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Feuerung für flüssige, gasförmige oder staubförmige Brennstoffe Bei
der Verbrennung ist es erwünscht, den Brennstoff in möglichst kurzer Zeit vollständig
und verlustlos in die Verbrennungsprodukte Kohlendioxyd und Wasserdampf unter möglichst
geringem Aufwand überzuführen, d. h. unter anderem auf möglichst kleinem Raum. Voraussetzung
ist hierfür die innige Mischung von Brennstoff und Luft. Die Schwierigkeit der Verbrennung
findet selbst bei festen Brennstoffen keineswegs ihre Begrenzung in der chemischen
Reaktionsfähigkeit des Brennstoffes, bestimmend sind vielmehr physikalische Vorgänge
des Wärmeüberganges, der Mischung, der Diffusion und der Verdampfung.
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Das Zuführen des Brennstoffes erfolgt allgemein über Brenner, die
die Aufgabe haben, den Brennstoff mit dem für den ersten Teil des Verbrennungsvorganges
erforderlichen Sauerstoff zu mischen und hierdurch die Zündung durch stetiges Nachfördern
des Brennstoffes aufrechtzuerhalten. Zahlreiche Konstruktionen und Verbesserungen
befassen sich mit der Aufgabe, diese Mischung im Brenner und innerhalb des Brennermaules
durch teilweises Verwirbeln zu verbessern. Diese Maßnahmen brachten sicherlich in
vielen Fällen eine Verbesserung; sie reichen jedoch nicht aus, wenn es darauf ankommt,
die Feuerung auf kleinstem Raum leicht und billig zu bauen und auf kleinstem Raum
eine praktisch vollständige Verbrennung des Brennstoffes möglich zu machen.
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Um diese Feuerung hoher Leistung zu schaffen, wird gemäß der Erfindung
von einer Feuerung für flüssige, gas- oder staubförmige Brennstoffe ausgegangen,
bei der das Brennstoff-Luft-Gemisch in eine
im Achsnormalschnitt
kreisförmige, an einem Stirnende bis auf eine zentrale Gasaustrittsöffnung geschlossene
Brennkammer an diesem Ende am Brennkammerumfang im wesentlichen tangential eingeführt
wird und die Verbrennung in einem Wirbel erfolgt, bei dem die Feuergase zuerst an
der Umfangswand in Schraubenform mit axialer Strömungsrichtung weg vom genannten
Ende kreisen, dann ihre axiale Strömungsrichtung umkehren und unter Beibehaltung
des Drehsinns innerhalb des Umfangswandwirbels zu der Austrittsöffnung strömen.
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Eine solche Feuerung ist bekannt. Die Brennkammer ist aber dort lediglich
eine Vor- und Aufbereitungskammer, eine Zündkammer mit Teilverbrennung. Ihr ist
ein Hauptbrennraum als eigentlicher Brennraum nachgeschaltet. Zweitluft wird den
Feuergasen entweder zentral vom Kammerboden her in der Kammer selbst (Zweitluft-Transportströmung)
oder nach Verlassen der Kammer zugeführt. Beides ist sehr nachteilig. Im ersten
Falle wird der Umfangswandwirbel gestört, im zweiten Falle bekommt die Feuerung
zu große Ausmaße. Ein weiterer Nachteil ist der, daß ein Teil des Gemisches des
Umfangswandwirbels insbesondere durch die Wirkung der Zweitlufttransportströmung
im Kurzschluß mehr oder weniger direkt zur zentralen Austrittsöffnung strömen kann,
wodurch für diesen Teil der Brennweg zu kurz ist.
