DE1953671C3 - Vorrichtung zum Vorverdampfen von flüssigem Brennstoff in einer Brennkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vorverdampfen von flüssigem Brennstoff in einer Brennkammer, mit einem Leitungsrohr, das von einer ringförmigen Brennkammer-Stirnwand aus in Längsrichtung in die Brennkammer hineinragt und das an seinem an die Brennkammer-Stirnwand angrenzenden Ende offen und an seinem entgegengesetzten Ende geschlossen ist, und mit zwei rohrförmigen Armen, die im Bereich des geschlossenen Endes vom Leitungsrohr seitlich abgezweigt sind und mit ihrem freien Ende in die Brennkammer münden, so daß sie mit dem Leitungsrohr einen T-förmigen Rohrkörper bilden, der eine vom offenen F.nde des Leitungsrohres gebildete Einlaßöffnung und zwei von den freien Enden der rohrförmigen Arme gebildete Auslaßöffnungen aufweist, wobei durch die Einlaßöffnung Verbrennungsluft und flüssiger Brennstoff einführbar sind.

Bei einer Vorrichtung dieser Art, wie sie aus der US-PS 29 56 404 bekannt ist, wird das Leitungsrohr durch eine Trennwand in zwei Kanäle unterteilt, die jeweils mit dem zugehörigen rohrförmigen Arm verbunden sind. Der flüssige Brennstoff wird am Einlaß

ίο des Leitungsrohres zugeführt, so daß beide Kanäle des Leitungsrohres gleichmäßig mit flüssigem Brennstoff beaufschlagt werden. Der flüssige Brennstoff verdampft, während er von der in den T-förmigen Rohrkörper einströmenden verdichteten Luft mitgenommen wird.

Die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes ist nicht nur im Hinblick auf den Verbrennungsvorgang in der Brennkammer von Vorteil; vielmehr bewirkt die Verdampfung gleichzeitig eine Kühlung des T-förmigen Rohrkörpers, der den extrem hohen Temperaturen in der Brennkammer ausgesetzt ist. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei immer größer werdenden Betriebstemperaturen der flüssige Brennstoff bereits im Leitungsrohr nahezu vollständig verdampft, so daß in den abgezweigten rohrförmigen Armen praktisch keine Verdampfung mehr erfolgt. Gerade die abgezweigten rohrförmigen Arme des T-förmigen Rohrkörpers sind jedoch diejenigen Teile des Rohrkörpers, die den höchsten Temperaturen ausgesetzt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Vorverdampfen von flüssigem Brennstoff in einer Brennkammer der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß eine bessere und gleichmäßigere Kühlung des T-förmigen Rohrkörpers erzielt wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den eingangs angegebenen Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Leitungsrohr durch Trennwände in einen Innenkanal und zwei parallel und seitlich dazu verlaufende Seitenkanäle unterteilt ist, von denen der Innenkanal im Abzweigungsbereich der seitlichen Arme durch in den Trennwänden gebildete öffnungen mit den Seitenkanälen und den rohrförmigen Armen verbunden ist, so daß die gesamte in den Innenkanal eintretende Luft in die Arme ausströmt, und daß der flüssige Brennstoff ausschließlich in die Seitenkanäle einführbar ist.

Aus der US-PS 29 82 098 ist bereits eine Vorrichtung zum Vorverdampfen von flüssigem Brennstoff in einer Brennkammer bekannt, bei der ein Leitungsrohr in einen Innenkanal und mehrere Seitenkanäle unterteilt ist, wobei ein Teil der im Innenkanal strömenden Luft durch öffnungen in die Seitenkanäle abgezweigt wird. Die Abzweigung der Luft hat jedoch in diesem Fall lediglich den Zweck, ein Festsetzen von Verkokungsresten an den Rändern der öffnungen zwischen den Seitenkanälen und den Rückführkanäien zu verhindern, und zu diesem Zweck werden nur einzelne, kleine Luftstrahlen aus dem Innenkanal abgezweigt und gegen die Ränder der entsprechenden öffnungen gerichtet, während der größere Teil der im Innenkanal strömenden Luft durch das in diesem Fall offene Ende des Innenkanals unmittelbar in die Brennkammer austritt.

