DE576886C

DE576886C - Combustion chamber for internal combustion turbines

Info

Publication number: DE576886C
Application number: DE1930576886D
Authority: DE
Original assignee: OTTO SCHEPP DIPL ING
Current assignee: OTTO SCHEPP DIPL ING
Priority date: 1930-12-06
Filing date: 1930-12-06
Publication date: 1933-05-20

Description

Verbrennungskammer für Brennkraftturbinen Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskammer für Brennkraftturbinen mit zusammengefaßtem Verbrennungs- und Düsenvorraum und mit diese beiden Räume vollständig umschließendem, gemeinsamem Doppelmantel, durch den die Luft vor der Verbrennung , in zweifachem Gegenstrom zieht.Combustion Chamber for Internal Combustion Turbines The invention relates to on a combustion chamber for internal combustion turbines with combined combustion and nozzle vestibule and with these two spaces completely enclosing, common Double jacket, through which the air before combustion, in double countercurrent pulls.

Die Verbrennungskammer dient dazu, Luft und Brennstoff - die beide unter Druck stehen - in solcher Mischung zusammenzuführen, daß das durch die Verbrennung entstehende Gasgemisch unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung von Leitungen, Kanälen, Kühlvorrichtungen oder Absperrorganen, in die Düsen und Schaufeln der Turbine übertreten und dort Arbeit leisten kann.The combustion chamber serves to hold air and fuel - both of them are under pressure - to be brought together in such a mixture that that by combustion resulting gas mixture directly, d. H. without interconnection of lines, Channels, cooling devices or shut-off devices, in the nozzles and blades of the turbine can trespass and do work there.

In dieser Beschreibung wird mit dem Ausdruck Verbrennungskammer die ganze Vorrichtung, mit dem Ausdruck Verbrennungsraum der Teil der Vorrichtung, in dem die Verbrennung vor sich geht, und mit Düsenvorraum der vor den Düsen liegende Raum bezeichnet.In this specification, the term combustion chamber is used to denote the whole device, with the expression combustion chamber the part of the device in the combustion is taking place, and with the nozzle antechamber the one in front of the nozzles Designated space.

Da im Verbrennungsraum zu gleicher Zeit `hohe Drücke und hohe Temperaturen herrschen, bestehen konstruktive Schwierigkeiten für die Gestaltung seiner Umwandung. Wassergekühlte Wandflächen können nicht verwendet werden, da die zur. ausreichenden Kühlung der heißesten Stelle der Maschine nötige Wärmeabfuhr dann so groß wird, daß sie zu einem unwirtschaftlichen Brennstoffverbrauch führt.Since in the combustion chamber `high pressures and high temperatures at the same time prevail, there are constructive difficulties for the design of its conversion. Water-cooled wall surfaces cannot be used as the. sufficient Cooling of the hottest point of the machine, the heat dissipation required is so great that that it leads to inefficient fuel consumption.

Man hat zur Behebung dieser Schwierigkeit schon vorgeschlagen, den Verbrennungsraum mit mehreren Wänden zu umgeben, von denen die inneren, der Einwirkung des Druckes möglichst entzogen, den hohen Temperaturen standhalten können, während die äußere, der Einwirkung der hohen Temperatur möglichst entzogen, den Druck aufzunehmen vermag. Diese zunächst einfach aussehende Konstruktion birgt dennoch Schwierigkeiten in sich. Es erwärmen sich nämlich die inneren Wände an einzelnen Stellen so weit, daß sie durch Strahlung lokale Erwärmungen der Außenwände hervorrufen können, welche die Maschine gefährden. Diese Gefährdungen zu vermeiden, ist der Hauptzweck der Erfindung.It has already been proposed to remedy this problem that the Combustion chamber surrounded by several walls, the inner of which, the action The pressure is removed as much as possible, can withstand the high temperatures while the external one, as far as possible withdrawn from the effects of the high temperature, to absorb the pressure able. This construction, which initially looks simple, nevertheless harbors difficulties in itself. Namely, the inner walls heat up in individual places so much that they can cause local heating of the outer walls by radiation, which endanger the machine. Avoiding these hazards is the main purpose of the Invention.

Die Erfindung besteht darin, daß die gesamte Luft der Verbrennungskammer an einem Ende, und zwar an dem heißeren, zentral zugeführt wird und daß die Luftzuführung die Brennstoffzuführung allseitig umgibt.The invention consists in that all the air in the combustion chamber at one end, namely at the hotter one, is supplied centrally and that the air supply surrounds the fuel supply on all sides.

