DE930000C - Brennkammer mit Brennstoffverdampfung fuer Gasturbinen - Google Patents

Description

Brennkammern mit Brennstoffverdampfung für Gasturbinen haben üblicherweise Verdampfungseinrichtungen, die jeweils mit den Brennkammern ein Ganzes bilden, ob es sich um eine Verbrennungseinrichtung mit rohrförmigen Einzelbrennkammern handelt, die im Kreis um die Zentralachse herum angeordnet sind, oder um eine Verbrennungseinrichtung mit einer einzigen ringförmigen Brennkammer. Besonders bei der letzteren Bauart bereitet es aber Schwierigkeiten, eine gleichförmige Verbrennung über den ganzen Ringquerschnitt zu erzielen, so daß man gewöhnlich zusätzliche Sondervorrichtungen vorsehen muß.

Um diese Sondereinrichtungen entbehrlich zu machen und in einfacher Weise die Verdampfung des Brennstoffes zu erreichen, hat man Einrichtungen vorgeschlagen, die den gesamten, von der Maschine benötigten Brennstoff verdampfen. Der verdampfte Brennstoff wird dann in eine Verteilereinrichtung gefördert, aus der er gleichförmig verteilt, einer ringförmigen Brennkammer oder den einzelnen rohrförmigen Brennkammern zugeleitet wird.

Es ist eine Einrichtung zu diesem Zwecke bekannt, bei der der Brennstoff, wie beispielsweise auch bei Raketenmotoren üblich, zur Kühlung der Maschine herangezogen wird. Durch die dabei aufgenommene Wärme verdampft der Brennstoff und steht dann als Brennstoffdampf für die Verbrennung zur Verfügung. Bei einer anderen bekannten

Anordnung hat man einen gesonderten Brennstoffverdampfer vorgesehen, bei dem der zu verdampfende Brennstoff über geeignete Zerstäubervorrichtungen in einen aus einer Heizkammer austretenden Strom von heißen Brenngasen eingespritzt wird.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gestellt, einen Brennstoffverdampfer zu schaffen, bei dem in einfachster Weise, insbesondere ohne Verwendung ίο von Zerstäubervorridhtuiigen, wie Düsen, Injektoren od. dgl., die Verdampfung erreicht wird. Erfindungsgemäß besteht der Brennstoffverdampfer aus einer Heizkammer, der die Luft und der zur Verdampfung des Hauptbrennsitoffes erforderliche !■5 Hilfsbrennstoff in einem solchen Verhältnis zugeführt werden, daß nach der Verbrennung des Hilfsbrennstoffes kein Sauerstoff in der Heizkammer verbleibt. Der zu verdampfende Hauptbrennstoff wird zunächst vermittels der heißen Brenngase der ao Hilfsverbrennung durch eine Wand hindurch ohne direkte Berührung mit ihnen vorgeheizt. Darauf tritt der vorgeheizte Hauptbrennstoff ohne Zerstäubung in Form eines Films oder SträMs in den Auslaß der Heizkammer ein und wird hier durch Mischung mit den heißen Brenngasen der Hilfsbrennstoffverbrennung vollständig verdampft.

In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt.

Fig. ι ist ein Längsschnitt durch eine Form eines erfindungsgemäßen gesonderten Brennstoffverdampfers, wenn er von der zugehörigen Brennkammer abgetrennt ist;

Fig. 2 ist ein vergrößerter Teilschnitt dazu; Fig. 3 ist ein Längschnitt durch eine andere Ausführungsform eines gesonderten Brennstoffverdampfers nach der Erfindung;

Fig. 4 ist ein Teillängsschnitt durch eine Ringbrennkammer, in die ein gesonderter Brennstoffverdampfer nach Fig. ι uind 2 eingebaut ist; Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der die zweite Form eines gesonderten Brennstoffverdampfers eine ringförmige Brennkammer speist;

Fig. 6 zeigt eine rohrförmige Einzelbrennkammer einer Turbine, die mit der zweiten Art des Brennstoffverdampfers ausgerüstet ist.

