DE756395C - Gasturbine mit Brennkammer - Google Patents

Gasturbine mit Brennkammer

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DE756395C
DE756395C DEB184061D DEB0184061D DE756395C DE 756395 C DE756395 C DE 756395C DE B184061 D DEB184061 D DE B184061D DE B0184061 D DEB0184061 D DE B0184061D DE 756395 C DE756395 C DE 756395C
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DE
Germany
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air
fuel
gas turbine
combustion
combustion chamber
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Expired
Application number
DEB184061D
Other languages
English (en)
Inventor
Georg Dr Boll
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BROWN
Original Assignee
BROWN
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Publication date
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Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F23R3/02Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • 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
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/08Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Description

  • Gasturbine mit Brennkammer Es sind Gasturbinen bekannt, die mit den in einer Brennkammer durch Verbrennung des Brennstoffes mit Luft erzeugten heißen Verbrennungsgasen beschickt werden. Diese Verbrennungsgase haben bei ihrem Austritt aus der Brennkammer so hohe Temperaturen, daß die Gasturbine, insbesondere die Schaufeln derselben, zerstört würden, wenn man sie unmittelbar mit diesen Verbrennungsgasen beaufschlagen würde und wenn man in der Brennkammer nur mit mäßigem Luftüberschuß arbeiten würde, wie er z. B. bei Dampfkesselfeuerungen gebräuchlich ist. Um eine für den Baustoff der Gasturbine erträgliche Temperatur der Verbrennungsgase zu erreichen, muß mit außergewöhnlich hohem Luftüberschuß gearbeitet werden, d. h. die Verbrennungsgase müssen mit einer etwa vier- bis fünffach größeren Luftmenge gemischt werden.
  • Wenn als Brennstoff für den Betrieb der Gasturbine brennbares Gas, z. B. Hochofengas, angewendet wird, so kann bei geeigneter Formgebung des Brenners eine Flamme erzielt werden, bei welcher alle brennbaren Teile des Gases vollständig verbrennen, obgleich die Flamme inmitten der gegenüber den Verbrennungsgasen vier- bis fünfmal größeren und verhältnismäßig kühlen Zusatzluftmenge brefint. Es ist ferner bekannt, bei der Benutzung von festen Brennstoffen, z. B. bei Kohle, ähnliche Verhältnisse zu schaffen dadurch, daß der b'remistoff zunächst in einem Gaserzeuger in Gas umgewandelt wird. Die Verwendung solcher Gaserzeuger ist aber, vor allem wenn es sich um den Durchsatz großer Brennstoffmengen und die Erzeugung großer Leistungen handelt, mit mancherlei Schwierigkeiten verbunden, so daß es vorzuziehen ist, die Kohle in Form von Kohlenstaub unmittelbar zu verbrennen. Ähnliches gilt für eine Ölfeuerung. In diesem Fall ist es nicht ohne weiteres möglich, der Flamme sogleich den großen Luftüberschuß zuzuführen, ohne das vollständige Ausbrennen der einzelnen Brennstoffteile zu gefährden (starke Rauchentwicklung). Es ist weiterhin bekannt, in solchen Fällen der Brennkammer zunächst nur einen mäßigen Luftüberschuß zuzuführen, ähnlich wie er bei Dampfkesselfeuerungen üblich ist, so daß die Teile des Brennstoffes Gelegenheit haben, in einem verhältnismäßig heißen Raum vollständig auszubrennen, bevor sie mit der Hauptmenge der Zusatzluft in Berührung kommen. Eine solche Trennung von Brennraum und Mischraum bringt jedoch wiederum Schwierigkeiten mit sich, insofern, als die Wandung des Brennraumes verhältnismäßig hohe Temperaturen aushalten muß, was ihre Lebensdauer beeinträchtigt.
  • Nimmt eine aus Eisen hergestellte Brennkammerwand hohe Temperaturen an, dann wird sie infolge der ständig daran vorbeistreichenden sauerstoffhaltigen Brennluft schnell verzundern. Außerdem wird sie sich leicht verziehen und ihre Form ändern, so daß die Luftströmung nicht mehr einwandfrei geführt wird. Denn wie die Erfahrung zeigt, bilden sich an derartigen Wänden aus Eisen unter dem Einfluß der Hitze beulenartige Vertiefungen und Erhöhungen, in denen Luftsäcke oder Wirbel stehenbleiben und die von der Kühlluft nicht ausreichend bespült werden. Diese Ausbiegungen leiden daher besonders unter mangelhafter Kühlung. Brennkammerwände, die zu heiß werden, setzen in der Regel Schlacken in flüssigem Zustand an, wodurch sie chemisch zerstört werden.
