DE951062C - Brennereinrichtung oder Brennkammer mit einer Mehrzahl von Flammrohren - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 18. OKTOBER 1956

P 7269 Ia/46 f

von Flammrohren

Die Erfindung betrifft Brennereinrichtungen oder Brennkammern, insbesondere für Gasturbinenanlagen. Hauptzweck der Erfindung ist die Sicherstellung einer einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden und gleichförmigen Verbrennung in einer Mehrzahl von Brennkammern oder Flammrohren, welche mit Luft und Brennstoff parallel versorgt bzw. gespeist werden. Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung einer verbesserten Zündeinrichtung zum Starten oder Einleiten der Verbrennung in einer solchen Anlage.

Erfindungsgemäß besteht die Brennereinrichtung oder Brennkammer aais einer Mehrzahl von Flammrohren, welche mit Luft und Brennstoff parallel versorgt werden, wobei die Brennzonen der Flammrohre über Durchlässe miteinander verbunden sind.

Die Flammrohre können in einzelnen Luftgehäusen sitzen, welche selbst durch Durchlässe miteinander in Verbindung stehen können.

Die'Erfindung in Anwendung bei einer Gasturbinenanlage soll nunmehr an Hand der die Erfindung beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher erläutert werden, und zwar zeigt

Fig. ι einen Schnitt durch eine einzelne Brennkammer,

Fig·. 2 eine Draufsicht auf die Brennkammer gemäß Fig. i, wobei der End-Domdeckel abgenommen ist, während

Fig. 3 eine schau'bildliche Seitenansicht von dreien einer Mehrzahl von Brennkammern, welche symmetrisch um die Achse einer Gasturbinenanlage verteilt angeordnet sind, wiedergibt.

Die in Fig. ι dargestellte Brennkammer besteht aus einem zylindrischen Ltiftgehäuse i, an welchem ίο am einen Ende ein Domende bzw. ein gewölbter Deckel 2 sitzt, während am anderen Ende ein Verschluß befestigt ist, welcher eine Verbindung für verdichtete Zufuhrluft aufweist, beispielsweise einen Dom 3 mit einem Trichtermundstück 3 A für den Anschluß einer Luftleitung. Innerhalb des Gehäuses ι s':zt gleichachsig ein Flammrohr 4, welches ein kegelstumpfförmiges Rohr mit einem zylindrischen Teil 4 A an seinem weiten Ende aufweist. Das enge Ende des Flammrohrs sitzt in einem Krümmer 15, welcher die Verbrennungsgase rechtwinklig durch die Wandung des Gehäuses 1 hindurchführt. Das Gehäuse r ist eines einer Mehrzahl von Gehäusen, welche in Parallelbetrieb arbeiten sollen, und weist Luiftrohrstutzen τ Α auf, welche sich in radialer Richtung von diesem weg erstrekken, um benachbarte Gehäuse miteinander zu verbinden. Innerhalb dieser Rohrstutzen \A sind, im wesentlichen gleichachsig mit den Luftstuttzen, Flammstutzen 4 B vorgesehen, welche in ähnlicher Weise das Flammrohr der einen Brennkammer mit den Flammrohren der benachbarten Brennkammern verbinden. In den Fig. 1 und 2 sind diese Rohrstutzen gleichachsig dargestellt. In Fig. 3, wo die mehreren Kammern in einem Kreis angeordnet sind, sind sie gegenseitig um einen gewissen Betrag zueinander versetzt.

Der Dom 2 weist in seinem Innern eine gleichachsige Büchse 2A auf, in welche eine Hilfsdüse 5 der Zerstäuberbauart eingepaßt ist, welche mit Brennstoff unter Druck durch ein Rohr ζΑ hin- . durch gespeist wird. Die Hilfsdüse ragt in die Flammzone innerhalb des Flammrohres hinein. In diese Zone ragt auch die »Arbeits«-Elektrode (Spannungs-Elektrode) 6A einer Zündkerze 6 hinein, die im Dom 2 sitzt, während eine »Erde-Elektrode 6 B an einem beliebigen benachbarten Teil angeschlossen ist. Teile, die sonst die Wirkung der Elektrode 6A beeinträchtigen wurden, sind zurück- oder weggeschnitten, um die Funken in die gewünschte Richtung zu leiten.