Im Gegensatz hierzu wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die gesamte durch den Innenkanal strömende Luft den Armen des T-förmigen Rohrkörpers zugeführt. Erst hierdurch wird es möglich, die Seitenkanäle mit so wenig Luft zu beaufschlagen, daß die Seitenkanal-Luft zur Verdampfung des flüssigen Brennstoffs nicht ausreicht. Erst wenn die durch den

Innenkanal strömende Luft sich mit der durch die Seitenkanäle strömenden Luft in den Armen des T-förmigen Rohrkörpers vereinigt, kommt es zu einer vollständigen Verdampfung des flüssigen Brennstoffs. Hierdurch wird sichergestellt, daß ein Teil des flüssigen Brennstoffs erst in den Armen des T-förmigen Rohrkörpers verdampft und somit die T-förmigen Arme ausreichend gekühlt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Brennkammer mit einer bekannten Vorverdampfungsvorrichtung;

Fig.2 eine Ansicht der in Fig. 1 dargestellten Vorverdampfungsvorrichtung in vergrößertem Maßstab;

Fig.3 einen Querschnitt längs der Linie lll-III der in F i g. 2 dargestellten Vorverdampfungsvorrichtung;

Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorverdampfungsvorrichtung;

Fig.5 einen Querschnitt längs der Linie V-V der in F i g. 4 dargestellten Vorverdampfungsvorrichtung;

F i g. 5a eine der F i g. 5 entsprechende Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine bekannte Vorverdampfungsvorrichtung 10 dargestellt, die in einer ebenfalls bekannten .Ringbrennkammer 11 angeordnet ist. Die Ringbrennkammer weist ein äußeres Gehäuse 12a und ein inneres Gehäuse 126 auf, die im wesentlichen koaxial angeordnet sind und gemeinsam einen Ringraum bilden, innerhalb dessen zwei im wesentlichen koaxial verlaufende Wände 13a, 136 ein Flammrohr begrenzen, wo die Verbrennung stattfindet. Das Flammrohr ist an seinem stromaufwärts liegenden Ende durch eine Ringwand 14 verschlossen, die mit einer ringförmigen Tragstruktur 15 zusammenwirkt. Die Ringwand 14 und die Tragstruktur 15 sind mit öffnungen 16,17 versehen, die um die Achse x'-x der Brennkammer gleichmäßig verteilt und zueinander ausgerichtet sind.

Die Ringbrennkammer 11 wird an ihrem stromaufwärts liegenden Ende durch wenigstens eine Leitung 18 mit einem Sauerstoffträger, beispielsweise komprimierter Luft, versorgt. Die Luft strömt in den Ringraum zwischen dem Gehäuse und dem Flammrohr und tritt als Primärluft durch die öffnungen 16 und als Sekundärluft durch öffnungen 19a, 196, 20a, 206 in den Verbrennungsraum ein. An das stromabwärts liegende Ende der Ringbrennkammer 11 kann sich eine Turbine (nicht dargestellt) anschließen.

Die Vorverdampfungsvorrichtung 10 ist in dem vorliegenden Fall nur eine von mehreren gleichen Vorverdampfungsvorrichtungen, die jeweils mit Spiel in eine der öffnungen 17 eingesetzt sind.

Wie die Fig.2 und 3 genauer zeigen, weist jede Vorverdampfungr.vorrichiung ein Leitungsrohr 21 auf, dessen stromaufwärts liegender Teil die öffnung 17 durchsetzt und deren stromabwärts liegender Abschnitt sich in zwei seitliche Arme 22a, 22b verzweigt, die bei 23a, 23b zurückgekrümmt sind. Eine längs verlaufende Trennwand 24 unterteilt das Leitungsrohr 21 in zwei Kanäle 25a, 256, die über öffnungen 26a, 266 mit den Armen 22a, 22b in Verbindung stehen. Das Leitungsrohr 21 ist an seinem stromabwärts liegenden Ende durch eine Wand 27 verschlossen.

Die öffnung 17 ist derart bemessen, daß um das Leitungsrohr 21 ein Bauteil 28 angeordnet werden kann, das gegebenenfalls mit dem Leitungsrohr eir stückig ausgebildet ist. Das Bauteil 28 stellt zwei Verzweigungen 29,30 dar, die zwei Kanäle 31, 32 begrenzen. Durch die Kanäle 31, 32 kann ein geringer Bruchteil der Primärluft unmittelbar in den Verbrennungsraum eintreten. In das stromaufwärts liegende Ende des Leitungsrohres 21 mündet eine Brennstoffeinspritzeinrichtung 33.

