DE952951C - Erhitzungsvorrichtung fuer Brennkraftturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Brennkraftturbinen, im besonderen jene Vorrichtungen für Brennkraftturbinen, in denen das Arbeitsmittel, gewöhnlich Luft, erwärmt und danach in einer oder mehreren Turbinen entspannt wird.

Normale Brennkammern für Brennkraftturbinen haben einen Brennraum, in dem ein geeigneter, mit Luft gemischter Brennstoff gezündet wird, wonach die dadurch entstehenden Verbrennungsprodukte der Turbine bzw. den Turbinen· weitergeleitet werden.

Es sind ebenfalls Brennkraftturbinen bekannt, bei denen Wärmeaustauscher verwendet werden, welche die Wärme der heißen Turbinenabgase auf die vom Verdichter kommende kalte Luft übertragen, wonach diese vorgewärmte Luft in der Brennkammer weiter erwärmt wird.

Ein für Brermkraftturbinenanlagen besonders geeigneter Wärmeaustauscher ist ein rotierender RegenerativwärmeauiStauBcher, d. h. ein Wärmeaustauscher, der im Vergleich mit anderen bekannten Arten einen hohen thermischen Wirkungsgrad aufweist. Der rotierende .Regenerativwärmeaustauscher ist jedoch an sich bekannt und für sich allein nicht Gegenstand der Erfindung.

Bei Anlagen mit rotierenden Regenerativwärmeaustauschern entstehen Schwierigkeiten in der Konstruktion der Brennkammer, da die Luft bis zu einer verhältnismäßig hohen Temperatur vorgewärmt wird, bevor sie in die Brennkammer eintritt. Ohne einen Teil der Verdichterluft um den Regenerator herumzuleiten und zur. Kühlung der Brennkammer zu verwenden, ist es schwer, ein Flammenrohr zu schaffen, das imstande ist, den ίο hohen herrschenden Temperaturen gerecht zu werden.

Eine Lösung dieses Problems besteht in der Verwendung einer Brennkammer, in der verdampfter oder gasförmiger Brennstoff verbrannt wird und die einen Flammenschirm aus Drahtgewebe, durchlöchertem Blech od. dgl. besitzt. Infolge des Widerstandes dieses Flammenschirmes wird das Brennstoff-Luft-Gemisch gleichmäßig über seine Fläche verteilt, bevor es hindurchströmt. Die Folge davon ao ist eine niedrige Geschwindigkeit des Gemisches und eine kurze nicht leuchtende Flamme im Flammenrohr und damit eine weniger intensive Erwärmung desselben durch Strahlung.

Eine derartige Brennkammer läßt sich bequem mit einem rotierenden Regenerativwärmeaustauscher vereinigen, da die Geschwindigkeit der den Regenerator verlassenden, vorgewärmten Luft bereits zu einem erträglichen Werte herabgesetzt worden ist.

Der Flammenschirm dient einem doppelten Zweck: Einerseits sichert er eine gleichmäßige Verteilung des Brennstoff-Luft-Gemisches über die ganze Fläche des Schirmes, und andererseits verhindert er jede Beschädigung des Regenerators durch die Hitze der Flamme.

Es ist anderweitig eine Erhitzungsvorrichtung vorgeschlagen worden, bestehend aus einem rotierenden Regenerativwärmeaustauscher und einem mit feststehendem Flammenschirm versehenen Brenner für die Verbrennung von verdampftem oder gasförmigem Brennstoff.

In der vorgeschlagenen Anordnung besteht der Flammensohirm aus wechselweisen schaufeiförmigen und wabenförmigen Abschnitten. Der Brennstoff und die Luft — gewöhnlich Erstluft genannt —, die zur Verbrennung erforderlich sind, strömen durch die wabenförmigen Abschnitte, während die zu Kühlzwecken erforderliche Luft — gewöhnlich Zweitluft genannt — durch die schaufeiförmigen Abschnitte strömt und sich dann mit den Verbrennung-sprodukten im Brennraum mischt, wodurch die Flammentemperatur herabgesetzt und die Wandungen des Flammenrohres gekühlt werden.

Es ist wichtig, eine innige Mischung der Zweitluft und der Verbrennungsprodukte in einem möglichst kleinen Raum zu erzielen, was aber im Hinblick auf die geringen Gasgeschwindigkeiten manchmal schwierig ist. Zweck dieser Erfindung ist es, diesen Mischvorgang zu verbessern, damit sich ein Gemisch von gleichmäßiger Temperatur in der Brennkammer bildet.