t Am sonst offenen Ende des Flammrohrteiles 4A ist eine Drall- oder Wirbelvorrichtung vorgesehen, deren Zweck darin besteht, in der an diesem Ende in das Flammrohr eintretenden Primärluift eine starke Wirbelung in demjenigen Gebiet hervorzurufen, wo der Brennstoff eingeführt wird. Diese Wirbelvorrichtung besteht aus einem konischen Ringträger 7, einer äußeren gleichachsigen zylindrischen Hülse 8 und einer inneren gleichachsigen Hülse 9. Zwischen den Hülsen 8 und 9 ist eine Reihe von Wirbelschaufeln 8A vorgesehen, deren Drehsinn in der einen Richtung verläuft — beispielsweise in Uhrzeigerdrehrichtung, von vorn nach hinten gesehen —, und zwischen'der Hülse 9 und der Büchse 2A ist eine -Innenreihe von Wirbelschaufeln gA vorgesehen, deren Drehsinn umgekehrt ist. Luft vom Gehäuse 1 her fließt durch die Durchlässe hindurch, welche durch diese beiden Schauifelreihen oder -kränze gebildet werden, wie dies durch den Pfeil 10 angedeutet ist, und wird dadurch im Flammgebiet innerhalb des Flammrohres stark verwirbelt. Etwas Rückfluß bzw. Rückströmung in der Nähe der Achse hat sich bei dieser Anordnung herausgestellt, und dies scheint für die Aufrechterhaltung der Verbrennung günstig zu sein.

Durch den Dom 2 und den Ringträger 7 hindurch führen acht Brennstoff rohre 11, welche sich im wesentlichen parallel zur Flammrohrachse (und symmetrisch dazu) erstrecken, und zwar über die Hälfte der Länge des Flammrohres hinweg, und dann sich rückwärts zurückbiegen, so daß sie strömungsaufwärts gerichtet sind. Sie endigen in Düsen 11A. Diejenigen Teile dieser Rohre, welche der Flamme ausgesetzt sind, arbeiten als Verdampfer, so daß der den Rohren 11 zugeführte flüssige Brennstoff in dampfförmigen Brennstoff umgewandelt wird, welcher strömungsaufwärts gerichtet aus den Düsen 11A austritt. Eine solche Anordnung hat in sich den Nachteil, daß sie in Schwingung geraten kann, wenn die Rohre 11 einfach parallel von einer gemeinsamen Lieferquelle her gespeist werden. Es ist beispielsweise einleuchtend, daß kleine Ungleichmäßigkeiten des Wärmeaustausches zwischen den Rohren des Verdampfers in dem einen Rohr eine momentane Unterversorgung von flüssigem Brennstoff bewirkt, während ein anderes Rohr überversorgt wird. Das unterversorgte Rohr wird heißer, während das überversorgte Rohr kälter wird, so daß dieser Arbeitszustand ein selbstverstärkender ist, mit der Folge, daß ein unstabiler Arbeitszußtand, Zerlegung des Brennstoffes und Niederschlag von Kohlenstoff in den Rohren auftreten. Da einer der Zwecke der Erfindung darin besteht, eine gleichförmige Wärmeverteilung in den abgegebenen Gasen (ebenso wie eine Gleichförmigkeit in einer Mehrzahl von Brennkammern) zu erzielen, so sind die nachfolgend beschriebenen Vorkehrungen getroffen, um diese Schwierigkeit zu beseitigen.

Die Rohre 11 kommen von einer gemeinsamen Ausgleichkammer 12, welche mit flüssigem Brennstoff unter Druck über ein Brennstoff rohr 13 gespeist wird und ein Sieb, beispielsweise ein feinmaschiges Drahtsieb 12A, aufweisen kann. Wo jedes Rohr π in die Kammer eintritt, ist eine kleine Düse ι IjB in Form eines eingeschraubten Nippels vorgesehen. Die Düsen dieser Nippel bilden Einschnürungen, und sie sind so ausgewählt und bemessen, daß sie einen Druckabfall bewirken, wodurch Druckstöße bzw. Schwingungen im Vergaser als Ganzes verhindert werden. Es ist nicht genau möglich, die Verhältnisse oder Abmessungen dieser Einschnürungen für jeden Fall festzulegen; sie hängen ab von der Art und Weise, den Abmessungen und den Betriebstemperaturen usw. der Rohre

sowie von der Art des Brennstoffes und dem Bereich der Strömungsgeschwindigkeiten, die zur Anwendung kommen, und von der Eigenart der Düsenöffnungen bei Ii A.