Ferner ist mit den bisher bekanntgewordenen Vorschlägen, bei denen die Verbrennungsgase unmittelbar aus der Verbrennungskammer in die Düse strömen, der Übelstand verbunden, daß für jede einzelne Expansionsdüse eine besondere, nur diese eine Düse beschickende Verbrennungskammer nötig ist. Daraus folgt, daß die Leistung, die mit einer Verbrennungskammer erzielt werden kann, verhältnismäßig gering ist. Um nun zu einer Turbine mit einer einigermaßen großen Leistung zu kommen, hat man bisher in Aussicht genommen, für ein Turbinenlaufrad eine mehr oder minder große Zahl von Verbrennungskammern kreisförmig um die Turbinenachse anzuordnen. Das führt zu einer vielteiligen Maschine, die in der Herstellung teuer ist, bei der die Regulierung umständlich wird und deren Betrieb unbequem ist. Alle diese Nachteile sollen bei vorliegender Erfindung dadurch vermieden werden, daß eine Mehrzahl von Düsen von einer einzigen Verbrennungskammer beschickt wird.Furthermore, with the proposals that have become known so far, in which the combustion gases flow directly from the combustion chamber into the nozzle, the disadvantage associated with that for each individual expansion nozzle one special, only this one nozzle feeding combustion chamber is necessary. From it it follows that the performance that can be achieved with a combustion chamber is proportionate is low. In order to arrive at a turbine with a reasonably high output, has hitherto been considered, more or less for a turbine runner large number of combustion chambers to be arranged in a circle around the turbine axis. This results in a multi-part machine that is expensive to manufacture which makes regulation cumbersome and inconvenient to operate. All these Disadvantages are to be avoided in the present invention that a plurality is fed by nozzles from a single combustion chamber.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Verbrennungskammer nach der Erfindung im Längsschnitt schematisch dargestellt. Sie besteht im wesentlichen aus drei konzentrisch zueinander liegenden Räumen, von denen im folgenden der äußerste als Mantelraum, der innerste als Innenraum und der dazwischenliegende als Zwischenraum bezeichnet ist. Der Innenraum setzt sich wieder aus drei Räumen zusammen, die ohne irgendwelche Abgrenzung ineinander übergehen und von oben nach unten aufeinanderfolgen: der Mischraum f, der Verbrennungsraum 1a und der Düsenvorraum h'.In the drawing is an embodiment of a combustion chamber according to the invention shown schematically in longitudinal section. It essentially consists of three concentric rooms, of which the following is the outermost one as a shell space, the innermost as an interior space and the one in between as a space in between is designated. The interior is again composed of three rooms, the one without any delimitation merge into one another and follow one another from top to bottom: the mixing chamber f, the combustion chamber 1a and the nozzle antechamber h '.

Das Gehäuse a des Innenraumes wird von zwei Wänden b und c zentrisch umgeben. Die Luft wird durch den Stutzen d zugeführt, welcher sie in den durch die Wände b und c gebildeten Mantelraum hineinleitet. Sie durchströmt diesen von oben nach unten und tritt dann in den Zwischenraum zwischen ca und b über. In letzterem steigt sie wieder nach oben und gelangt in den Mischraum f, wo sie mit dem durch das Rohr g zugeführten Brennstoff zusammentrifft. (Die bei k gezeichnete Unterbrechung der Innenwand a ist zunächst wegzudenken; sie wird später besprochen.) Im Mischraum beginnt die Verbrennung, und die sich bildende Flamme reicht ein kürzeres oder längeres Stück in den Verbrennungsraum la hinein. Dieser wieder geht an seinem unteren Ende unmittelbar in den Düsenvorraum 1ä über, aus welchem die Gase ebenfalls unmittelbar in die Expansionsdüsen i der Turbine und in deren sich daran anschließende Schaufeln übertreten.The housing a of the interior is centered by two walls b and c surround. The air is supplied through the nozzle d, which it into the through the Walls b and c led into shell space formed. It flows through it from above down and then passes into the space between ca and b. In the latter it rises up again and arrives in the mixing room f, where it passes through with the the pipe g supplied fuel meets. (The interruption drawn at k the inner wall a is initially to be imagined; it will be discussed later.) In the mixing room the combustion begins, and the flame that forms lasts a shorter or longer one Piece into the combustion chamber la. This again goes at its lower end directly into the nozzle vestibule 1ä, from which the gases also directly into the expansion nozzles i of the turbine and their adjoining blades trespass.

