DE857709C

DE857709C - Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen von pulverfoermigem Brennstoff

Info

Publication number: DE857709C
Application number: DEP3855A
Authority: DE
Inventors: Hans August Havemann
Original assignee: Power Jets Research and Development Ltd
Current assignee: Power Jets Research and Development Ltd
Priority date: 1948-09-15
Filing date: 1950-09-30
Publication date: 1952-12-01
Also published as: BE491020A; GB653289A

Description

Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen von pulverförmigem Brennstoff Die 1?rfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Verbrennen von pulverförmigem Brennstoff, insbesondere mittels Zuführung des Brennstoffs zu einer Verbrennungskammer im allgemeinen, und eignet sich hauptsächlich für Verbrennungseinrichtungen für Gasturbinen und Strahltriebwerke. Die Erfindung ist allgemein in solchen Fällen anwendbar, bei denen die Verbrennung durch einen schnell bewegten Arheitsmittelstrom (im nachfolgenden als Luftstrom bezeichnet) bewirkt wird, und ein NZerkmal der Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Verbrennen von festen, pulverförmigen Brennstoffen in einer dafür geeigneten Form. Der Ausdruck schnell bewegt, der für den zur Verbrennung dienenden Luftstrom angewendet ist, soll bedeuten, daß die mittlere Schnelligkeit des Luftstroms in der allgemeinen Strömungsrichtung in oder entlang einer die Verbrennung einleitenden Zone, ausge<iriickt durch das Verhältnis von dem in der Zeiteinheit durchströmenden Luftvolumen zu dem Durchlaßquerschnitt der Strömungsbahn, sehr groß ist relativ zur Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme in dem betreffenden Brennstoff-Luft-Gemisch, das die Flamme aufrechterhält. Für Kohlenwasserstoffbrennstoffe, die in Luft brennen, ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme in der Größenordnung von 30 cm pro Sekunde bei Außentemperatur; hingegen bezieht sich die Erfindung in erster Linie auf Verbrennungseinrichtungen von Gasturbinen und/oder Reaktionsstrahlvortriebseinrichtungen, bei denen die Geschwindigkeit in der allgemeinen Strömungsrichturig in oder entlang einer Verbrennungszone, auf der gleichen Grundlage berechnet, 30 bis 90 m pro Sekunde und sogar mehr, je nach der Konstruktion, betragen kann. Die Erfindung ist weiterhin von besonderer Bedeutung für Kraftanlagen mit stabülisierter Verbrennung, welche nicht allein in einem schnell bewegten Luftstrom unterhalten werden muß, sondern außerdem durch hohe Luft-Brennstoff-Verhältnisse gekennzeichnet sind, bei denen also eilte stabilisierte Verbrennung bei großen Brennstoffsättigungen und kleinstmöglichen Druckverlusten aufrechterhalten werden muß.
Erfindungsgemäß besteht die Verbrennungseinrichtung aus einer Verbrennungskammer mit kreisförmigem Querschnitt und einem Mantel, durch welchen ein Strom von Kühlluft hindurchströmt und dessen Auslaß zu einem Leitungssystem führt, <las einen Injektor bildet, wobei die verbrauchte Kühlluft dazu verwendet wird, pulverförmige Brennstoffteilchen so anzusaugen, daß sie einen Luft-Brennstoff-Strom bilden, der in die Verbrennungskammer eintritt, wobei Leitmittel, welche eine Wirbelbewegung um die Kammerachse zum Luft-Brennstoff-Strom, der in die Kammer eintritt, übermittelt, vorgesehen sind und ein axialer Auslaß für die Verbrennungsgase aus der Kammer angeordnet ist.
Bei seiner Bewegung um die Wand der Verbrennungskammer kann die Bahn des Kühlluftstroms derart sein, daß der Druck in diesem abnimmt, was sich günstig auf das Mitführen von Brennstoff auswirkt.
Der in der Brennkammer zum Verbrennen dienende Luft-Brennstoff-Strom kann, um eine Vorwärmung zu erzielen, einer Wärmeübertragung von der Wand der Verbrennungskammer her unterworfen werden, bevor er in die Verbrennungszone eintritt, wobei die Bahn, entlang welcher dieser Strom fließt, so bemessen sein kann, daß eine Druckerhöhung entsteht, bevor der Strom in die Verbrennungszone der Kammer eintritt.
Die Erfindung soll im nachfolgenden an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden.
Bei dieser Ausführungsform wird die im Querschnitt kreisförmige Verbrennungskammer i nach außen durch zwei konkave Seitenwände 2, 3 gebildet, wobei die letztere von einer Außenwand .I umgeben ist, wodurch eine ringförmige Kammer 5 entstellt, in welche Kühlluft aus der Atmosphäre mittels eines Einlasses 6 eingeführt werden kann, welcher tangential in der Außen-,vand des Ringraumes 5 einmündet.