Die Flammrohre 4 sind bei 4 C gelocht bzw. mit Aussparungen versehen, und zwar für den Durchtritt von Luft vom Gehäuse 1 her. Die durch diese Durchlässe 4C strömende Luft wird als »Sekundär «-Luft bezeichnet, d. h. Luft, welche nicht notwendig ist, um die Verbrennung zu vervollständigen. Die »Primär«-Luift ist diejenige, welche durch die Durchlässe der Wirbelvorrichtung hindurchtritt. Jedoch hat sich in der Praxis herausgestellt, daß bei den hohen Geschwindigkeiten und bei den hohen Brenngeschwindigkeiten, für welche die Erfindung zur Anwendung kommen soll, die Sekundärluft bei geeigneter Zuführung die Verbrennung beschleunigt und die Flamme verkürzt. Wenn sie in einem Gebiet in zu starkem Ausmaß zugeführt wird, kann sie zur Folge haben, daß die Flamme gequetscht wird, was eine unvollkommene Verbrennung oder eine lange Flamme bewirkt. Verschiedene Ausbildungen der Durchlässe können zur Anwendung kommen, und wiederum ist es nicht mög-

z5 Hch, genau diese Ausbildung in allen Einzelheiten festzulegen, da dies von den Betriebsbedingungen und von den zui berücksichtigenden Erfordernissen abhängt. Ganz allgemein besteht dann, wenn die Erfindung bei den vorerwähnten Kraftanlagen zur Anwendung kommen soll, der Zweck darin, die Temperatur einer großen Masse von mit hoher Geschwindigkeit strömenden Luft zui erhöhen, und zwar wird ungefähr sechsmal mehr Luft durch die Brennkammer hindurchgeschickt, als notwendig ist, um die Menge des zur Anwendung kommenden Brennstoffes zu verbrennen. Eine innige und schnelle Mischung der Sekundärluft mit den unmittelbaren Brenngasen oder der Flamme wird da-' her angestrebt. Experimente scheinen zu. ergeben, daß gute Ergebnisse dann erzielbar.sind, wenn das Massenverhältnis (pro Zeiteinheit) von Primär- zu Sekundärluft ungefähr 2 : 4 ist. '

Die Inbetriebsetzung bzw. Zündung der Anlage geschieht wie folgt: Bei verhältnismäßig kleiner Luftströmung wird die Zündung eingeschaltet und die Anlasserdüse geöffnet. Der Brennstoff von der Anlasserdüse her zündet, und die Zündung wird abgeschaltet. Die Luftströmung kann nun schwach vergrößert werden, und nach einer gewissen Zeit, wenn die Vergaserrohre genügend erhitzt worden sind, wird die Hauptbrennstoffleitung geöffnet. Die Luftströmung wird nun vergrößert, sobald das aus den Vergaserrohren austretende Gas brennt, woraufhin die Hilfsdüse abgeschaltet wird. Innerhalb weiter Grenzen kann nun der Zustrom von Brennstoff und Luft verändert werden, und es ergibt sich unter der Voraussetzung, daß das Verhältnis von Luft zu Brennstoff im wesentlichen konstant gehalten wird, eine gleichmäßige Erhitzung der Verbrennungsgase und der überschüssigen Sekundärluft.

Da die Brennkammer eine unter einer Mehrzahl von Brennkammern ist, ist das Brennstoffverhalten bei allen das gleiche, und die Zündung in der einen zündet in allen, wobei die Flammstuitzen 4 B die brennenden Gase von einem Flammrohr zum benachbarten hin übermitteln. Eine Zündkerze hat sich als ausreichend herausgestellt, um eine Zündung eines Ringverbandes von zehn Kammern zu bewirken.

Die Luftstutzen iA gleichen die Luftdrücke in den mehreren Luftgehäusen au/s.

Vorkehrungen sollten getroffen werden, um die Arbeitsmittelströmungs-Einschnürungen bzw. -Behinderungen einander anzupassen, derart, daß die Brennstoffversorgung einer Mehrzahl von Brennkammern gleichförmig gehalten wird. Alternativ kann die Zufuhr zui jeder Brennkammer gemessen und durch andere bekannte Steuer- und Anzeigevorrichtungen geregelt werden.

Die Luftgehäuse 1 können kegelförmige Gestalt aufweisen, haben aber, wie auch die Flammrohre, vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt, wenn beträchtliche Drücke auftreten und eine leichte Bauart verlangt wird, wie dies z. B. bei Antriebs- oder sonstigen Kraftanlagen für Luftfahrzeuge der Fall ist.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Brennereinrichtung oder Brennkammer mit einer Mehrzahl von Flammrohren, welche in Parallelbetrieb mit Brennstoff und Luft versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, daß Durchlässe oder Verbindungsleituingen vorgesehen sind, welche die Brennzonen der Flammrohre miteinander verbinden.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Flammrohr in einer einzelnen Luftkanimer eingeschlossen ist und daß die Luftkammern durch Verbmdungsleitungen oder Durchlässe verbunden sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbinduingsleitungen oder Durchlässe, welche die Flammrohre verbinden, eingeschlossen sind in den die Luftkammern verbindenden Durchlässen oder Verbindungsleitungen,

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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