DE3838574A1 - Heissgaserzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißgaserzeuger, der bei­ spielsweise zum Antrieb eines Turbinenrads eingesetzt wird.

Heißgaserzeuger werden seit langem zur Erzeugung von unter Druck stehenden Heißgasen für den Antrieb von Maschinen aller Art sowie für andere Zwecke eingesetzt (vgl. z. B. US-PS 18 28 784, die den am nächsten kommenden Stand der Technik darstellt).

Bei derartigen Heißgaserzeugern wird ein kohlenstoffhalti­ ger Brennstoff mit einem Oxidationsmittel verbrannt unter Erzeugung heißer Verbrennungsgase. Außerdem kann zusätz­ licher Brennstoff in die heißen Verbrennungsgase eingelei­ tet werden, um verdampft zu werden, wodurch das Heißgas­ volumen erhöht und gleichzeitig die Temperatur des Verbren­ nungsgases auf einen gewünschten Pegel vermindert wird, bei dem keine Beschädigung des Systems, in dem der Heißgaser­ zeuger verwendet wird, stattfinden kann.

Eine Schwierigkeit beim Betrieb und bei der Verwendung solcher Heißgaserzeuger ist die Kohlenstoffablagerung bzw. -ansammlung. Kohlenstoff lagert sich ab, wenn der Brenn­ stoff nicht vollständig oxidiert und elementarer Kohlen­ stoff in dem Brennraum des Heißgaserzeugers gebildet wird. Dieser kann sich an verschiedenen Stellen im Brennraum anlagern, insbesondere an den Stellen, die relativ niedrige Temperatur aufweisen. Kohlenstoffablagerungen können zwar verhindert werden, indem dem Heißgaserzeuger ein Oxida­ tionsmittelüberschuß zugeführt wird, dies kann aber zur Bildung von heißen Flecken in dem den Brennraum bildenden Behälter und zu einer Beschädigung desselben führen. Somit ist es bisher üblich, einen Heißgaserzeuger eher kohlen­ stoffreich zu betreiben, so daß das gesamte für die Ver­ brennung verfügbare Oxidationsmittel verbraucht wird, um dadurch das Auftreten heißer Flecken zu verhindern; dies erhöht natürlich das Potential für Kohlenstoffablagerungen.

Wie in der eingangs genannten US-PS angegeben, ist es außerdem erwünscht, den Brennraum zu kühlen, um eine Be­ schädigung desselben durch übermäßige Wärme aus der dort stattfindenden Verbrennung zu vermeiden. Vorteilhafterweise wird dies dadurch erreicht, daß der Brennraum mit Brenn­ stoff gekühlt wird. Bei der bekannten Konstruktion besteht jedoch die Gefahr einer zu starken Kühlung der Brennraum­ wandungen; die dadurch resultierenden kühlen Flecken unter­ stützen die Kohlenstoffablagerung, wenn der Heißgaserzeuger kohlenstoffreich betrieben wird, was wiederum zur Vermei­ dung des Auftretens heißer Flecken erwünscht ist.

Kohlenstoffablagerungen sind unerwünscht, weil sie die Wärmeübertragung beeinträchtigen können. Es gibt jedoch noch ein schwererwiegendes Problem, das aus Kohlenstoff­ ablagerungen resultiert. Heißgaserzeuger der genannten Art werden häufig zur Heißgaserzeugung für den Antrieb von Turbinenrädern eingesetzt. Mit zunehmender Kohlenstoffab­ lagerung lösen sich Ablagerungsteilchen ab und gelangen mit dem Heißgas durch das Turbinenrad. Dieser teilchenförmige Kohlenstoff führt nicht nur zu einer Erosion der Turbinen­ düsen und Turbinenräder, sondern kann außerdem auch zu Pumpen führen.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die Überwindung eines oder mehrerer der vorgenannten Probleme.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen und verbesserten Heißgaserzeugers, der so aufgebaut ist, daß er einerseits kohlenstoffreich betrieben werden kann, um das Auftreten heißer Flecken zu verhindern, andererseits aber Kohlenstoffablagerungen vermeidet.