Nach der Fig, ι tritt verdichtete Luft von links her in den Kanal 11 ein und strömt nach rechts in den ringförmigen Kanal 12. Mit diesem Ringkanal stehen zwei Querkanäle in Verbindung, von denen in Fig. ι nur der eine Kanal 13 sichtbar ist. Diese Querkanäle führen in bekannter Weise tangential in eine Zünd- und Mischkammer 14. Der Hilfsbrennstoff wird durch eine Rohrleitung 16 zugeführt und tritt nach Verwirbelung in der Kammer 14, mit verdichteter Luft vermischt, durch die scharfkantige öffnung 17 in Richtung stromaufwärts aus und trifft gegen das geschlossene Ende i8 der Heizkammer 19, wo sich eine kombinierte Zünd- und Brennstoffzerstäubeeinrichtung 20 befindet.

Hierbei erhitzt in bekannter Weise die Verbrennungswärme des Hilfsbrennstoff es aus der Leitung 16 die Kammer 14 und veranlaßt, sobald einmal die Zündung eingeleitet ist, die Verdampfung des durch die Leitung 16 zugeführten Brennstoffes.

Das Gemisch, das die Kammer 14 durchströmt, sollte so beschaffen sein, daß eine chemisch im wesentlichen richtige Verbrennung sichergestellt wird; d. lh. sie sollte vorzugsweise ein wenig stärker mit Brennstoff angereichert sein, um die Gewähr zu bieten, daß nach der Verbrennung kein Sauerstoffüberschuß in der Heizkammer 19 verbleibt.

Stromabwärts geht die Kammer 19 in eine sich verengende Auslaßdüse 2¹I über, die mit einer scharfkantigen öffnung in eine Kammer 22 führt. Diese hat an anderer Stelle eine Auslaßöffnung 23 für den Anschluß an eine Rohrleitung (die in Fig. 1 nicht dargestellt, aber der Leitung 61 in Fig. 5 und 6 ähnlich ist); diese führt zu der Verteilereinrichtung für das Brennkammersystem.

Die Hauptbrennstoffmenge wird durch eine Leitung 25 in einen Ringraum 26 geleitet, der das stromabwärtige Ende der Heizkammer 19 umgibt. Der Hauptbrennstoff soll hier das untere Ende der Heizkammer kühlen und zusätzlich vorteilhaft selbst Wärme aufnehmen. Das stromabwärtige Ende des Ringraumes 26 weist an seiner Innenwand eine Ringnut 29 auf. In diese mündet eine Anzahl Nadelventile 30 (in Fig. 1 und 2 ist davon nur eins gezeichnet), die durch Druckfedern 31 in die dargestellte geschlossene Stellung gedrückt werden, indem sich die Federn gegen Gestellteile 32 abstützen, die gleichzeitig zur Führung der Ventile dienen. Diese Nadelventile sollten symmetrisch rund um das untere Ende des Ringkanals 26 angeordnet sein, so daß sie in ihrer Gesamtheit die höchste durch die Leitung 25 zuzuführende Hauptbrennstoffmenge zu bewältigen vermögen.

Das Ventil 30 "(Fig. 2) ist, wie gesagt, in geschlossener Stellung dargestellt. Es ist aber ,klar, daß es sich unter dem Brennstoffdruck in dem Ringraum 26 öffnen wird, um je nach Bedarf mehr oder weniger Hauptbrennstoff durchzulassen. Dieser Hauptbrennstoff bildet, wie der Pfeil 34 andeutet, einen Film entlang der Innenwand der sich verengenden Düse 21 und wird durch den direkten Kontakt mit den erhitzten Gasen, die die Düse durchströmen, schon teilweise verdampft. Die endgültige Mischung und Verdampfung des Hauptbrennstoffes in der Kammer 22 wird durch die Turbulenz vollendet, die durch die scharfkantige Eintrittsöffnung verursacht wird. Infolge des Brennstoffüberschusses der Heizgase wird die Hauptbrennstoffzufuhr aus dem Ringkanal 26 nicht verkohlt. \

In der abgewandelten Form nach Fig. 3 hat die Heizkammer 19" vieles mit der Kammer 19 der Fig. ι gemeinsam, und gleiche Teile in den drei Bildern sind gleich bezeichnet. Aber in der Form nach Fig. 3 fehlt der Ringraum 26, dafür hat die Herzkammer ig"' an ihrem stromabwärts gelegenen Ende einen kegeligen Teil 36, der in einen verhältnismäßig langen zylindrischen Teil 37 übergeht. In diesem zylindrischen Teil 37 liegt eine Rohr-

schlange 38, der die Hauptbrennstoffmenge durch eine Leitung 25" zugeführt wird. Der Hauptbrennstoff in dieser Rohrschlange wird durch die heißen Gase erhitzt und verläßt das Austrittsende 40 hauptsächlich oder gänzlich als Dampf, um sich mit den aus der Heizkammer austretenden erhitzten Gasen zu mischen.