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Gemäß der Erfindung soll eine Feuerung mit hoher Feuerraumbelastbarkeit
der Brennkammer geschaffen werden. Dabei soll der in die Brennkammer eingeführte
Brennstoff innerhalb der Kammer praktisch vollständig verbrennen können. Die Kammer
soll trotzdem standfest und des weiteren kleinsträumig, leicht und billig sein und
einen hohen Ascheeinbindegrad haben. Asche u. dgl. sollen insbesondere im flüssigen
Zustand aus der Brennkammer abgeführt werden können. Zwecks Lösung dieser Aufgabe
ist wesentlich, daß die Kammer Merkmale aufweist, durch die gewährleistet ist, daß
auch bei geringstmöglichem Luftüberschuß eine innige und schnelle Mischung des der
Kammer zugeführten Brennstoffes mit der ihr zugeführten Verbrennungsluft erfolgt
und das praktisch vollständige Verbrennen in dem genannten Wirbel erfolgen kann.
Störungen durch andere Strömungen und Energievernichtung durch unnötige Verwirbelung
und unzweckmäßig verschieden gerichtete Brennstoff- und Luftstrahlen sollen nicht
auftreten. Brennstoff, Verbrennungsluft und die entstehenden Verbrennungsgase sollen
mit möglichst hohen Umfangsgeschwindigkeiten kreisen.
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Erfindungsgemäß wird die vorgenannte Feuerung in folgender Weise gebaut:
Ein den Gasauslaß bildendes, mit seinem unteren Ende über die Brennstoff-Luft-Gemisch-Einführung
hinaus axial in die Brennkammer frei eintauchendes Rohr und die Brennkammerumfangswand
begrenzen einen freien Ringraum; die Brennkammerzweitluft strömt ausschließlich
am Umfang der Brennkammer und dort immer im wesentlichen tangential ein; wenigstens
ein Teil der Anzahl der hierfür vorgesehenen Düsen ist dem Verbrennungsfortschritt
im Umfangswandwirbel entsprechend angeordnet, und sowohl die Wandungen der Brennkammer
als auch das Tauchrohr weisen kühlmittelführende Rohre auf. Das Tauchrohr kann auch
aus solchen Rohren bestehen.
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Es sind Einrichtungen, und zwar Feuerungen anderer Gattung und ein
Staubabscheider bekannt, die Teilmerkmale dieser Feuerung aufweisen. So ist bei
einer bekannten Brennkammer zwar ein in diese axial frei eintauchendes Rohr vorhanden,
aber dieses reicht bis dicht über den Brennkammerboden (Drosselspalt) und hat einen
äußerst geringen Durchmesser, ist also aus diesen beiden Gründen ein Drosselrohr
und kein Tauchrohr im Sinne der Erfindung, das den genannten Wirbel mit Innenrückströmung
zur Ausbildung kommen läßt. In dem engen Drosselspalt wird der gesamte Drall vernichtet.
Die Verbrennung soll dort im Umfangswandwirbel beendet sein. Sekundärlufteinströmung,
Sekundärluftdüsenanordnung und Kühlung der Brennkammerwandungen sind nicht vorhanden.
Auch weist ein bekannter zyklonartiger Ascheabscheider ein Tauchrohr auf, aber es
handelt sich eben nur um einen Abscheider und nicht um eine Brennkammer, und es
sind zahlreiche Merkmale der Feuerung gemäß der Erfindung dort nicht vorhanden.
Eine andere bekannte Brennkammer, die birnenförmig und dabei am Gasauslaß sehr weit
offen ist, weist zwar in zwei Querebenen tangentiale Zw eitlufteinströmungen auf,
aber auch eine axiale Zweitlufttransportströmung. Ferner hat sie kein Tauchrohr,
keinen Ringraum und keine Kühlungen.
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Sämtliche Merkmale der Feuerung gemäß der Erfindung sind bezüglich
ihrer Gesamtwirkung innig miteinander verknüpft und ergeben zusammen eine Feuerung
hoher Leistung. Ihre von einer axialen Sekundärluft-Transportströmung freie Brennkammer
enthält einen kräftigen, ungestörten, überall drallstarken Wirbel mit hoher Turbulenz,
inniger und schneller Mischung von Brennstoff und Luft, schnellster und vollkommener
Verbrennung und starker Ascheausscheidung. Die Kammer ist kleinsträumig und bei
praktisch vollkommener Verbrennung in der Kammer und äußerst hohen Temperaturen
mit geringem oder ohne Luftüberschuß betreibbar und trotzdem standfest. Die Asche
kann aus ihr flüssig abgezogen werden. Sie ist bei Verfeuerung von Brennstoffen
unter erhöhtem Verbrennungsdruck (z. B. von mehreren Atmosphären) besonders geeignet,
da sie infolge ihrer kleinen Abmessungen leicht druckfest gestaltet werden kann.