Der Heißgaserzeuger nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Behälter mit einem engen Einlaßende, einem engen Auslaßende und einem dazwischenliegenden relativ weiten Brennraum, durch eine am Einlaßende befindliche Vor­ richtung zur Einleitung eines zu verbrennenden kohlenstoff­ haltigen Brennstoffs in den Brennraum im wesentlichen in Axialrichtung des Behälters, durch eine mit der Brennstoff­ einleitungsvorrichtung konzentrische und sie umgebende Oxidationsmitteleinlaßöffnung, durch eine Brennstoffaus­ trittsöffnung am Auslaßende zur Einleitung eines zu ver­ dampfenden Brennstoffs in das Auslaßende, so daß dieser Brennstoff durch heiße Verbrennungsgase, die aus dem Brenn­ raum austreten, verdampft wird, und durch eine thermische Abschirmung, die das Innere des Brennraums zumindest teil­ weise auskleidet und den Behälter vor übermäßiger Hitze infolge der Brennstoffverbrennung im Brennraum schützt, während sie gleichzeitig dem Brennraum eine Fläche präsen­ tiert, die ständig mit ausreichend hoher Temperatur zur Vermeidung von Kohlenstoffablagerungen im Behälter betreib­ bar ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungs­ form der Erfindung ist die thermische Abschirmung eine Keramikschicht, die auf die Innenfläche des Behälters im Brennraum aufgebracht ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Heißgas­ erzeuger gekennzeichnet durch einen Behälter mit einem engen Einlaßende, einem engen Auslaßende und einem dazwi­ schenliegenden relativ weiten Brennraum, durch eine am Ein­ laßende befindliche Vorrichtung zur Einleitung eines zu verbrennenden kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in den Brenn­ raum im wesentlichen in Axialrichtung des Behälters, durch eine mit der Brennstoffeinleitungsvorrichtung konzentrische und sie umgebende Oxidationsmitteleinlaßöffnung, durch eine Brennstoffaustrittsöffnung am Auslaßende zur Einleitung eines zu verdampfenden Brennstoffs in das Auslaßende, so daß dieser Brennstoff durch heiße Verbrennungsgase, die aus dem Brennraum austreten, verdampft wird, und durch Vorrich­ tungen auf der Außenfläche des Behälters, die eine Strö­ mungsbahn für Brennstoff bilden, der als Kühlmittel für den Behälter wirkt, wobei diese Vorrichtungen den Behälter aus­ reichend kühlen, um eine Beschädigung desselben durch Hitze infolge der Brennstoffverbrennung im Brennraum zu verhin­ dern, während gleichzeitig die Innenfläche des Behälters ausreichend hohe Temperaturen erreicht bzw. mit solchen betreibbar ist, um Kohlenstoffablagerungen im Behälter zu verhindern.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungs­ form sind die die Strömungsbahn definierenden Vorrichtungen Rohre, die in gutem Wärmeübertragungskontakt mit der Außen­ fläche des Behälters um diese geführt sind.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß sowohl die thermische Abschirmung als auch die Kühlmittel vorgesehen sind.

Der Heißgaserzeuger nach der Erfindung kann zwar auf vielen Gebieten eingesetzt werden, auf denen die Erzeugung von Heißgasen verlangt wird, die vorteilhafteste Einsatzmög­ lichkeit ist aber wohl in Kombination mit einem Turbinen­ rad, wobei dann keine Erosionsprobleme hinsichtlich des Turbinenrads und der zugehörigen Düsen auftreten.

Anhand der Zeichnung, die einen Schnitt durch eine Turbine mit einem Heißgaserzeuger nach der Erfindung und bestimmten schematisch dargestellten Komponenten zeigt, wird die Er­ findung beispielsweise näher erläutert.

Ein Ausführungsbeispiel des Heißgaserzeugers ist in der Figur in Verbindung mit einem Turbinensystem mit einem Turbinenrad 10 gezeigt. Das Turbinenrad 10 wird von einer konventionellen Düse 12 mit Heißgasen beaufschlagt und dadurch angetrieben. Die Drehabtriebsleistung des Turbinen­ rads 10 wird einem konventionellen Getriebe 14 zugeführt, das eine Einheit wie z. B. einen Generator oder eine Pumpe, die schematisch bei 16 angedeutet sind, treibt.

Der Düse 12 wird Heißgas vom Auslaß 20 einer Verdampfungs­ kammer 22 zugeführt. Die Verdampfungskammer 22 ist einem Behälter 24 zugeordnet, der einen relativ engen Einlaß 26, einen relativ engen Auslaß 28 und einen relativ weiten vergrößerten Brennraum 30 dazwischen aufweist. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist der Behälter 24 relativ dick­ wandig, so daß er den im Betrieb einwirkenden Belastungen und Drücken standhalten kann.

