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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Abbildung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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.
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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.