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Bei der praktischen Ausführung der Feuerung gemäß der Erfindung kann
die Brennkammer, wie an sich bekannt, in Richtung der Verbrennung im Umfangswandwirbel
gesehen, konisch erweitert sein, da sich durch die Zweitluft die Gasmenge vergrößert
und in Richtung der Verbrennung gesehen das Volumen der Feuergase durch die fortschreitende
Verbrennung zunimmt. Zwecks besserer Umlenkung des Umfangswandwirbels nach innen
ist es dabei zweckmäßig, die Brennkammer an die konische Erweiterung anschließend
konisch auf einen kleineren Durchmesser einzuziehen oder an diese Erweiterung einen
Zylinder anzuschließen.
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Bei größeren Anlagen können mehrere Brennkammern der Feuerung gemäß
der Erfindung parallel geschaltet und entsprechend der jeweiligen Last nacheinander
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oder abschaltbar sein. Jede einzelne Brennkammer kann dann mit kleinerem Durchmesser
ausgeführt werden, was beim heutigen Stand der Feuerungstechnik wirtschaftlicher
und ferner für das Ausfahren von Teillasten vorteilhaft ist. Es ist zu beachten,
daß bei der gemäß der Erfindung vorliegenden Vereinigung einer Brennkammer und eines
Abscheiders hoher Leistung insbesondere bei Gasturbinenanlagen unter verhältnismäßig
hohem Gesamtdruck Druckverluste von mehreren tausend Millimetern Wassersäule in
Kauf genommen und damit entsprechend hohe Abscheidegrade erreicht werden können.
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Die Erfindung erhält also auch ihre besondere Bedeutung für die Anwendung
auf die Verbrennung von festen Brennstoffen, z. B. von Kohlenstaub, für Gasturbinen.
Die Gasturbinen haben heute bereits für flüssige und gasförmige Brennstoffe einen
hohen Ent-@vicklungsstand aufzuweisen. Ihre Beschränkung jedoch auf flüssige und
gasförmige Brennstoffe läßt sie hinter den anderen Energieerzeugungsanlagen stark
zurücktreten, da für solche hochwertigen Brennstoffe bereits Verfahren mit besseren
thermischen Wirkungsgraden vorhanden sind. Erst die Verwendung von Kohlenstaub als
Brennstoff für Gasturbinen läßt eine weitgehende Ausweitung des Anwendungsgebietes
erwarten. Die Schwierigkeit der Verwendung von Kohlenstaub liegt darin, daß die
in der Kohle enthaltene Asche gleichfalls in die Feuergase gelangt und in den anschließenden
Wärmetauschern und Gasturbinen die Baustoffe schmirgeln und erodieren, so daß diese
Anlageteile innerhalb kurzer Betriebszeit überaus stark verschleißen. Diese Nachteile
sind durch die Erfindung praktisch zu beheben, vornehmlich wegen des durch sie erzielbarenEinbindegrades.
Dieser kann bei Gasturbinen, die mit verhältnismäßig hohen Eintrittsdrücken des
Arbeitsgases arbeiten, besonders hoch getrieben werden, weil bei ihnen ein hoher
Druckverlust in der Kammer, der ihre Abscheidewirkung erhöht, nicht so stark ins
Gewicht fällt.
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In der Zeichnung ist in Fig. i und 2 eine Brennkammer der Feuerung
gemäß der Erfindung als Ausführungsbeispiel dargestellt, und zwar in Fig. i im Längsschnitt
und in Fig. 2 in einem Querschnitt.