Im Betrieb tritt der größere Teil der PrirMrluft (Pfeile A) gleichzeitig mit dem flüssigen Brennstof (Pfeil C) in das stromaufwärts liegende Ende des Leitungsrohres 21 ein. Diese Luft hat aufgrund der Vorverdichtung und ggf. einer Vorwärmung in einem Wärmetauscher (nicht gezeigt) eine verhältnismäßig hohe Temperatur. Die Eigenwärme und die zusätzlich zugeführte Wärme, die aus dem Verbrennungsraum kommt und durch die Leitungswände übertragen wird, genügen, um den flüssigen Brennstoff, der bei 33 vor dem Einlaß der Vorverdampfungsvorrichtung zugeführt wird, vollständig zu verdampfen. Am Auslaß der Zweigleitungen 23a, 23b strömt das Brennstoff-Luftgemisch (Pfeile A, C) in den stromaufwärts liegenden Bereich des Verbrennungsraumes, um in bekannter Weise die Rezirkulation eines Teils der Verbrennungsströmung zu begünstigen.

Wie bereits oben erwähnt, tritt die Schwierigkeit auf, die Wände, die die Vorverdampfungseinrichtung begrenzen, thermisch zu schützen, wenn die Temperatur der Verbrennuagsgase in dem stromaufwärts liegenden Bereich des Verbrennungsraums große Werte annimmt. Eiii solcher Wärmeschutz ist für den stromaufwärts liegenden Abschnitt des Leitungsrohres 21 in einem gewissen Ausmaß durch das Vorhandensein einer Isolierschicht gegeben, die durch das aus den Zweigleitungen 23a, 236 ausströmende Luft-Brennstoff-Gemisch gebildet wird, das mit Brennstoff angereichert ist, um sich zu entzünden; ferner durch das Vorhandensein eines kleinen Luftstroms (Pfeil a), der durch die Kanäle 31 strömt und das Leitungsrohr 21 mit einer Isolierschicht umgibt. Der wirksamste Schutz, vor allem für die Wände der seitlichen Arme 22a, 226, die in den Verbrennungsraum am weitesten vorragen, besteht jedoch darin, daß die Wände durch die Verdampfung des Brennstoffs gekühlt werden.

Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß die Verdampfung des Brennstoffs, wenn die Temperatur der Primärluft verhältnismäßig hoch ist, insbesondere bei Anlagen mit hohem Verdichtungsverhältnis und/oder mit einem Wärmetauscher, weit vor dem Auslaß der Vorverdampfungsvorrichtung (beispielsweise auf Höhe der Geraden x, y, F i g. 2) bereits vollständig abgeschlossen ist, so daß die seitlichen Arme 22a, 226, die der Wärme der Verbrennungsgase am meisten ausgesetzt sind, bei fehlender Kühlung durch die Verdampfung des Brennstoffs unzulässig überhitzt werden.

In den Fig.4 und 5 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Vorverdampfungsvorrichtung dargestellt, bei der die Arme 22a, 226 besser gekühlt werden können.

Das Leitungsrohr 21 ist, zumindest im stromabwärts liegenden Abschnitt, durch mehrere längs verlaufende Trennwände derart unterteilt, da3 ein Innenkanal 35 und Seitenkanäle 36a, 366 vorhanden sind. Die Trennwände können eben und im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wie dies beispielsweise bei den Trennwänden 34a, 346 in F i g. 5 der Fall ist. Es ist jedoch auch möglich, wie dies insbesondere beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 5a der Fall ist, daß der Innenkanal 35 durch eine Trennwand 37 begrenzt wird, die im wesentlichen koaxial zum Leitungsrohr 21 verläuft,

während die Seitenkanäle 36a, 366 dadurch gebildet sind, daß der Ringraum zwischen dem Leitungsrohr 21 und der inneren Trennwand 37 durch zwei quer verlaufende, sich gegenüberliegende Trennwände 38,39 in zwei unabhängige Kanäle unterteilt ist. Statt der Öffnungen 26a, 266 weisen die Trennwände 34a, 34b) (oder die Trennwand 37) öffnungen 40a, 40b auf, die die seitlichen Arme 22a, 22b, die Seitenkanäle 36a, 366 und den Innenkanal 35 im Bereich des stromabwärts liegenden Endes des Leitungsrohres 21 miteinander in Verbindung setzen. Am Einlaß eines jeden Seitenkanals 36a, 366 befindet sich eine Brennstoffeinspritzvorrichtung41a,416.

