüssiger Brennstoff im Verdampfungsgefäß verbleibt, um eine Überhitzung seiner Wandungen und damit auch den Ansatz von Kohle zu vermeiden. Auf diese Weise ist es möglich, die Verdampfungsleistung genau zu bestimmen, da infolge der stabil gehaltenen, an dem Gefäß anliegenden Flamme die zugeführte Wärmemenge bekannt ist und andererseits eine zu starke Verdampfung durch die im Verhältnis zum Inhalt kleine Oberfläche des Verdampfungsgefäßes verhindert wird. Durch eine besondere Ausbildung der stromab gelegenen Außenflächen des Verdampfungsgefäßes kann' die Durchwirbelung der Verbrennungsluft noch verbessert werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt c - Fig, 1 eine Gasturbine mit Brennkammer im Axialschnitt und Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1.
  • Das Verdichterrad 1 ist gemeinsam mit dem Turbinenrad 2 auf der drehbar gelagerten Welle 3 angeordnet. Die Lager der Welle 3 sind nicht dargestellt. Im Bereich ihres äußeren Umfanges sind das Verdichter- und Turbinenrad auf den einander zugekehrten Seiten in der Weise dünner gehalten, daß sich ein ringförmiger Spalt 4 bildet, in den ein fester Dichtungsrand 5 hineinragt. Hierdurch wird einerseits der Verdichter gegenüber der Turbine abgedichtet und andererseits der Wärmeübergang zwischen den beiden Rädern 1 und 2 vermindert.
  • Das Gehäuse des Verdichters ist mit 6 bezeichnet und vorzugsweise als Gußteil mit einer mittigen Einlaßöffnung 8 für die in den Verdichter eintretende Luft sowie einem Formstück 9 ausgestattet, das sich eng an die Kanten der Verdichterschaufeln 10 anlegt. Am Rand des Verdichterrades sind ferner die Diffusionskanäle 11 angebracht. Der Dichtungsrand 5 ist an dem Gehäuse 6 mit Hilfe von Schrauben 12 und dem Leitschaufelträger 13 befestigt.
  • Die Brennkammer wird von dem weiteren Gehäuse 7 umschlossen, das aus Blech gefertigt ist und aus einem stumpfkegeligen Teil 14 und einem tellerartigen Endteil 15 besteht, das durch Schweißung od. dgl. mit dem Teil 14 verbunden ist.
  • Den Schaufeln 17 des Turbinenrades 2 liegt das Turbinengehäuse 16 gegenüber, das ebenfalls mittels der Schrauben 12 und der Leitschaufeln 18 in der Maschine befestigt ist. Die Verbrennungsgase werden durch die am Umfang des Gehäuses 16 zusammen mit ,den Leitschaufeln 18 und dem Dichtungsrand 5 gebildeten Kanälen in die Turbinenschaufel 17 hineingeleitet. Das Turbinengehäuse 16 ist in der Mitte mit der Abgasöffnung 19 versehen, von der aus sich ein Abgasrohr20, das aus Blech gefertigt sein kann, in Axialrichtung der Turbine erstreckt. Am Ende des Abgasrohres ist eine Verdickung21 angeordnet, die als Befestigung für das tellerförmige Endteil15 der Brennkammer dient. Die Öffnung 22 im Endteil 15 entspricht in ihrem Durchmesser demjenigen des Ab- gasrohres 20. Im Bedarfsfall kann ein Auspuffrohr 23 in Verlängerung des Abgasrohres 20 angebracht werden.
  • Im Inneren des Gehäuses 7 ist ein Prallblech 24 befestigt, das aus einem zylindrischen Teil 25 und aus einem flachen ringförmigen Teil 26 besteht, die miteinander fest verbunden sind. Das Prallblech 24 wird mittels der Schraubverbindung 27 in seiner Lage gehalten, zu welchem Zweck es mit dem einwärts umgebogenen Flansch 28 versehen ist. An der Befestigungsstelle des Prallbleches 24 an dem Leitschaufelträger 13 sind Abstandsstücke 29 angeordnet, die einen Durchlaß für einen kleinen Teil der Verbrennungsluft, die durch den Kanal 11 strömt, unmittelbar zur Turbine herstellt.
  • Axial gegenüber dem Prallblech 24 versetzt ist ein weiteres Prallblech, bestehend aus einem inneren zylindrischen Teil 32, einem äußeren zylindrischen Teil 31 und einem flachen ringförmigen Teil 33, an-<_eordnet. Die enannten drei Teile sind fest miteinn 9 ander verbunden und mit Hilfe von Abstandsnieten 35 am Endteil 15 des Gehäuses 7 befestigt.