Gemäß dieser Erfindung besteht die Erhitzungsvorrichtung aus einem rotierenden Regenerativwärmeaustauscher in Verbindung mit einer Brennkammer (in der verdampfter oder gasförmiger Brennstoff verbrannt wird) und einem Flammenschirm, der in Umdrehung gesetzt wird, damit eine innigere Mischung des Brennstoff-Erstluft-Gemisches mit der Zweitluft nach der Verbrennung des ersteren erzielt wird, so daß der Mischvorgang in einem möglichst kleinen Raum durchgeführt werden- kann.

Zu diesem Zweck wird vorzugsweise einer der beiden anderweitig vorgeschlagenen rotierenden Regenerativwärmeaustauscher angeordnet, wobei der Flammenschirm in einem Rotor untergebracht ist, der außerdem Schaufeln besitzt, damit der Rotor in Umdrehung gesetzt werden kann.

Mit einem rotierenden Flammenschirm, wie oben beschrieben, erzielt man eine sehr weitgehende Mischung der aus Brennstoff und Erstluft entstandenen Verbrennungsgase mit der Zweitluft. Die Abmessungen einer solchen Brennkammer sind dabei kleiner als die, welche bei Anordnung eines feststehenden Flammenschirmes erforderlich sind.

Da in letzterem. Falle; d. h. mit feststehendem Flammenschirm, die Verbrennungsprodukte und die Zweitluft nur geringe Geschwindigkeit besitzen, geht der Mischvorgang normalerweise langsam vor sich. Durch Umdrehung des Flammenschirmes wird aber eine gleichmäßige Mischung kurz nach dem Austritt des Gemisches aus dem Flammenschirm erzielt.

Die Merkmale der Ansprüche 2, 3 und 6 sind je für sich allein nicht Gegenstand der Erfindung, sondem sollen nur in Verbindung mit den Merkmalen des oder der vorhergehenden Ansprüche unter Schutz gestellt werden.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt, in denen ist

Fig. ι ein Längsschnitt durch eine Erhitzungsvorrichtung mit rotierendem Flammenschirm,

Fig. 2 eine Vorderansicht der in Fig. 1 dargestellten Erhitzungsvorrichtung, gesehen von links gegen rechts von Fig. r,

Fig. 3 ein Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1, in Richtung der Pfeile gesehen. Dieses Bild zeigt die Konstruktion des rotierenden Regenerators.

In der als Beispiel dargestellten Form einer Ausführung gemäß der Erfindung wird ein rotierender Regenerativwärmeaustauscher entsprechend einem anderweitigem Vorschlag verwendet, und zwar ein solcher, in dem die Speichermasse, d. h. der wirksame wärmeaustauschende Stoff, in mehreren scheibenförmigen Rotoren untergebracht ist. Diese Rotoren sind ringförmig um eine Mittelachse angeordnet, die der Mittelachse des Brenners entspiidit. Jeder Rotor bildet an und für sich einen vollständigen rotierenden Regenerativwärmeaustauscher. Wenn, man bei einem bestimmten Durchsatzgewicht iao der Gase einen einzigen großen Rotor durch eine Anzahl kleinerer Rotoren ersetzt, dann wird der Vorteil erzielt, daß die Abmessungen der Dichtungen herabgesetzt werden können, was wiederum das Verziehen reduziert. Außerdem ist es so mög- 1*5 Hch gemacht, die Ein- und Austrittsöffnungen für

das zu erwärmende Medium in getrennten Ringräumen anzuordnen und den Regenerator mit einem ringförmigen Brenner — ohne eingeschachtelte Leitungen — zu verbinden.

Gemäß Fig. ι tritt das Abgas der Turbine durch den Eintrittsringraum ι und kalte Luft vom Verdichter durch den inneren Ringraum 2 in die scheibenförmigen Rotoren ein. Im Bereich des Austritts 3 der vereinigten Kaltgasseiten, d. h. des Austrittsringraumes für die kalte Luft, die nach ihrer Erwärmung aus dein Scheiben austritt, befindet sich ein rotierender Flammenschirm 4.

Ein Rotor 7 besitzt radial angeordnete Eintrittsschaufeln 5 und Austrittsschaufeln 6, die den Rotor in mehrere Abteilungen unterteilen. Einige dieser Abteilungen enthalten den Flammenschirm aus wabenförmig gestaltetem., dünnwandigem Baustoff, wie. z. B. Blech od. dgl., oder aus durchlöchertem oder netzförmigem Baustoff.