  • Die Gefährdung der Brennkammerwände ist um so größer, je mehr Wärme ihnen durch Strahlung aus der Flamme zugeführt wird. Die Wärmeabstrahlung von Flammen ist je nach der Art des Brennstoffes verschieden. Insbesondere haben Flammen fester Brennstoffe, z. B. Kohlenstaubflammen, eine hohe Wärmeabstrahlung, aber auch einige Ölflammen, z. B. eine 1llasutflamme, und einige Gasflammen, z. B. eine Methanflamme, strahlen stark, so daß auch bei diesen Brennstoffen häufig die vorgenannten Schwierigkeiten auftreten.
  • Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten wird nach der vorliegenden Erfindung in den Brennraum die ganze zur @Terbrennung und zur Erzeugung der gewünschten Gastemperatur notwendige Luftmenge eingeführt, wobei die gesamte Luft in mehrere Mäntel verschiedenen Zustandes unterteilt ist, die den Brennstoff umgeben und die durch ihren Strömungszustand ohne Zwischenschaltung von festen Wänden getrennt gehalten werden. Diese Mäntel unterscheiden sich entweder durch ihre Temperatur oder die Bewegungsrichtung oder Geschwindigkeit der in ihnen befindlichen Luft oder durch mehrere dieser Merkmale gleichzeitig.
  • Insbesondere soll die Wolke des eingeblasenen Brennstoffes zunächst von einem Mantel von möglichst gut vorgewärmter Luft umgeben werden und die zur Herstellung der geeigneten Temperatur erforderliche Menge der Kühlluft erst außerhalb dieses Luftmantels zugeführt werden. Hierbei wird die Verbrennungsflamme im wesentlichen an dem Saum zwischen der Brennstoffwolke und dem ersten vorgewärmten Luftmantel brennen, so daß eine übermäßige Abkühlung der einzelnen Brennstoffteile und eine Gefährdung der vollständigen Verbrennung vermieden wird. Eine richtige Führung der einzelnen Luftmäntel unter Vermeidung vorzeitiger Mischung wird insbesondere nach der Erfindung dadurch erreicht, daß man den einzelnen Luftmänteln eine verschiedene Bewegung erteilt, wobei der Brustwinkel der Strömungsrichtungen vorzugsweise verschieden ist. Man kann den Luftmänteln durch geeignete Form der Zuführungsdüsen von vornherein eine Drehbewegung um die Brennerachse erteilen.
  • Haben die Luftmäntel alle die gleiche Drehrichtung, dann entsteht. ein Luftwirbel, in dem z. B. die Drehgeschwindigkeit proportional dem Radius verteilt sein kann, d. h. nach dem Gesetz des idealen Wirbels. Da die Kühlluft vermöge ihrer niedrigen Temperatur ein erheblich größeres spezifisches Gewicht hat als die heißen Gase, die bei der Verbrennung im Kern des Wirbels entstehen, wird die Kühlluft durch Fliehkraft an den Wänden der Brennkammer gehalten werden und nicht vorzeitig in die Flamme eintreten. Hierdurch wird der Erfindung entsprechend vermieden, daß der Verbrennungsvorgang durch vorzeitige Beimischung der Kühlluft gestört wird. Eine zweckmäßige Anordnung wäre z. B.
  • a) keine oder nur geringe Drehung für die Brennstoffwolke oder das Brennstoff-Erstluft-Gemisch; bi geringe oder von a) abweichende Drehbewegung des Mantels der zusätzlichen Verbrennungsluft; c) schnelle, mit b) gleichsinnig verlaufende Drehung des Kühlluftmantels.
  • Um die Verbrennung besonders gut zu sichern, wird ferner vorgeschlagen, den die Brennstoffwolke unmittelbar umgebenden Luftmantel dadurch vorzuwärmen, daß in an sich bekannter Weise die heißen aus der Gasturbine austretenden Abgase verwendet werden.