In den Fig. 4 und 5 sind Teile einer ringförmigen Brennkammer dargestellt. Sie besteht aus je einer inneren und äußeren Gehäusewand 42, 43; die eigentliche ringförmige Brenn- oder Flammkammer 44 ist von der Innen- und Außenwand durch Ringräume 45, 46 getrennt, die der kühlenden Verdünnungsluft den Durchtritt gestatten sollen. Aus der Fig. 5 ist zu erkennen, daß jede Flammkammer aus einer Anzahl Ringabteilen aufgebaut ist, die die Außenwände 47, 47" usw. und die Innenwände 48, 48" usw. enthalten. Jedes Ringabteil überlappt das stromabwärtige Ende des vorhergehenden Ringabteils mit einem gewissen Spielraum, wie bei 50 angedeutet ist, so daß ein Teil der Verdünnungsluft in das Innere der Flammkammer eintreten und deren Ringelemente innerlich kühlen kann.

In Fig. 4 ist ein Brennstoffverdampfer der ersten Art, wie sie in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, innen durch Streben 51 gegen die stromauf liegenden Wände 47, 48 der Flammkammer abgestützt, und seine Kammer 22 steht mit einer ringförmigen Kammer 52 in Verbindung, die ■ von ringförmigen Wänden 53 am stromauf gelegenen Ende der ringförmigen Flammkammer 44 gebildet wird. Diese Ringkammer 52 wird durch eine Prallwand 54 abgeschlossen, die viele feine Öffnungen aufweist, wie die Pfeile 55 erkennen lassen. In der Ringkammer 52 herrscht der gleiche Druck wie in den übrigen Teilen der gesamten Ringbrennkammer.

Sekundärluft zur Vervollständigung der Verbrennung strömt der Flammkammer durch Löcher 57 und 58 in der äußeren Wand 53 zu, wie die Pfeile 59 andeuten.

Fig. 4 zeigt demnach eine Bauweise, bei der der Brennstoffverdampfer innerhalb der Brennkammer angeordnet ist. Im Gegensatz dazu liegt bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 der Brennstoffverdampfer, der hier in der zweiten Art gemäß Fig. 3 ausgebildet ist, außerhalb der Brennkammer. Das stromaufwärtige Ende der Flammkammer zeigt hier eine Ringkammer 52^s, der der verdampfte Hauptbrennstoff durch eine Leitung 61 zugeführt wird. Stromabwärts wird die Kammer durch eine Prallwand 54" abgeschlossen, die wieder, wie die Pfeile 55 andeuten, eine Anzahl feiner Öffnungen enthält. Die Sekundärluft wird in ähnlicher Weise wie vorher durch Lädher S7^{a un}d 58" im Außenring 47 und im Innenring 48 des ersten Abteils der ringförmigen Flammkammer zugeführt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 zeigt einen gesonderten Brennstoffverdampfer der zweiten Art gemäß Fig. 3 in Anwendung auf eine rohrförmige Brennkammer. Von den im Kreis angeordneten Einzelbrennkammern ist in Fig. 6 nur eine gezeichnet. Verdichtete Luft tritt am stromaufwärts gelegenen Ende 64 ein und zieht stromabwärts in dem Ringkanal 65 entlang als Verdünnungsluft und dient so gleichzeitig zur Kühlung der Wände 68, 68° usw., aus denen die Flammkammer zusammengesetzt ist. Wie in der Fig. 6 dargestellt, liegt immer das stromaufwärtige Ende einer dieser Wände mit Spielraum außerhalb des vorhergehenden, dessen stromabwärtiges Ende es überlappt. Bei dieser Bauweise strömt die Sekundärluft zentral durch die Öffnung 70 ein, während verdampfter Brennstoff aus einer Ringleitung 71, in die er aus der Leitung 61 gefördert wird, und in der ein gleichmäßiger Druck herrscht, in eine Rohrleitung 72 eintritt, diese speist einen Ring 73, der auf seiner stromabwärts gewandten Wandfläche Sprühlöcher hat. Das stromaufwärtige Ende der Flammkammer ist nach der Darstellung der Fig. 6 mit einer Prallwand 74 versehen, die Öffnungen für die Sekundärluft enthält, wie die Pfeile 75 erkennen lassen.