Die Luft umfließt also vor dem Eintritt in den Innenraum diesen in doppeltem Gegenstrom. Sie strömt, allgemein gesprochen, von außen nach innen, d. h. der aus dem Verbrennungsraum nach außen abströmenden Verlustwärme entgegen. Sie erwärmt sich auf diesem ganzen Wege dauernd; im Mantelraum fließt daher die kälteste Luft. Die Wärmeübertragung auf die Außenwand c bzw. d durch Leitung ist infolgedessen so gering wie möglich, da diese Wand nur mit der kältesten Luft in Berührung kommt. Gegen die Wärmeübertragung durch Strahlung auf die Außenwand c bzw. d bieten die beiden Wände a und b und der zwischen ihnen liegende Zwischenraum genügenden Schutz. Dies trifft allerdings nur für einen Teil, wenn auch den bei weitem größeren Teil der Außenwand c bzw. d zu. Oben und unten ist es nicht der Fall. Denn oben wird die Außenwand nicht zweifach, sondern allein durch die Haube des Mischraums f, unten allein durch den Boden von d abgedeckt. Hier liegen also die Stellen, an denen die Außenwand gefährdet ist.The air flows around it in double countercurrent before it enters the interior. Generally speaking, it flows from the outside to the inside, ie counter to the heat loss flowing out of the combustion chamber. It is constantly warming up all this way; The coldest air therefore flows in the shell space. As a result, the heat transfer to the outer wall c or d by conduction is as low as possible, since this wall only comes into contact with the coldest air. The two walls a and b and the space between them offer sufficient protection against the transfer of heat by radiation to the outer wall c or d. However, this only applies to a part, even if the far larger part of the outer wall c or d. It is not the case above and below. Because at the top the outer wall is not covered twice, but solely by the hood of the mixing space f, and at the bottom solely by the floor of d. So here are the places where the outer wall is at risk.

Die Haube f ist der Wärmeaufnahme sehr stark und besonders deswegen ausgesetzt, weil sie sehr dicht an der Brennstelle liegt. Ihre Temperatur muß so niedrig gehalten werden, daß die von ihr ausgehende Wärmestrahlung die gegenüberliegenden Partien der Außenwände c bzw. d nicht gefährdet. Zu diesem Zweck wird die eintretende Luft, die im Stutzen d in die Achsenrichtung umgelenkt ist, zuerst gegen die Mitte, das Zentrum der Haube f, geführt (wenn man von der verhältnismäßig kleinen Fläche; die die Brennstoffzuführung beansprucht, absieht). Die Luft fließt dann an der Haube f, sich vom Zentrum nach allen Seiten gleichmäßig verteilend, weiter. Diese zentrale Luftzuführung bewirkt eine so energische Kühlung der Haube f, daß sich ihre Temperatur auf mittlerer Höhe hält und daß die von ihr ausgehende Wärmestrahlung soweit herabgesetzt wird, daß keine Gefahr mehr für die gegenüberliegenden Teile der Außenwand besteht.The hood f is very strong and exposed to heat absorption because it is very close to the burning point. Its temperature must be kept so low that the heat radiation emanating from it does not endanger the opposite parts of the outer walls c or d. For this purpose, the incoming air, which is deflected in the axial direction in the connector d, is first guided towards the center, the center of the hood f (if one disregards the relatively small area that is required by the fuel supply). The air then flows on the hood f, spreading evenly from the center to all sides. This central air supply causes such an energetic cooling of the hood f that its temperature is kept at a medium level and that the heat radiation emanating from it is reduced to such an extent that there is no longer any danger for the opposite parts of the outer wall.

Für das untere Ende der Verbrennungskammer kommt der Schutz gegen die Wärmestrahlung auf andere Weise zustande. Der untere Boden von a liegt bedeutend weiter vom Verbrennungsraum h entfernt als die Haube f. Daher ist seine Wärmeaufnahme durch Strahlung von der Flamme her bedeutend geringer. Außerdem bewirkt der durch die Verbindung k fließende Luftstrom, wenn diese weiter unten besprochene Verbindung vorgesehen ist, daß im Düsenvorraum li eine bedeutend tiefere Temperatur herrscht als im Mischraum f und im Verbrennungsraum h. Infolgedessen ist auch die Wärmeaufnahme des Bodens durch Leitung bedeutend geringer. Hinzu kommt noch, daß sich die Gase im unteren Teil des Düsenvorraumes h' zwischen der letzten Düse und dem Boden in Ruhe befinden, was auch die Wärmeübertragung durch Leitung herabsetzt. Aus allen diesen Ursachen bleibt die Temperatur des Bodens von a so niedrig, daß durch Weiterstrahlung von ihm aus keine Gefährdung des Bodens von c eintritt.For the lower end of the combustion chamber, protection against thermal radiation is achieved in a different way. The lower floor of a is significantly further away from the combustion chamber h than the hood f.Therefore, its heat absorption by radiation from the flame is significantly lower. In addition, the air flow flowing through the connection k, if this connection discussed further below is provided, that a significantly lower temperature prevails in the nozzle antechamber li than in the mixing chamber f and in the combustion chamber h. As a result, the heat absorption of the ground through conduction is significantly lower. In addition, the gases in the lower part of the nozzle antechamber h 'between the last nozzle and the floor are at rest, which also reduces the heat transfer by conduction. For all these reasons, the temperature of the soil at a remains so low that radiation from it does not endanger the soil at c.