Wie aus der Zeichnung Hervorgeht, halten die Begrenzungswände 2, 3 eine solche Form, daß der axiale Abstand zwischen einem Punkt auf der Wand 2 und einem axial gegenüberliegenden Punkt auf der Wand 3 voll der Peripherie zur Achse der Kammer i hin stetig zunimmt. Die Forin der Wände ist daher so, daß die gewünschte Veränderung der radialen Geschwindigkeitskomponente des Gasstroms in der Kammer i erreicht wird, d. h. zur Achse hin zunimmt.

Die Kühlluft strömt durch den Ringraum 5 in

einer Wirbelbewegung um die Kammerachse i (wie

dies durch gestrichelte Pfeile angedeutet ist) und

verläßt diesen Ringraum tangetitial durch eineAus-

sparung 7 der Wand .4 in eitle Schnecke 8 mit einem

Auslaß 9.

Bei seiner Strömung durch den Ringraum 5 wird

die Kühlluft vorgewärmt, und zwar infolge der

Wärmeübertragung von der \Vand 2 her, wobei die

Wärmeübertragung in bekannter Weise vergrößert

werden kann, z. B. durch Anbringen von Rippen

oder Querwänden auf der Außenfläche dieser

Wand. Ferner können im Ringraum 5 besondere

(nicht dargestellte) Leitschaufeln angebracht wer-

den, wodurch die gewünschte Spiralform der Kühl-

luftströmung erzielt oder verbessert werden kann.

Als Folge des sich verkleiilerildeli Osterschnitts

des Kühlluftstroms bei seiner Bewegung zum Aus-

laß 7 hin nimmt der Druck ab und wird die Ge-

schwindigkeit vergrößert, wobei alle Werte auf

diejenigen an der Eintrittsstelle des Einlasses 9 be-

zogen sind.

Die Leitung 9 weist eineu stetig abnehmenden

Ouerschnitt bis zu seiner engsten Stelle am Aus-

gang io auf, der in einen trompetenförmigen Ein-

laß ii einer Leitung 12 hineinragt, die einen stetig

zunehmenden Querschnitt hat. Die relativen Durch-

messer der Öffnungen io und il sind derartig, daß

der statische Druck in dieser Zone gerade unter-

halb des Atmosphärendrucks liegt, so daß eine

kleine Menge Luft von außen her eingesogen wird.

Diese Luft fließt durch einen pulverförmigen

Brennstoffvorrat 15 hindurch, der beispielsweise

über eine Transportschraube 16 zugeführt wird, so

daß ein Teil dieses Brennstoffes in die Leitung 12

mitgesogen wird.

Der Luft-Breillistoff-Stroni bewegt sich darauf-

hin durch die Leitung 12, wie dies durch die in

vollen Linien ausgezogenen Pfeile angedeutet ist,

in eine Einlaßschtlecke 13 hinein und von dort nach

einem Ringraum 14 zwischen der Wand 3 und einer

Außenwand 17. Der Brennstoff-Luft-Strorit bewegt

sich radial nach außen durch den Ringraum 14 und

wird dabei in eilte @"irlielhewegung um die Achse

der Kammer i gebracht, wodurch er voii der Wand 3

her erwärmt wird, bis er die ringförmige Öffnung

18 erreicht, von wo aus er in die Kammer i zum

Verbrennen eintritt.

Bei seiner Bewegung zur Öffnung 18 hin strömt

der Luft-Brennstoff-Stroin in eitler spiralförmigen

Bahn mit stetig zunehmender Querschnittsfläche,

wie bei einem Diffusor, "wobei die Einrichtung

zweckmäßig so getroffen wird, daß all der Stelle

der Aussparung 18 der Druck der Luft um etwas

oberhalb des in der ICaminer bereits herrschenden

Druckes liegt. DieTemperatur des Brennstoff-Luft-

Stroms wird durch \\'äi-nleiiliei-tragutig von der

Wand 3 her erhöht, wobei diese Wirkung ebenfalls

durch Anbringen von Rippen oder Querwänden auf

der «'arid 3 vergrößert werden kann.