Der Innenkanal weist vorzugsweise einen Querschnitt auf, der größer als die Summe der Querschnitte der Seitenkanäle ist, so daß nur ein geringer Bruchteil der Primärluft (Pfeile Ai, A₂) durch die Seitenkanäle 36a, 36b strömt, in denen der flüssige Brennstoff eingespritzt wird, während der größere Teil der Luft (Pfeil A_n) durch den Innenkanal 35 strömt, in dem sich keine Brennstoffeinspritzvorrichtung befindet. Der geringe Bruchteil der Primärluft, der sich in den Seitenkanälen mit dem Brennstoff mischt, wird derart bestimmt, daß er gerade ausreicht, um ein Kracken oder Verkoken des Brennstoffs zu verhindern.

Die in den Seitenkanälen zur Verfügung stehende Ί Luft ist nicht ausreichend, um so viel Wärme zu erzeugen, wie zur Verdampfung des Brennstoffs erforderlich ist, so daß der größere Teil des Brennstoffs selbst auf Höhe der Geraden x-y flussig bleibt. Der Brennstoff wird somit, nachdem er den stromabwärts

ίο liegenden Abschnitt des Leitungsrohres 21 erreicht hat in Form von Tröpfchen mitgenommen, und zwar von der restlichen Luft, d. h. dem größeren Teil der Luft, der aus dem Innenkanal kommt und durch die Öffnungen 26a, 40a, 266,40b strömt.

Die Verdampfung des Brennstoffs wird auf diese Weise verzögert und erfolgt in den seitlichen Armen 22a, 22i>. wo sie einen Temperaturabfall bewirkt und somit für einen Schutz gegen Überhitzung der Wände der Vorverdampfungsvorrichtung sorgt.

Es versteht sich, daß die Anzahl der seitlichen Arme (etwa 22a^ und der zugeordneten Kanäle (etwa 36a, größer als zwei sein kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Vorverdampfen von flüssigem Brennstoff in einer Brennkammer, mit einem Leitungsrohr, das von einer ringförmigen Brennkammer-Stirnwand aus in Längsrichtung in die Brennkammer hineinragt und das an seinem an die Brennkammer-Stirnwand angrenzenden Endt: offen und an seinem entgegengesetzten Ende geschlossen ist, und mit zwei rohrförmigen Armen, die im Bereich des geschlossenen Endes vom Leitungsrohr seitlich abgezweigt sind und mit ihrem freien Ende in die Brennkammer münden, so daß sie mit dem Leitungsrohr einen T-förmigen Rohrkörper bilden, der eine vom offenen Ende des Leitungsrohres gebildete Einlaßöffnung und zwei von den freien Enden der rohrförmigen Arme gebildeten Auslaß-Öffnungen aufweist, wobei durch die Einlaßöffnung Verbrennungsluft und flüssiger Brennstoff einführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsrohr (21) durch Trennwände (34a, 34b; 37—39) in einen Innenkanal (35) und zwei parallel und seitlich dazu verlaufende Seitenkanäle (36.3,36b) unterteilt ist, von denen der Innenkanal (35) im Abzweigungsbereich der seitlichen Arme (22«i, 22b) durch in den Trennwänden gebildete Öffnungen (40a, AQb) mit den Seitenkanälen und den rohrförmigen Armen verbunden ist, so daß die gesamte in den Innenkanal eintretende Luft in die Arme ausströmt, und daß der flüssige Brennstoff ausschließlich in die Seitenkanäle (36a, 36£>,leinführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß zwei im wesentlichen ebene und parallel zueinander verlaufende Trennwände (34a, 34^ vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände von einer im wesentlichen koaxial zur Achse des Leitungsrohrs (21) verlaufenden inneren Rohrwand (37) und zwei Querwänden (38,39) gebildet sind, die den Ringsum zwischen der Rohrwand (37) und dem Leitungsrohr (21) unterteilen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Innenkanals (35) größer als die Summe der Querschnitte der beiden Seitenkanäle (36a, 36b)ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Arme (i!2a, 22b) des T-förmigen Rohrkörpers zurückgebogen sind, so daß ihr freies Ende der ringförmigen Brennkammer-Stirnwand zugewandt ist.