Zusammengefaßt ergibt sich folgendes: die Innenwände a und b sind von jedem Druck entlastet; bei richtiger Materialwahl bleibt es gleichgültig, wie hoch ihre Temperatur ansteigt. Die Außenwand c bzw. d bleibt kühl und ist daher in der Lage, die Beanspruchungen, die ein innerer Überdruck hervorruft, mit Sicherheit aufzunehmen. Auch die Wärmeverluste nach außen bleiben gering und lassen sich leicht durch äußere Isolierung der Außenwand c und des Stutzens d in erträglichen Grenzen halten.In summary, the following results: the inner walls are a and b relieved of any pressure; with the right choice of material, it does not matter how high their temperature rises. The outer wall c or d remains cool and is therefore able to withstand the stresses caused by internal overpressure to record. The heat losses to the outside also remain low and can be easily removed by external insulation of the outer wall c and the socket d within tolerable limits keep.

Der Verbrennungskammer wird -von den soeben erwähnten geringen Wärmeverlusten abgesehen - keine Wärme entzogen. Es wird kein Kühlmittel irgendwelcher Art angewendet, insbesondere kein Kühlmantel, in welchem ein Kühlmittel (Wasser) umläuft; es werden auch keine Gase mit niedriger Temperatur zugemischt; es wird auch kein Kühlwasser oder Wasserdampf eingespritzt. Sowohl der gesamte Inhalt an Wärme, den Luft und Brennstoff in die Verbrennungskammer mitbringen, wie die ganze Wärme, die bei der Verbrennung entsteht, bleiben den Gasen bis zu ihrem Eintritt in die Expansionsdüsen der Turbine i erhalten. Denn die Wärme, die den Gasen während und nach der Verbrennung auf ihrem Wege durch die Räume f, h und h' durch die Innenwände a und b verlorengeht, wird an die zuströmende Luft abgegeben und mit dieser dem Innenraum wieder zugeführt. Im Inneren der Verbrennungskammer findet also ein dauernder Kreislauf einer ganz bestimmten Wärmemenge statt, ohne an dem Resultat etwas zu ändern, daß der Wärmeinhalt der Gase bei ihrem Eintritt in die Turbinendüsen i gleich der Summe aus der durch die Verbrennung entstehenden Wärme und aus den mit Luft und Brennstoff zugeführten Wärmen ist.Apart from the low heat losses just mentioned, no heat is extracted from the combustion chamber. No coolant of any kind is used, in particular no cooling jacket in which a coolant (water) circulates; no low-temperature gases are mixed in either; no cooling water or steam is injected either. Both the entire content of heat that air and fuel bring with them into the combustion chamber, as well as all of the heat generated during combustion, are retained by the gases until they enter the expansion nozzles of turbine i. This is because the heat that the gases lose during and after the combustion on their way through the rooms f, h and h ' through the inner walls a and b is given off to the incoming air and returned to the interior with it. Inside the combustion chamber there is a constant circulation of a very specific amount of heat, without changing anything in the result that the heat content of the gases when they enter the turbine nozzles i is equal to the sum of the heat generated by the combustion and that with air and heat supplied to fuel.

