DE863153C

DE863153C - Gekuehlte metallische Brennkammer zur Erzeugung von Heiz- und Treibgasen

Info

Publication number: DE863153C
Application number: DEP28923A
Authority: DE
Inventors: Kurt Niehus
Original assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1947-05-12
Filing date: 1949-01-01
Publication date: 1953-01-15
Also published as: GB647293A; CH255541A; US2617255A

Description

Es sind verschiedentlich metallische Brennkammern zur Erzeugung von Heiz- oder Treibgasen mäßiger Temperatur für Gasturbinen bekanntgeworden, die im wesentlichen aus zwei gleichachsigen Zylinderkörpern bestehen, von denen der innere den Brennraum enthält und aus hochhitzebeständigem Blech hergestellt ist, während der äußere die druckfeste Ummantelung bildet. Durch den Ringspalt zwischen beiden Zylindern wird Sekundärluft geschickt, die den Innenmantel kühlt und nach erfolgter Mischung mit den Brenngasen deren Temperatur so weit erniedrigt, daß mit diesem Treibgas beispielsweise eine Gasturbine direkt beaufschlagt werden kann.

Ferner ist bekannt, einen dritten Mantel zwischen innerem und äußerem Zylinder einzufügen, der beidseitig von Kühlluft bestrichen wird und den äußeren Mantel vor Strahlung schützt. Hierbei ist es notwendig, das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit an den Wänden vorbeizuführen, so daß eine große ao Wärmeübertragung stattfindet.

Hohe Gasgeschwindigkeiten bedingen aber einen erheblichen zusätzlichen Energiebedarf, der besonders bei Gasturbinenanlagen im Interesse des Gesamtwirkungsgrades vermieden werden sollte. Man hat deshalb vorgeschlagen, den Innenzylinder der Brennkammer aus konischen, ineinandergeschobenen Rohrstücken auszubilden, welche ringförmige Kanäle zwischen sich frei lassen und dem Kühlmittel einen Durchtritt ins Brennkammerinnere gestatten. Durch diese Aufteilung gelingt es, die Strombahnlänge eines jeden Kühlkanals kurz zu

halten, so daß der zu überwindende Strömungswiderstand gering wird. Bei dieser Lösung ist die Wandkühlung aber immer noch ungenügend, so daß die Wandtemperatur erhebliehe Werte annimmt.

Bei der Prüfung- einer weiteren Kühlung der . heißen Brennkammer wand durch ein Kühlmittel ist zunächst daran zu erinnern, daß die übertragene Wärmemenge eine Funktion der drei Größen ίο Wärmeübertragungszahl, Temperaturdifferenz und 'Wärmeaustausch-flache ist. Mindestens eine dieser drei Größen muß einen erheblichen Wert haben, damit die anfallende Strahlungswärme an das Kühlmittel abgeführt werden kann.. Größere Wärme-Übertragungszahlen bedingen große Geschwindigkeit des Kühlmittels, d. h. großen Energiebedarf. Größere Temperaturdifferenzen können mit Rücksicht auf eine annehmbare Lebensdauer des Brennkammermantels nicht zugelassen werden. Die dritte Möglichkeit der stark vergrößerten Wärmeaustauschflächen auf der Kühlseite ist Gegenstand vorliegender Erfindung.

Die Erfindung betrifft eine metallische Brennkammer zur Erzeugung von Heiz- und Treibgasen mit druckfestem Mantel und mit innen von der Flamme bestrahltem, außen durch ein gasförmiges Kühlmittel gekühltem Einsatz, dessen äußere geküMte Oberfläche ein Mehrfaches der inneren bestrahlten Fläche mißt.. Diese Obernächenvergröße-30. rung erfolgt vorzugsweise dadurch, daß auf der äußeren', vom Kühlmittel bestrichenen Seite des Einsatzes in Strömungsrichtung Rippen angeordnet sind. Die wärmeübertragende Oberfläche kann auch dadurch vergrößert sein, daß die äußere Seite des Einsatzes quer zur Strömungsrichtung des Kühlmittels stehende Bolzen trägt.