An dem engen Einlaß 26 weist der Behälter 24 eine konven­ tionelle Brennstoffeinspritzdüse 32 auf, die Brennstoff durch eine Öffnung 34 in den Brennraum 30 preßt. Konzen­ trisch um die Brennstoffeinspritzdüse 32 ist ein ringför­ miger Oxidationsmitteleinleitkanal 36 vorgesehen. In dem Einleitkanal 36 sind an mehreren winkelmäßig beabstandeten Stellen Oxidationsmittel-Drallbleche 38 angeordnet, und ein geeignetes Oxidationsmittel wird dem ringförmigen Einleit­ kanal 36 z. B. über einen Oxidationsmittel-Einlaß 40 zuge­ führt. Das zum Oxidationsmittel-Einlaß 40 gelangende Oxi­ dationsmittel wird aus einem Oxidationsmittel-Behälter 42 zugeführt. Dabei kann es sich um irgendein Oxidationsmittel handeln, das zum Verbrennen von kohlenstoffhaltigem Brenn­ stoff, der der Brennstoffeinspritzdüse 32 von einem Brenn­ stoffvorrat 44 zugeführt wird, geeignet ist. Normalerweise, aber nicht ausschließlich, ist das Oxidationsmittel kom­ primierte Luft, komprimierte sauerstoffreiche Luft (deren Sauerstoffgehalt auf mehr als die üblichen 21% gesteigert ist) oder komprimierter Sauerstoff.

Ferner ist im System eine konventionelle Zündvorrichtung 46 vorgesehen, die zum Inneren des Brennraums 30 verläuft und das dort befindliche Gemisch aus Brennstoff und Oxidations­ mittel zündet.

Zumindest am radial äußersten Teil der Innenfläche 48 des Behälters 24 ist eine thermische Abschirmung 50 vorgesehen. Gemäß einer bevorzugten Ausbildung besteht die thermische Abschirmung 50 aus Keramik, die als eine Schicht auf die Innenfläche 48 des Behälters 24 aufgebracht ist. Erwünsch­ tenfalls kann die Keramikschicht 50 eine andere axiale Länge als die in der Figur gezeigte aufweisen. Beispiels­ weise könnte die axiale Länge der Schicht 50 größer gemacht werden.

Die Außenfläche 52 des Behälters 24 ist mit Rohren 54 um­ wickelt, die durch Hartlöten oder anderweitig in guten Wärmeübertragungskontakt mit der Außenfläche 52 verbunden sind.

Am Auslaß 28 ist eine in Axialrichtung verlaufende Aus­ trittsöffnung 56 vorgesehen. Bei der gezeigten Ausführungs­ form ist die Brennstoff-Austrittsöffnung 56 das Ende eines etwa J-förmigen Rohrs 58, das am Auslaß 28 aus dem Behälter 24 austritt. Erwünschtenfalls kann die Austrittsöffnung 56 auch das Ende eines Rohrs sein, das entlang der Achse des Behälters vollständig durch diesen bis zum Einlaßende 26 verläuft.

An der bzw. um die Austrittsöffnung 56 herum ist das Innere des Auslasses mit einer einen Venturiabschnitt bildenden Fläche 60 versehen. Der Auslaß 28 mündet dann in die Ver­ dampfungskammer 22, die irgendeine gewünschte Form oder eine der Formen nach der eingangs genannten US-PS haben kann.

Im Normalbetrieb wird Brennstoff aus der Brennstoff-Ein­ spritzdüse 32 in den Brennraum 30 gepreßt und von der Zünd­ vorrichtung 46 gezündet, während sich der Brennstoff mit Oxidationsmittel vermischt, das den eingepreßten Brennstoff wirbelnd umströmt und durch den Einleitkanal 36 eintritt. Bevorzugt wird zur Verhinderung des Auftretens heißer Flecken ein nicht vollständig stöchiometrisches Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel in den Brennraum 30 einge­ leitet, wobei ein Brennstoffüberschuß vorhanden ist, um sicherzustellen, daß das gesamte Oxidationsmittel im Inne­ ren des Brennraums 30 verbraucht wird.