  • Die Brennkammer befindet sich zwischen den ringförmigen Teilen 26 und 33 sowie den zylindrischen Teilen 31 und 32 der Prallbleche. Der Zutritt der Verbrennungsluft in die Brennkammer erfolgt durch einen zwischen den zylindrischen Teilen 25 und 31 bzw. der Gehäusewandung 14 gebildeten Kanal. In der Nähe der Verhindungsstelle der Teile 26 und 32 sind Öffnungen ausgespart, durch die Verhrennungsgase in Richtung zur Turbine austreten, wobei sie durch den Flansch 34 umgelenkt werden. - In der Brennkainmer sind drei Verdampfungsgefäße 36, 37 und 38 angeordnet, die zylinderförmig ausgebildet sind und deren Achse parallel zur Turbinenachse verläuft. jedes der Verdampfungsgefäße ist mittels eines geeigneten Verbindungsstückes 39 an dem Prallblech 26 befestigt. Durch das gleiche Verbindungsstück 39 führt die Brennstoffzufuhrleitung 40 hindurch, durch die von einem Brennstoffbehälter mittels einer Pumpe Brennstoff in die Verdampfungsgefäße gefördert wird, wobei die Brennstoffleitung bei 41 gasdicht durch das Turbinengehäuse bzw. den Dichtungsrand 5 und das Turbinengehäuse 16 hindurchgeführt ist.
  • Im Inneren der Verdampfungsgefäße sind zwei Rohre 44 angeordnet, deren oberes Ende über dem im Verdampfungsgefäß befindlichen Brennstoffspiegel hinausragen, während sie mit ihren unteren Enden am Außenumfang des Gefäßes eine offene Verbindung des über dem Flüssigkeitsspiegel befindlichen Raumes mit der Brennkammer bilden. Die Öffnungen 43 der Rohre 44 liegen hierbei dem zylindrischen Blech 31 gegenüber.
  • Bei Anordnung mehrerer Verdampfungsgefäße muß stets eine gewisse Menge flüssigen Brennstoffs in ihnen vorhanden sein. Aus diesem Grund sind bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die beiden oberen Verdampfungsgefäße 36 und 37 in der Weise angeordnet, daß die Austrittsüffnungen 43 für den verdampften Brennstoff radial zur Turbinenachse schräg nach aufwärts zeigen. Der verdampfte Brennstoff kann hierbei direkt von der Oberfläche der Flüssigkeit ausströmen. Wie aus der gleichen Fig. 2 ersichtlich ist, bilden die Verdampfungsgefäße turbulenzerzeugende Hindernisse im Strom der Verbrennungsgase. Der durch die Verdampfungsgefäße erzeugte Sog hat zur Folge, daß die Flamme jeweils an einem Teil des Außenumfangs der Gefäße anliegt und hierdurch den im Gefäß befindlichen Brennstoff verdampft, der dann durch die Öffnungen 43 in die Brennkammer austritt, wo er verbrennt.
  • Die Geschwindigkeit, mit der der verdampfte Brennstoff die Verdampfungsgefäße verläßt, hängt unmittelbar von dem den Druck der Verbrennungsluft übersteigenden Dampfdruck in den Gefäßen ab. Selbstverständlich muß auch der Druck des nachgeförderten Brennstoffs dem in den Gefäßen erzeugten Dampfdruck entsprechen. Zur Einstellung dieses Druckes dient ein verstellbares Sicherheitsventil 54. Wenn sich beim Betrieb der Turbine die Drehzahl erhöht, steigt auch der Druck der von dem Verdichter beschleunig ten Verbrennungsluft, der wiederum auf den Druck des verdampften Brennstoffs in den Verdampfungsgefäßen zurückwirkt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffdampfes verringert sich daher, und die Drehzahl der Turbine sinkt infolge geringerer Zufuhr an vergastem Brennstoff. Die umgekehrte Wirkung tritt ein, wenn sich die Drehzahl der Turbine verringert und der dem Druck des verdampften Brennstoffs entgegenwirkende Druck der Verbrennungsluft sinkt. In diesem Fall kann mehr verdampfter Brennstoff in die Brennkammer gelangen, so daß sich die Drehzahl der Turbine selbsttätig höher einregelt. Durch die Einrichtung wird daher das außerordentlich unangenehme Durchgehen der Turbine vermieden, das häufig zu Beschädigungen führt.