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Das Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch tritt über Brenner io mit
Brennermündung 37 in eine sich unmittelbar an die Brenner io anschließende, im Achsnormalschnitt
kreisförmige Brennkammer ii ein. Der Brennstoff wird nach Eintritt getrocknet, entgast
und auf Zündtemperatur gebracht. Unter Beibehaltung des zugeführten Dralles des
Brennstoff-Luft-Gemisches rotiert die Flamme bzw. rotieren Feuergase in der Kammer
ii, wobei sie sich allmählich kammeraxial nach unten in Richtung des Pfeiles 38
fortbewegt bzw. -bewegen. Die Feuergase werden durch einen zentrisch liegenden inneren
Wirbel nach oben durch ein zentrales Austrittsrohr 36 hindurch abgeführt. In diesem
inneren Wirbel kann noch ein Teil der Verbrennung stattfinden.
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Je nach Art des Brennstoffes wird Zweitluft an den Brennern io über
die Düsen 2g sowie an einer tiefer liegenden Stelle der Kammer ii über die Düsen
30 zugeführt und damit auch gleichzeitig der Wirbel durch neue Drallenergie aufrechterhalten.
Die Düsen 29 und 30 schließen sich an Ringkanäle 31 und 32 an.
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Ein in die Kammer ii kammeraxial frei eintauchendes, den Feuergasauslaß
36 bildendes Rohr ist mit 26 und ein Aschenabfluß ist mit 28 bezeichnet. Das Tauchrohr
26, das aus aneinandergelegten Rohrschlangenwindungen 39 mit gasdicht verschweißten
Rohren besteht, taucht über die Brennermündungen 37 hinaus axial in die Brennkammer
ii frei ein. Zwischen dem Rohr 26 und der Brennkammerumfangswand 35 wird ein freier
Brennringraum 34 belassen.
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Die Brennkammerwände bestehen auch aus aneinandergelegten Rohrschlangenwindungen,
mit 17 bezeichnet, mit ebenfalls gasdicht verschweißten Rohren. Die Rohrschlangen
haben den Vorteil, auch bei einseitiger Beheizung in den Rohren selbst keine Wärmespannungen
auftreten zu lassen sowie gleichzeitig eine wirksame Kühlung zu ermöglichen. Diese
Rohrschlangen-Brennkammer ii ist kleinräumig und druckfest gegenüber einem Verbrennungsdruck
von mehreren Atmosphären.
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Über den Verteiler 24 wird an den Stellen 2o, 21 und 33 z. B. Wasser,
Kaltgas oder Kaltluft den Schlangen 17 zugeführt. Der in den Schlangen 17 aus dem
Wasser erzeugte Dampf, das in ihnen erhitzte Gas oder die in ihnen erhitzte Luft
wird an mehreren Stellen 18, ig und 23 abgezapft und dem Sammler 25 zugeführt..
Die Wände der Brennkammer ii sowie das Tauchrohr 26 werden also sehr wirksam gekühlt,
und zwar kann die Kühlung zur Vorwärmung der Verbrennungsluft, zum Zwecke der Zwischenüberhitzung
od. dgl. verwendet werden.
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Gemäß Fig.2 tritt Brennstoff-Luft-Gemisch an mehreren Stellen 12 und
13 auf dem Umfang im wesentlichen tangential ein, während Zweitluft bei 14 und
15
durch etwa tangential stehende Schaufeln 16 einströmt.
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In der Zeichnung geben die dargestellten Pfeile die Zu- bzw. Abströmrichtung
der in Frage kommenden Medien an.
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Die Kühlung der Brennkammer kann auch zweckmäßigerweise durch Verdichterluft
sowie durch Abgas, das einer Zwischenüberhitzung unterworfen werden soll, erfolgen.
Dies trägt dazu bei, daß mit Gasturbinen auch für feste Brennstoffe die Wirkungsgrade
dei Dampfturbinenanlagen erreicht werden können und den Gasturbinen damit ein weites
Anwendungsgebiet gesichert wird.