Bei manchen Gasturbinen für Industriezwecke kann es vorteilhaft sein, zwei Brennstoffverdampfer aufzustellen, von denen immer nur einer in Betrieb ist, so daß man den anderen zur Reinigung ausbauen kann, ohne die Turbine stillsetzen zu müssen.

Mit der Erfindung kann man einen vereinfachten Aufbau der ring- und rohrförmigen Brennkammern erreichen. Denn die Brennkammern werden hierbei nicht durch eingebaute Einrichtungen zur Verdampfung und Brennstoffzufuhr versperrt. Durch die Anordnung eines gesonderten und unabhängig arbeitenden Brennstoffdampfgenerators wird eine einfache und wirksame Regelung des Brennstoffdampfes möglich, bevor dieser austritt und darüber hinaus die gleichförmige Verteilung des Brennstoffdampfes zu dem Brennkammersystem der Maschine erleichtert.

Schließlich wird es durch die Trennung der Brennstoffverdampfeinrichtung von der Brennkammerkonstruktion und den zugehörigen Verteileinrichtungen möglich, jede dieser Gruppen unabhängig von der anderen zu planen und zu höchstem Wirkungsgrad zu entwickeln.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Brennkammer für Gasturbinen mit einer gesonderten Einrichtung zum Verdampfen und gleichmäßigen Verteilen der gesamten benötigten Brennstoffmenge, dadurch gekennzeichnet, daß der gesonderte Brennstoffverdampfer aus einer Heizkammer (19, 19") besteht, der die Luft (13) und der zur Verdampfung des Hauptbrennstoffes erforderliche Hilfsbrennstoff (16) in einem solchen Verhältnis zugeführt werden, daß nach der Verbrennung des Hilfsbrennstoffes kein Sauerstoff in der Heizkammer verbleibt, und daß der Hauptbrennstoff, der durch die Rohrleitungen (25 bzw. 25") zugeführt wird, durch die heißen Brenngase der Hilfsverbrennung durch eine Wand hindurch ohne direkte Berührung mit ihnen vorgeheizt wird,

   worauf der vorgeheizte Hauptbrennstoff ohne Zerstäubung in den Auslaß der Heizkammer eintritt, wo er durch Mischung mit den heißen Brenngasen der Hilfsverbrennung vollständig verdampft wird.
2. 2. Brennkammer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verdampfende Hauptbrennstoff durch die Leitung (25) in einen Ringkanal (26) geleitet wird, der das stromab gelegene Ende der Heizkammer (19) umgibt und das stromabwärts liegende Ende dieses Ringkanals (26) einen Kranz von Ventilen (30) aufweist, die durch Federn (31) geschlossen und durch den Brennstoffdruck im Ringkanal (26) geöffnet werden und den Ringkanal (26) mit einer Auslaßdüse (21) verbinden, in der der Hauptbrennstoff mit den die Heizkammer verlassenden erlhitzten Gasen in direkten Kontakt gebracht wird.
3. 3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärts gelegene Ende der Heizkammer (19) mit der sich verengenden Auslaß düse (21) in Verbindung steht, an deren Innenwand der von den Ventilen (30) durchgelassene Hauptbrennstoff in Gestalt eines Films (34) entlangläuft und dort von den erhitzten Gasen aus der Heizkammer teilweise verdampft wird.
4. 4. Brennkammer nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich verengende Düse (21) mit einer scharfkantigen Öffnung in eine Kammer (22) einmündet, die vermittels der in der Kammer entstehenden Turbulenz der restlichen Verdampfung des Hauptbrennstoffes dient.
5. 5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende der Heizkammer (19°) mit einem Durchgangskanal (37) in Verbindung steht, der eine Rohrschlange (38) enthält, in die durch das Rohr (25'°) der Hauptbrennstoff geleitet wird, während durch das andere nach dem Durchgangskanal zu offene stromabwärtige Ende der Rohrschlange der vorgeheizte Hauptbrennstoff in den Durchgangskanal (37) eintritt.
6. 6. Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, daß der gesonderte Brennstoffverdampfer innerhalb der Brennkammer an deren stromauf gelegenen Ende angeordnet ist.
7. 7. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gesonderte Brennstoff verdampf er ganz außerhalb der Brennkammer liegt und mit der Brennstoffverteileinrichtung der Brennkammer durch eine Rohrleitung (61) verbunden ist.

   Angezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 727 376;
   britische Patentschrift Nr. 633 336.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   I 509 522 6.55