Durch die Anwendung sehr stark vergrößerter Oberflächen zur Wärmeübertragung vom Brennkammerinnenzylinder an das Kühlmittel wird es möglich, mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten auszukommen, die keinen zusätzlichen Energiebedarf erfordern, wobei trotzdem · eine kräftige Kühlwirkung gewährleistet bleibt. Der Druckabfall wird außerdem dadurch gering gehalten, daß das Kühlmittel in mehrere Parallelströme unterteilt wird, von denen jeder einen kurzen Teil der Brennkammerwand kühlt, dann in das Innere der Brennkammer einströmt und sich dort mit den heißen Verbrennungsgasen mischt.. Durch diese verschiedenen Maßnahmen wird erreicht, daß. das Druckgefälle der Verbrennungsluft in der Dralldrüse genügt, um auch die Kühlluft an den Rippenelementen vorbeizuschicken.

In den Fig. 1 bis 7 sind verschiedene Ausführungsbeispiele einer Brennkammer sowie der Rippenkörper gemäß der Erfindung dargestellt.

Fig. ι zeigt als Beispiel eine Brennkammer für die Treibgaserzeugung einer Gasturbine. Die Luft wird bei 1 durch ein nicht gezeichnetes Gebläse zugeführt, spaltet sich im Brennkammerkopf 2 in zwei Teile. Ein Teil geht als Verbrennungsluft durch die Dralldüse 3 in den eigentlichen Brennraum 4, in den durch die Brennstoffdüse 5 Brennstoff in die durchwirbelte Verbrennungsluft eingespritzt wird. Der andere, größere Teil der zugeführten Luft ist dagegen Kühlluft, die in den Raum 6 zwischen innerer und äußerer Brennkammerwand 7 bzw. 8 strömt. Die innere Brennkammerwand 7 ist nun erfindungsgemäß mit einer Anzahl Rippenkörper 9 aus-. gekleidet, welche sich in allen Richtungen frei ausdehnen können und zweckmäßig zur leichten Auswechselbarkeit auf einfache Weise in die Brennkammerinnenwand¹7 eingehängt sind.

Eine Brennkammer gemäß der Erfindung nach Fig. ι a kann auch zur Heizgaserzeugung, beispielsweise für einen Dampfkessel oder Hochüberhitzer, dienen. Die Verbrennungsluft wird bei i^a durch ein nicht gezeichnetes Gebläse zugeführt und geht durch die Dralldüse 3 in den Brennraum 4, in dem durch Brennstoffdüse 5 Brennstoff in die durchwirbelte Verbrennungsluft eingespritzt wird. Das andere zugeführte Medium ist umgewälztes Rauchgas, das bei i^b in den Raum 6 zwischen innerer und äußerer Brennkammerwand 7 bzw. 8 strömt und einerseits erfindungsgemäß als Kühlmedium für die Rippenkörper dient, anderseits in bekannter Art die Gastemperatur so herabsetzen soll, daß mit diesen Heizgasen die Wärmeaustauscherflächen direkt bestrichen werden können.

Die der Verbrennungszone zugekehrte Strah- g₀ lungsplatte 10 eines Rippenkörpers trägt auf ihrer abgekehrten Seite zahlreiche Rippen 11, durch welche ihre wärmeübertragende Oberfläche sehr beträchtlich vergrößert wird. Die Haken 12 dienen zum Einhängen der Rippenkörper in hierfür vorgesehene Öffnungen 13 der Brennkammerinnenwand 7. Ein solcher Rippenkörper ist in Fig. 2 vergrößert wiedergegeben.

Die eingehängten Rippenkörper bilden zwischen Strahlungsplatte 10, Rippen 11 und Brennkammerinnenwand 7 zahlreiche Kanäle, in welche bei 14 kalte Kühlluft eintreten und bei 15, auf beträchtliche Temperatur aufgeheizt, wieder austreten kann, und zwar gelangt sie hier derart ins Brennkammerinnere, daß sie den Strahlungsplatten 10 der folgenden Rippenkörper entlang streicht.

Um der Kühlluft ungehinderten Ein- und Austritt zu und aus den Kanälen der Rippenkörper zu gestatten, ist es zweckmäßig, dieselben, wie in Fig. ι dargestellt, in Kreisringen abgestuften Durchmessers anzuordnen, derart, daß ineinandergesteckte, sich überlappende Zylinderstücke entstehen. Die Brennkammerinnenwand 7, an der die Rippenkörper aufgehängt sind, besteht demnach aus mehreren Blechzylindern abgestuften Durchmessers, die, jeder für sich, an beispielsweise sternförmigen Halteblechen 16 aufgehängt sind, die sich ihrerseits an der Brennkammer außen wand 8 abstützen. Die Zylinderstücke können sich ■ in>. axialer Richtung frei ausdehnen, und in radialer Richtung ist der Wärmedehnung genügend freier Spielraum gelassen.