Die Abmessungen der Brennstoffteilchen und der

Verbrennungskammer können so gewählt sein, daß

der Halbmesser der Gleichgewichtsbahn eines aus

der Öffnung 1 8 austretenden Brennstoffteilchens in radialem Sinne gi-üßer ist als die der ringförmigen Flamme. «-elche durch bereits zugeführte Brennstoffteilchen geformt wird. so daß die später austretenden Teilchen gezwungen werden, sich durch diesen Ring hindurchzubewegen, um ihre Gleichgewichtshalin zu erreichen, wobei sie zünden. Die \'orwärniting des 1_uft-Bretitistoff-Gemisclies im Ringraum 14 erleichtert diese Zündung.

lm Ringraum 14 können 'Mittel angebracht werden, um einen Teilstrom der Luft aus dem Luft-Breinistott-Stroni. bevor dieser in die Kammer i tritt, abzuzapfen. Derartige Mittel können z. B. aus einer Querwand i9 bestehen, die am Außenende der Wand r; angebracht sein kann. Als Folge der trägen Masse suchen die größeren Brennstoffteilchen ihre radial nach außen gerichtete Bewegung im Ringraum 14 in die Kammer i hinein fortzusetzen, während andererseits ein Teil der Luft zusammen finit kleineren Brennstoffteilchen durch die Querwand ig allgeleitet werden und durch die OffnUng 20 ü) eine Kammer 21 eindringen, wo sie dann mit Primärluft zwecks Verwärmung gemischt werden können. welche Primärluft tangential in die Kanuner i durch die Öffnung 22 eintritt, wodurch diese Luft in Wirbelbewegung um die Achse der Kammer t versetzt wird.
Das Luft-Brennstoff-Genüsch, das in die Kammer t eintritt, verbrennt darin in einer radial nach innen gerichteten Wirbelbahn, wobei die Verbrennungsgase durch einen axialen Auslaß 23 entweichen kötineti.
Die Leitung zum Zuführen der Primärluft zum Eimaß 22 hin kann mit Mitteln zum Zünden des Brennstoffs, z. B. in der Form einer Zündflamme für flüssigen Brennstoff, versehen werden, dessen Zufuhr abgestellt wird, wenn der feste Brennstoff einmal zum Brennen gebracht ist. Es ist natürlich möglich, dali bei Verwendung der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung bei einer Gasturbinenanlage mit einem durch eine Turbine angetriebenen Luftkompressor der dem Einlaß 22 zugeführte Luftstrom vorn Kompressor herrühren kann. wobei auch die Kühlluft dein Kompressor zu entnehmen ist.

Claims

PATEN TANSPRÜCI1E: i. Verbrerinungseiiirichtung zum Verbrennen von pulverfö rtnigem Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennkammer mit kreisförmigemOttersclinitt einen Mantel (Ringraum) aufweist, durch welchen ein Strom von Kühlluft hindurchströmt und dessen Auslaß zu einem Leitungssystenn führt, das einen Itijektor bildet, -,wobei die verbrauchte Kühlluft dazu verwendet wird, pulverförmige Brennstoffteilchen so anzusaugen, daß sie einen Luft-Brennstoff-Strom bilden, der in dieBrennkammer eintritt, wobei Leitmittel, welche eine Wirbelbewegung um die Kammerachse dem Luft-Brennstoft-Strom, der in die Kammer eintritt, übermittelt, vorgesehen sind und ein axialer Auslaß für die Verbrennungsgase aus der Kammer angeordnet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlluftstrom so geleitet und beeinflußt wird, daß dieser eine radial nach innen gerichtete WirbelbeNvegung innerhalb des Mantels und um die Achse der Kammer herum ausführt.
3. Einrichtung nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer mit einem Lufteinlaß versehen ist, durch welchen Primärluft eintreten kann, und mit einem Sekundärlufteinlaß, durch welchen Sekundärluft eintreten kann, wobei die für das Kühlen bereits gebrauchte Kühlluft, die die Brennstoffteilchen mitführt, in die Verbrennungskammer als Sekundärluft eintritt.
Einrichtung nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlluftstrom in den Ringraum tangential in Umfangsrichtung eintritt.
Einrichtung nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bereits zum Kühlen gebrauchte Luftstrom, welcher die Brennstoffteilchen mitführt, vorgewärmt wird, und zwar dadurch, daß er über eine Wand der Verbrennungskammer geführt wird, bevor er in die Brennkammer eintritt.
6. Einrichtung nach Anspruch .4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des Mantels bzw. Ringraums tangential mit der Ausgangsleitung über eine Schnecke verbunden ist und daß die Verbindung vom Injektorsystem tangential in die Brennkammer hinein über eine zweite Schnecke führt.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der bereits zum Kühlen benutzte Luftstrom, der die Brennstoffteilchen mitführt, so geleitet und beeinflußt ist, daß er in Wirbelbewegung radial über die Wand der Verbrennungskammer nach außen strömt. B. Einrichtung nach Anspruch i bis ;, dadurch gekennzeichnet, daß der bereits zum Kühlen benutzte Luftstrom, der die Brennstoffteilchen mitführt, als Sekundärluft derart benutzt wird, daß ein Teil dieser Luft abgezapft wird, bevor sie in die Verbrennungskammer eintritt, und mit Primärluft beim oder vor dem Eintreten der Primärluft in die Verbrennungskammer vermischt wird.