Der Rotor 7 sitzt auf derselben Welle 8 wie das Zahnrad 9. Dieses kämmt mit einem Zahnkranz auf dem äußeren Umfang jeden Rotors 10 und setzt damit sämtliche Rotoren in Bewegung. Durch zweckentsprechende Gestaltung der Schaufeln 5 und 6 kann der Rotor 7 durch Beaufschlagung von Brennstoff-Luft-Gemisch getrieben werden.

Der Brennstoff wird mittels einer in dem Heißgasringraum angeordneten Heizschlange 12 verdampft. Der Brennstoffdampf gelangt durch die Hohlwelle 8 zu Vertei lungs röhren 13, deren Enden mit Düsen 14 versehen sind.

Fig. 2 zeigt die Konstruktion des Flammenschirmes im einzelnen. Die Sektoren 15 enthalten den Flammenschirm, während abwechselnd aufeinanderfolgende, dazwischenliegende Sektoren mit Schaufeln 6 versehen sind. Vorgewärmte Luft tritt aus dem Regenerator durch Ringraum 3 (s. Abb. 1), mischt sich mit dem von den Düsen 14 kommenden verdampften Brennstoff und tritt endlich in den Rotor 7 ein. Hier strömt ein Teil der Luft — üblicherweise Erstluft genannt — in zur Verbrennung ausreichender Menge durch den wabenförmigen oder durchlöcherten Abschnitt 15. Infolge des Widerstandes von letzterem wird das Brennstoff-Luft-Gemisch im wesentlichen gleichmäßig über die ganze Fläche des Flammenschirmes verteilt. Der restliche Teil der vorgewärmten Luft — üblicherweise Zweitluft genannt — strömt durch die von den Schaufeln 6 begrenzten, dazwischengesohachtelten Abteilungen. Da diese Zweitluft kälter als das Brennstoff-Erstluft-Gemisch ist, kühlt sie die Wandungen des Flammenrohres vor ihrer vollständigen Mischung mit den aus den Abteilungen 15 austretenden Verbrennungsprodukten.

Fig. 3 zeigt die Anordnung des rotierenden Regenerativwärmeiaustauschers, wobei die Scheiben 10 ringförmig um eine Mittelachse gemäß einem anderen Vorschlag angeordnet sind.

Die alternative Ausführung, wie sie ebenfalls anderweitig vorgeschlagen ■ wurde, kann nach Wunsch auch verwendet werden.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Vorrichtung zur Erhitzung des Arbeits- " mittels von Brennkraftturbinen, gekennzeichnet durch die Kombination eines an sich bekannten Regenerativwärmeaustauschers mit rotierenden Scheiben und einer einen rotierenden Flammenschirm enthaltenden Brennkammer, in dem verdampfter oder gasförmiger Brennstoff verbrannt wird.
2. 2. Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie so ausgelegt ist, daß die Geschwindigkeit des durch den Flammenschirm strömenden Gases von der gleichen Größenordnung ist wie die Geschwindigkeit des durch die aus Schaufeln (6) gebildeten Abteilungen strömenden Mediums.
3. 3. Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermasse, d. h. der wirksame wärmeaustauschende Stoff in mehreren scheibenförmigen Rotoren (7) untergebracht ist, die in derselben Ebene und ringförmig um die Mittelachse der Brennkammer derart angeordnet sind, daß die Ein- und Austrittsöffnungen von und zu jedem Rotor für das zu erwärmende Medium einerseits und die Ein- und Austrittsöffnungen für das zu kühlende Medium andererseits in getrennten Ringräumen (1, 2) angeordnet sind und daß der Regenerator mit einem ringförmigen Brenner verbunden ist.
4. 4. Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den Flammenschirm enthaltende ringförmige Brenner mit dem Wärmeaustauscher zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt und daß die Speichermasse in mehreren scheibenförmigen Rotoren untergebracht ist, wobei letztere derart um die Mittelachse des Brenners angeordnet sind, daß ihre Mittelachsen in einer senkrechten Ebene radial zu dieser liegen.
5. 5. Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwischenraum zwischen den einzelnen Rotoren eine Antriebsvorrichtung angeordnet ist, deren Mittelachse zweckmäßig gleichzeitig Mittelachse der Brennkammer ist.
6. 6. Erhitzungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,. dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenschirm aus wabenförmig gestaltetem, durchlochtem oder netzförmigem dünnem Material besteht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   Si «09 527/173 5.56 (609 688 11.56)