Bei gegebenem Brennkämmerdurchmesser ergibt sich bei der Anordnung nach Fig. 3 ein etwas größeres Volumen des Brennraumes. Hier bestehen die einzelnen Stücke der inneren Brennkammer-

wand aus konischen, sich überlappenden Blechringen ij, die aufeinander über Stege i8 abgestützt werden. Der unterste Blechring stützt sich dabei z. B. auf eine Konsole 19 der Brennkammeraußenwand 8. Infolge der oben und unten verschieden großen Durchmesser der Blechringe 17 weisen die an diesen aufgehängten Rippenkörper 20 nicht Rechteck-, sondern Trapezform auf. Auf diese Weise ergeben sich für alle Brennkammerabschnitte Einzelteile derselben Dimensionen, was für die Lagerhaltung von Ersatzteilen von Vorteil ist.

Aus fabrikationstechnischen Gründen kann es erwünscht sein, die konische und trapezförmige Ausgestaltung zu vermeiden. Die Rippenkörper 21 können dann beispielsweise nach Fig. 4 angeordnet werden und bestehen aus einem geraden Stück 22 und einem anschließenden abgewinkelten 23, die in ihrer Aneinanderreihung ringförmige Eintrittsöffnungen für die Kühlluft bilden. DieRippenkörper2i sind hier auch mit Haken 24 an Blechmänteln eingehängt, die ihrerseits beispielsweise an sternförmig angeordneten Halteblechen 25 und Bolzen 26 aufgehängt sein können.

Noch eine weitere Ausbildung einer Brennkammer nach der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Der Brennkammerinnenzylinder 7 zur Aufnahme der Rippenkörper besteht hier aus einem Stück. Bei gegebenem Brennkammeraußendurchmesser wird der Brennraum auf diese Weise ein Maximum. Die Rippenkörper 2J sind ringförmig in verschiedenen Etagen angeordnet und lassen zwischen sich ringförmige Schlitze 28 frei für den Durchtritt der Kühlluft in den Brennraum. Die Kühlluft gelangt durch die Öffnungen 29 zwischen die Rippen der einzelnen Rippenkörper und verteilt sich dann etwa zur Hälfte, um entlang den Rippen nach oben oder nach unten unter Wärmeaufnahme von den Rippenkörpern zu den nächstbenachbarten Schlitzen 28 zu strömen.

Der Rippenkörper selbst kann eine der Rundung der Brennkammerinnenwand angepaßte, gewölbte Strahlungsplatte 10 haben, wie in Fig. 2 gezeigt. Fig. 6 veranschaulicht eine weitere Ausbildung des Rippenkörpers mit völlig ebener Strählungsplatte29 und vier Befestigungshaken 30. Diese Rippenkörper schließen sich, aneinandergereiht in Gestalt eines vieleckigen Prismas, zu Brennkammerwänden zusammen.

Je langer der Rippenkörper in Richtung der entlang strömenden Kühlluft ausgebildet ist, um so stärker wird diese Luft, die sich nachher mit den Verbrennungsgasen mischt, aufgeheizt. Anderseits soll die Wandtemperatur des Rippenkörpers möglichst tief sein. Es zeigt sich aber, daß die Rippenkörperlänge bei vorgeschriebener Kühlluftaustrittstemperatur einen gewissen optimalen Wert erreicht, bei dem die Oberflächentemperatur ein Minimum ist, so daß eine Verlängerung über diesen Wert hinaus keine Kühlwirkung mehr einbringt. Es ist zweckmäßig, bei langen Rippenkörpern die Rippen, wie in Fig. 6 dargestellt, mindestens an einer Stelle 31 aufzuschneiden. Durch das starke Temperaturgefälle in Querrichtung der Rippen ergeben sich sehr große Ausdehnungsunterschiede; die heiße Strahlungsplatte 29 dehnt sich wesentlich mehr als die kälteren Rippenkanten 32, so daß sich der ganze Rippenkörper in Längsrichtung verkrümmt. Durch z. B. einmaliges Aufschneiden der Rippen in der Mitte wird diese Krümmung um wesentlich mehr als die Hälfte reduziert. .