Die Heißgase verlassen den Brennraum 30 durch den Auslaß 28. Zu verdampfender Brennstoff wird im Bereich der Ven­ turifläche 60 aus der Austrittsöffnung 56 in den Auslaß eingepreßt. Durch die hohe Geschwindigkeit am Auslaß 28, die durch die Ausbildung des Venturiabschnitts 60 resul­ tiert, ergibt sich ein gutes Vermischen und ein guter Wär­ meaustausch zwischen dem aus der Austrittsöffnung 56 aus­ tretenden Brennstoff und den Verbrennungsgasen, die den Brennraum 30 verlassen. Der Brennstoff brennt dabei nicht, weil das Oxidationsmittel vollständig verbraucht wurde, sondern er wird verdampft, wodurch das erzeugte Heißgas­ volumen wesentlich vergrößert wird. Dieses Verdampfen er­ folgt in der Verdampfungskammer 22 und verringert die Gas­ temperatur auf einen geeigneten Wert bei oder unter der maximalen Turbineneinlauftemperatur.

Die thermische Abschirmung 50 kann durch Aufsprühen auf die Wandung 48 gebildet werden, in jedem Fall hat sie die Funktion, die Wandung 48 vor der Hitze zu schützen, die durch die im Brennraum 30 stattfindende Verbrennung erzeugt wird. Gleichzeitig kann die radial innere Fläche 62 der thermischen Abschirmung 50 ständig eine hohe Temperatur aufweisen, die hinreichend hoch ist, um die Ablagerung von Kohlenstoff daran zu verhindern, die also ausreichend hoch ist, um Kohlenstoffansammlungen zu verhindern.

Um den Kohlenstoffaufbau weiter zu verhindern, wird der Behälter 24 im Bereich des Brennraums 30 durch ein die Rohre 54 durchströmendes Kühlmittel gekühlt. Wie bereits erwähnt, ist ein mögliches Kühlmittel Brennstoff, der im System zurückgehalten wird und nach Erwärmung infolge der Kühlung des Behälters 24 entweder durch die Brennstoffein­ preßdüse 32 oder durch die Brennstoffaustrittsöffnung 56 oder beide eingepreßt wird, um dadurch die Wärmeabfuhr zu minimieren und Energie zu konservieren. Durch Anordnen des Strömungswegs für das Kühlmittel auf der Außenfläche des relativ dickwandigen Behälters 24 wird eine ausreichende Kühlung des Behälters 24 erreicht, während gleichzeitig die Innenfläche 48 des Behälters und die von der thermischen Abschirmung 62 nicht geschützten Flächen weiter bei relativ hohen Temperaturen betrieben werden, um so den Kohlenstoff­ aufbau zu minimieren. Dies steht im Gegensatz zu einem System wie etwa demjenigen nach der genannten US-PS, bei dem die Kühlrohre im Behälterinneren angeordnet sind und somit zu relativ kühlen Flächen führen, die in nachteiliger Weise den Kohlenstoffaufbau unterstützen.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß ein Heißgaserzeuger nach der vorliegenden Erfindung sich ideal zum Einsatz auf solchen Gebieten eignet, auf denen die Er­ zeugung von Heißgas verlangt wird und ein Kohlenstoffaufbau unerwünscht ist. Insbesondere eignet sich der Heißgaser­ zeuger zur Verwendung in Turbinen, da die Ausschaltung von Kohlenstoffablagerungen zur Vermeidung von Erosion an Düse und Turbinenrad führt und eine mögliche Ursache für Pumpen ausschließt.

Claims (9)

1. Heißgaserzeuger,
gekennzeichnet durch
einen Behälter (24) mit einem engen Einlaßende (26), einem engen Auslaßende (28) und einem dazwischenliegenden relativ weiten Brennraum (30);
eine am Einlaßende (26) befindliche Vorrichtung (32) zur Einleitung eines zu verbrennenden kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in den Brennraum (30) im wesentlichen in Axial­ richtung des Behälters (24);
eine mit der Brennstoffeinleitungsvorrichtung (32) kon­ zentrische und sie umgebende Oxidationsmitteleinlaßöffnung (36);
eine Brennstoffaustrittsöffnung (56) am Auslaßende (28) zur Einleitung eines zu verdampfenden Brennstoffs in das Aus­ laßende (28), so daß dieser Brennstoff durch heiße Verbren­ nungsgase, die aus dem Brennraum (30) austreten, verdampft wird; und
eine thermische Abschirmung (50), die das Innere des Brenn­ raums (30) zumindest teilweise auskleidet und den Behälter vor übermäßiger Hitze infolge der Brennstoffverbrennung im Brennraum schützt, während sie gleichzeitig dem Brennraum (30) eine Fläche (62) präsentiert, die ständig mit ausrei­ chend hoher Temperatur zur Vermeidung von Kohlenstoffab­ lagerungen im Behälter betreibbar ist.

2. Heißgaserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Abschirmung (50) eine Keramikschicht auf der Innenfläche (48) des Behälters (24) im Brennraum (30) ist.

3. Heißgaserzeuger, gekennzeichnet durch
einen Behälter (24) mit einem engen Einlaßende (26), einem engen Auslaßende (28) und einem dazwischenliegenden relativ weiten Brennraum (30);
eine am Einlaßende (26) befindliche Vorrichtung (32) zur Einleitung eines zu verbrennenden kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in den Brennraum (30) im wesentlichen in Axial­ richtung des Behälters (24);
eine mit der Brennstoffeinleitungsvorrichtung (32) kon­ zentrische und sie umgebende Oxidationsmitteleinlaßöffnung (36);
eine Brennstoffaustrittsöffnung (56) am Auslaßende (28) zur Einleitung eines zu verdampfenden Brennstoffs in das Aus­ laßende (28), so daß dieser Brennstoff durch heiße Verbren­ nungsgase, die aus dem Brennraum (30) austreten, verdampft wird; und
Vorrichtungen (54) auf der Außenfläche (52) des Behälters, die eine Strömungsbahn für Brennstoff bilden, der als Kühl­ mittel für den Behälter wirkt, wobei diese Vorrichtungen den Behälter ausreichend kühlen, um eine Beschädigung des­ selben durch Hitze infolge der Brennstoffverbrennung im Brennraum (20) zu verhindern, während gleichzeitig die Innenfläche (48) des Behälters (24) ausreichend hohe Tem­ peraturen erreicht bzw. mit solchen betreibbar ist, um Koh­ lenstoffablagerungen im Behälter zu verhindern.

4. Heißgaserzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strömungsbahn definierenden Mittel Rohre (54) sind, die in gutem Wärmeübertragungskontakt mit der Außen­ fläche (52) um diese geführt sind.

5. Heißgaserzeuger, gekennzeichnet durch
einen Behälter (24) mit einem engen Einlaßende (26), einem engen Auslaßende (28) und einem dazwischenliegenden relativ weiten Brennraum (30);
eine am Einlaßende (26) befindliche Vorrichtung (32) zur Einleitung eines zu verbrennenden kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in den Brennraum (30) im wesentlichen in Axial­ richtung des Behälters (24);
eine mit der Brennstoffeinleitungsvorrichtung (32) kon­ zentrische und sie umgebende Oxidationsmitteleinlaßöffnung (36);
eine Brennstoffaustrittsöffnung (56) am Auslaßende (28) zur Einleitung eines zu verdampfenden Brennstoffs in das Aus­ laßende (28), so daß dieser Brennstoff durch heiße Verbren­ nungsgase, die aus dem Brennraum (30) austreten, verdampft wird;
eine thermische Abschirmung (50), die das Innere des Brenn­ raums (30) zumindest teilweise auskleidet; und
Vorrichtungen (54) auf der Außenfläche (52) des Behälters (24), die eine Strömungsbahn für Brennstoff bilden, der als Kühlmittel für den Behälter dient;
wobei die Kühlvorrichtungen (54) und die thermische Ab­ schirmung (50) eine Beschädigung des Behälters (24) infolge der aus der Brennstoffverbrennung im Brennraum (30) resul­ tierenden Hitze verhindern, während gleichzeitig im Behäl­ ter (24) eine Innenfläche (48) geschaffen ist, die bei hin­ reichend hohen Temperaturen betreibbar ist, so daß Kohlen­ stoffablagerungen im Behälter verhindert werden.

6. Heißgaserzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Abschirmung (50) eine Keramikschicht auf der Innenfläche (48) des Behälters (24) im Brennraum (30) ist.

7. Heißgaserzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strömungsbahn bildenden Vorrichtungen Rohre (54) sind, die in gutem Wärmeübertragungskontakt mit der Außenfläche (52) um diese geführt sind.

8. Heißgaserzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Abschirmung (50) eine Keramikschicht auf der Innenfläche (48) des Behälters (24) im Brennraum (30) ist und daß die die Strömungsbahn bildenden Vorrichtungen Rohre (54) sind, die in gutem Wärmeübertragungskontakt mit der Außenfläche (52) um diese geführt sind.

9. Heißgaserzeuger nach Anspruch 8 in Verbindung mit einem Turbinenrad, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälterauslaß (28) mit dem Turbinenrad (10) in Strömungsverbindung steht, um diesem Heißgas zum Antrieb zuzuführen.