  • Der Brennstoff wird der Gasturbine durch eine Pumpe53 zugeleitet, die nur schematisch dargestellt ist. Ura die Gasturbine anzulassen, wird sie durch einen elektrischen Anlasser o#d. dgl. in Drehungen versetzt, wobei bereits bei einer geringen Drehzahl genügend Luftdruck von dem Verdichter entwickelt wird, um eine die Brennstoffzufuhr betätigende Regelvorrichtung, die nicht zum Gegenstand der Erfindung ,gehört, in Gang zu setzen. Hierdurch strömt Brennstoff in das Verdampfungsgefäß 38, der durch die Rohre 44 überläuft und am Boden des Prallbleches 31 eine Lache bildet, die hinter dem einwärts gebogenen Flansch45 stehenbleibt. Zum Zünden des BrennstGffs wird der Verschluß 49, der eine Öffnung 48 verschließt, entfernt und z. B. ein kleines Stück brennender Putzwolle eingeführt. Sobald der Brennstoff entzündet ist, wird der Verschluß 49 wieder geschlossen. Die sich entwickelnden Verbrennungsgase versetzen die Turbine in Drehung. Die erforderliche Verbrennungsluft wird von dem Verdichter 1, der mit der Turbine fest verbunden ist, in den Kanal 11 gedrückt. Diese Luft strömt sowohl in radialer als auch axialer Richtung und durchfließt die Maschine auf einem spiraligen Weg. Ein geringer Anteil der Verbrennungsluft tritt zwischen dem Dichtungsrand 5 und dem Flansch 28 des Prallbleches 45 hindurch und strömt direkt als Kühlluft zu den Turbinenschaufeln 17. Ein weiterer kleiner Anteil der Verbrennungsluft tritt in den zwischen dem äußeren Gehäuse 14 und dem PrallhIech 31 gebildeten Kanal ein, fließt an der Innenseite des Gehäuses 15 sowie an der Außenseite des Abgasrohres 20 entlang, um sich schließlich wieder mit dein übrigen Gasstrorn zu vereinigen. Aucli'-dieser zweite Gasstrom dient dazu, das Gehäuse sowie das Abgasrohr zu kühlen. Der größte Teil der Verbrennungsluft strömt durch die zwischen den Blechen 25 und 31 gebildete Öffnung in die Brennkammer und nimmt an der Verbrennung des von den Verdampfun,O,'Sgefäßen abgegebenen gasförmigen Brennstüffes teil. jeder der drei Luftströme bewegt sich auf einer spiralförmigen Bahn.
  • Nach der Verbrennung verlassen die Gase die Brennkammer durch den Kanal zwischen dem ringförmigen Teil 26 und dem inneren zylindrischen Teil 32 der Prallbleche und treten in den von dem Turbinengehäuse 16 und dem Blech 25 umgebenen Raum ein. Hier mischen sie sich mit der Luft, die zwischen dem Abgasrohr 20 und dem inneren zylindrischen Teil 32 des Prallblechs hindurchgeströmt ist.
  • Um die Verbrennungsturbine abzuschalten, ist es lediglich erforderlich, die Brennstoffzufuhr zu den Verdampfungsgefäßen zu unterbinden.
  • Sofern es notwendig wird, die Brennkammer und die Verdampfungsbehälter zu überholen, kann das ganze Gehäuse 7 zusammen mit dem Prallblech 33 abgenommen werden, wodurch die Brennkammer vollständig geöffnet wird und die Verdampfungsgefäße leicht zugänglich sind.
  • Zur Beobachtung der Brennkammer ist auf dem Gehäuse 14 ein Quarzfenster 51 angeordnet, dem die Öffnung52 im Blech31 gegenüberliegt, so daß das Innere der Brennkammer während des Betriebs der Turbine überwacht werden kann.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE.- 1. Verbrennungsturbine mit in der Brennkammer angeordneter Verdampfungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungseinrichtung aus mindestens einem Verdampfungsgefäß (37) besteht, welchem Brennstoff unter niedrigem Druck zugeführt wird und dessen Dampfauslaß (43) derart angeordnet ist, daß in seinem unteren Teil stets ein Rückstand von flüssigem Brennstoff enthalten ist.
  2. 2. Verbrennungsturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Verdampfungsgefäßes (37) in den drei Raumrichtungen im wesentlichen gleich sind. 3. Verbrennungstarbine mit in der ringförmigen Brennkammer kreisendem Brenngasgernisch und darin angeordnetem Brennstoffauslaß nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfungsgefäß (37) an der Unterstromseite turbulenzerzeugend ausgebildet ist. 4. Verbrennungsturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfungsgefäß aus einem allseitig geschlossenen Zylinder besteht, dessen Durchmesser gleich der Länge seiner Achse ist. 5. Verbrennungsturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Zylinders parallel zur Turbinenachse angeordnet ist. 6. Verbrennungsturbine nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfungsgefäß (37) an der stromab gelegenen Seite eine ebene Abflachung aufweist. 7. Verbrennungsturbine nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfungsgefäß (38) an der stromab gelegenen Seite eine konkave Einbuchtung aufweist. 8. Verbrennungsturbine nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffauslaß (43 bzw. 44) der Verdampfungsgefäße (36, 37,38) derart ausgebildet ist, daß er die Brenngase am Außenumfang des in der Brennkammer kreisenden Brenngasgemisches aus dem Verdampfungsgefäß (36, 37, 38) austreten läßt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 767 360, 842 428, 843 927, 865 841; schweizerische Patentschrift Nr. 291617; französische Patentschrift Nr. 963 894; britische Patentschriften Nr. 667 197, 696 452, 704 678, 712 843.
DEB37444A 1954-10-08 1955-10-07 Verbrennungsturbine mit Brennstoffverdampfer Pending DE1079389B (de)

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