Nach der Erfindung ist weiterhin an der Stelle 1z eine Verbindung vom -Zwischenraum zum Innenraum geschaffen. Hier teilt sich die Luft in zwei Ströme. Der eine geht, wie beschrieben, im Zwischenraum weiter aufwärts nach dem Mischraum f; der andere tritt, wie die Pfeile bei k andeuten, hier direkt in den Düsenvorraum über. Wie diese Verbindung hergestellt wird, ob einfach durch Unterbrechen der Innenwand a, wie in der Figur bezeichnet, oder in anderer Weise, ist an und für sich gleichgültig. Wesentlich ist, daß die richtige Luftverteilung auf beiden Wegen erreicht und daß diese Verbindung an der richtigen Stelle angebracht wird. Sie muß eine gewisse Strecke oberhalb der ersten Düse liegen; andererseits inuß sie vom Mischraum- f so weit entfernt sein, daß bei ihr die Verbrennung ganz oder wenigstens fast ganz beendet ist.According to the invention, there is also a connection at point 1z created from the intermediate space to the interior. Here the air divides into two streams. One of them goes, as described, in the gap further upwards to the mixing room f; the other steps, as the arrows at k indicate, directly into the nozzle antechamber above. How this connection is made, whether simply by breaking the inner wall a, as indicated in the figure, or in some other way, is in and of itself indifferent. It is essential that the correct air distribution is achieved in both ways and that this connection is made in the right place. It has to go a certain distance lie above the first nozzle; on the other hand, it has to be so far from the mixing space be removed from the fact that with her the combustion ends completely or at least almost completely is.

Diese Verbindung k vom Zwischenraum zum Innenraum hat folgende Wirkungen: In bezug auf die Luft auf ihrem Wege vom Eintritt bei d bis zur Stelle k ändert sich gegenüber der früheren Darstellung nichts; desgleichen ändert sich nichts in bezug auf die Gase im Innenraum auf der Strecke von k bis i. Die dazwischenliegende Strecke von k im Zwischenraum aufwärts durch den Mischraum f und abwärts durch den Verbrennungsraum h, bis die Stelle k wieder erreicht ist, wird von einer kleineren Luftmenge durchströmt. Daher ist auf dieser Strecke die Luftgeschwindigkeit geringer, die Temperatur aber höher als früher. Denn die bei der Verbrennung freu werdende Wärmemenge, die unverändert bleibt, verteilt sich auf eine kleinere Luftmenge. - Mit Hilfe der Verbindung k läßt sich also einerseits die Geschwindigkeit bei f so weit herabsetzen, daß die Zündgeschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches nicht überschritten wird, andererseits die Temperatur bei f so weit steigern, daß die Entflammungstemperatur nicht unterschritten wird: Nur eine Grenze ist hierbei gegeben; es muß unbedingt dem Raum f die zur vollständigen Verbrennung nötige Luftmenge zugeführt werden.This connection k from the space to the interior has the following effects: With respect to the air changes on its way from entry at d to point k nothing compared to the earlier presentation; likewise nothing changes in with respect to the gases in the interior on the route from k to i. The one in between Distance from k in the space upwards through the mixing space f and downwards through the Combustion chamber h, until point k is reached again, is covered by a smaller one Air flow through. Therefore, the air speed is lower on this route, but the temperature is higher than before. Because the one that becomes joyful during the combustion The amount of heat that remains unchanged is distributed over a smaller amount of air. - With the aid of the connection k, on the one hand, the speed at f so reduce the ignition speed of the fuel-air mixture far enough is exceeded, on the other hand, increase the temperature at f so much that the The temperature does not fall below the ignition temperature: There is only one limit here; it is essential that space f is supplied with the amount of air necessary for complete combustion will.

In der Zeichnung sind am Düsenvorraum h' eine Reihe Düsen winklig zur. Längsachse und mit seitlichem Austritt angedeutet. Die Beschauflung der Turbine ist unmittelbar an den Düsenaustritt anschließend zu denken. Diese seitliche Anordnung der Düsen ermöglicht es, an einer einzigen Verbrennungskammer eine Mehrzahl von Düsen anzuordnen und dadurch eine hohe Beaufschlagung des Turbinenrades zu erzielen.In the drawing, a row of nozzles are angled at the nozzle vestibule h ' to the. Longitudinal axis and indicated with a side exit. The blading of the turbine think of the nozzle outlet immediately afterwards. This lateral arrangement of the nozzles allows a plurality of Arrange nozzles and thereby achieve a high loading of the turbine wheel.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Combustion chamber for internal combustion turbines with combined combustion and nozzle vestibule and with these two rooms completely surrounding, common double jacket through which the air flows in double countercurrent draws, characterized in that all the air in the combustion chamber at one End, namely at the hotter one, is fed centrally and that the air feed surrounds the fuel supply on all sides. z. Combustion chamber according to claim i, characterized in that the entire air after flowing through the jacket space is guided in the gap along the nozzle antechamber and then partly in the gap at the combustion chamber along and then flows into it, partly passes directly into the nozzle antechamber without flowing through the combustion chamber. 3. Combustion chamber according to claim r, characterized in that a plurality of nozzles is arranged at an angle to the longitudinal axis of the nozzle vestibule, which is laterally lead out of this.