Da die Strahlung längs der Rippenkörper konstant ist, steigt im allgemeinen die Wandtemperatur der' Strahlungsplatte in Strömungsrichtung des Kühlmediums an. Es ist nun möglich, durch passende Wahl der Strömungsquerschnitte die verfügbare Strömungsenergie und damit die Wärmeübergangszahlen so zu verteilen, daß erstens die maximale Temperatur sinkt und zweitens die Wandtemperatur der Strahlungsplatte in Strömungsrichtung konstant bleibt. Die Querschnitts-Variation wird zweckmäßigerweise so gemacht, daß beispielsweise die Rippenhöhe quer zur Strömungsrichtung verändert wird, d. h. am Eintritt großer Querschnitt, am Austritt kleiner Querschnitt.

Der Rippenkörper wird zweckmäßig aus hochwarmfestem Material, z. B. Chromstrahl, hergestellt. Die Rippen selbst werden dann z. B. aus dem vollen Material herausgefräst, oder es kann hochwarmfestes Blech direkt zu Rippen gefaltet werden, wie dies aus Fig. 7 hervorgeht. Sehr vorteilhaft ist auch die Verwendung von Bimetall, da die wärmebeständigen, hochlegierten Stähle die Wärme schlecht leiten, anderseits gut leitende Metalle, z.B.Kupfer, nicht hitzebeständig sind, insbesondere nicht widerstandsfähig gegen Schlackenangriff. Zweckmäßig übernimmt der legierte Stahl die Aufgabe der mechanischen und chemischen Beständigkeit, dagegen das gut leitende Metall die Aufgabe der Wärmeleitung. Der Rippenkörper kann beispielsweise aus einer Chromstahlhülle aus dickem Blech auf Feuerseite und einem dünneren, in Gestalt der Rippen wellenförmig gebogenen Blech auf Kühlluftseite bestehen. Diese so entstandene Hohlform oder Kokille wird dann beispielsweise mit Kupfer ausgegossen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Gekühlte metallische Brennkammer zur Erzeugung von Heiz- und Treibgasen mit druckfestem Mantel und mit innen von der Flamme bestrahltem^außen durch ein gasförmiges Kühlmittel gekühltem Einsatz, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere gekühlte Oberfläche des Einsatzes ein Mehrfaches der inneren bestrahlten Fläche mißt.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere gekühlte Oberfläche des Einsatzes Rippen trägt.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere gekühlte Oberfläche des Einsatzes Bolzen trägt.

4. Brennkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz in eine

Anzahl leicht auswechselbarer Rippenkörper aufgeteilt ist, die derart befestigt siiid, daß sie sich allseitig frei ausdehnen können.

5. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, ^:daß die Rippenkörper

in zylindrischen Blechringen abgestuften Durchmessers befestigt sind.

6. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenkörper in konischen Blechringen gleichenDurchmessers befestigt sind.

7. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenkörper

aus einem geraden Stück (22) und einem daran anschließenden, abgewinkelten Stück (23) bestehen und an tragenden Ringen so befestigt sind, daß ihre dem Feuer zugekehrten Seiten einen zur Hauptsache geraden zylindrischen Brennraum bilden.

8. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenkörper (27) so in einem geraden Blechzylinder befestigt sind, daß die Kühlluft in öffnungen (29) der Mittelebene eines aus Rippenkörpern gebildeten Ringes eintritt und zu einem Teil nach oben, zum anderen Teil nach unten den Rippen entlang strömt und hierauf in den Brennraum eintritt.

9. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenkörper

an mindestens einem Haken eingehängt sind.

10. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsplatte (10) der Rippenkörper einseitig gekrümmt und dadurch der Rundung der Brennkammer angepaßt ist.

11. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsplatte (29) der Rippenkörper eben ist.

12. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen der Rippenkörper in ihrer Längsrichtungmindestens an einer Stelle aufgeschnitten sind.

13. Brennkammer nach Anspruch 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenkörper trapezförmige Gestalt haben.

14. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsquerschnitte zwischen den Rippen der Rippenkörper in Strömungsrichtung und damit die Wärmeübergangszahlen derart variieren, daß die Obernächentemperatur der Strahlungsplatte ein Minimum wird und die Wandtemperatur längs der Platte konstant bleibt.

15. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Rippenkörper derart gewählt ist, daß bei vorgeschriebener Temperatur der aus den Rippenkörpern austretenden Kühlluft die Oberfiächentemperatur der Rippenkorper em Minimum ist.

16. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenkörper aus hochwarmfestem Material hergestellt sind.

^.Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen aus Blech gefaltet sind.

18. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenkörper aus Bimetall hergestellt sind, derart, daß ihre äußere Hülle aus· hochwarmfestem Metall besteht und ihr Inneres mit einem gut wärmeleitenden Metall ausgegossen ist.

Hierzu vr Blatt Zeichnungen