  • Die Abbildung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • i bedeutet einen Luftverdichter, der durch einen Motor :2 angetrieben wird. Der Luftverdichter liefert die Druckluft nach der Brennkammer 3, und zwar einerseits über die Leitung 5 nach einer Luftkammer, aus der die Luft durch die Düsen 7 in die Brennkammer austritt. Diese Düsen sind so gestellt, daß die Luft einen Drall erhält und als äußerer Luftmantel dient. Der andere Weg von dem Verdichter i führt über den Vorwärmer q. durch die Leitung 6 nach den Düsen 8, welche ebenfalls einen Luftmantel in die Brennkammer 3 entsenden mit einer Drehbewegung, die von derjenigen des äußeren Luftmantels verschieden ist. Durch die Leitung 9 wird der Brennstoffdüse io Brennstoff in gasförmigem oder in flüssigem Zustand oder staubförmiger Brennstoff mit verdichteter Förderluft zugeführt, wobei die Düse io dem Brennstoffstrahl ebenfalls einen Drall erteilt. Die heißen Abgase, bestehend aus den Verbrennungsgasen und dem durch diese Düsen 7 und 8 zugeführten Luftüberschuß treten aus der Brennkammer durch die Leitung i i in die Gasturbine 12 ein und geben dort eine Leistung über die Kupplung zwischen der Gasturbine 12 und dem Verdichter i an letzteren ab. Der Motor :2 kann beim Antrieb des Verdichters i durch die Gasturbine entweder abgekuppelt oder als Stromerzeuger weiter betrieben werden. Es kann auch zur Erzeugung von Nutzleistung ein besonderer Stromerzeuger an die Welle der Gasturbine 12 angekuppelt werden.
  • Die Abgase der Turbine z2 treten durch die Leitung 13 in den Vorwärmerq. und geben dort ihre Wärme an die Verbrennungsluft in der Leitung 6 ab. Die abgekühlten Verbrennungsgase treten dann durch die Leitung 14 ins Freie. Das auf der Zeichnung dargestellte Beispiel zeigt zwei sich drehende Luftmäntel in der Brennkammer 3, welche die an der Düse io sich bildende Flamme umgeben. Es kann durch entsprechende Zuführung von Druckluft und die Ausbildung einer entsprechenden Anzahl Luftkammern mit konzentrisch angeordneten Düsen eine beliebige Anzahl Luftmäntel um die Flamme gelegt werden, die sich durch die Luftgeschwindigkeit oder durch die Bewegungsrichtung der Luft in ihnen unterscheiden. Die Verbrennung wird dadurch nicht behindert, und die Gase besitzen am Auslaß der Brennkammer eine für den Betrieb einer Gasturbine genügend herabgesetzte Temperatur.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Gasturbine für Gleichdruckverbrennung mit einer Brennkammer, der verdichtete Verbrennungsluft und fester Brennstoff in Staubform mit verdichteter Förderluft oder flüssiger Brennstoff oder verdichteter gasförmiger Brennstoff zugeführt wird urid wobei in den Brennraum die ganze zur Verbrennung und zur Erzeugung der gewünschten Gastemperatur notwendige Luftmenge eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte: Luft den Brennstoff in mehreren Mänteln verschiedenen Zustandes umgibt, die ohne Zwischenschaltung von festen Wänden durch ihren Strömungszustand getrennt gehalten werden.
  2. 2. Gasturbine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in den verschiedenen Luftmänteln verschiedene, insbesondere um die Brennerachse drehende Geschwindigkeiten vorhanden sind.
  3. 3. Gasturbine nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Brennstoff zunächst umgebende Mantel aus vorgewärmter Luft besteht. Gasturbine nach den Ansprüchen i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß außer den den Brennstoff umgebenden Luftmänteln noch eine weitere regelbare Luftmenge beigemischt ist, die zur Regelung der Eintrittstemperatur der Gase in die Gasturbine dient. ZurAbgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: Deutsche Patentschriften Nr. 203772, 339 590, 469 899, 553 576, 651 813.
DEB184061D 1938-07-28 1938-07-28 Gasturbine mit Brennkammer Expired DE756395C (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1049157B (de) * 1956-08-10 1959-01-22 Ernst Heinkel Fahrzeugbau G M Brenn- oder Mischkammer mit Rueckstroemung, insbesondere fuer Strahltriebwerke und Gasturbinen

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE203772C (de) *
DE339590C (de) * 1919-10-04 1921-07-29 Conrad Kohler Verfahren zum Betriebe von Verbrennungsturbinen mit mehreren Druckstufen
DE469899C (de) * 1926-11-10 1928-12-28 Conrad Kohler Mehrstufige Brennkraftturbine
DE553576C (de) * 1932-06-27 Georg Mangold Dr Ing Brennkraftturbine mit offener Brennkammer
DE651813C (de) * 1935-06-29 1937-10-20 E H Hans Holzwarth Dr Ing Verfahren und Vorrichtung zum Betriebe mit gasfoermigen Brennstoffen beschickter Verpuffungskammern

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