DEM0028405MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 7. Oktober 1955 Bekanntgemacht am 21. Juni 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung betrifft einen Treibgaserzeuger, insbesondere für den Betrieb von Gasturbinen, mit einem Brennrohr, in dem der Ladungswechsel und die Zündung des eingebrachten Brennstoff-Luft-Gemisches infolge periodischer Druckschwankungen selbsttätig erfolgen.

Derartige pulsierende Brennrohre haben bekanntlich einen geringen thermischen Wirkungsgrad, da die Verbrennung der durch den beim Hinausschieben der Gassäule am Eintrittsende des Brennrohres erzeugten Unterdruck angesaugten und durch Rückschwingen von Restgasmengen gezündeten Frischladung bei atmosphärischem Druck erfolgt. Für ein als Rückstoßantrieb vorgesehenes Brennrohr hat man daher schon vorgeschlagen, vor

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der Eintrittsöffnung des Brennrohres einen offenen, rohrförmigen Luftspeicher anzuordnen, in dem die Luft entsprechend der Fahrgeschwindigkeit aufgestaut wird, so daß also beim Ladungswechsel zwischen beiden Seiten der selbsttätigen Ventilklappen ein größeres Druckgefälle besteht. Die Anwendung eines solchen Stauluftspeichers ist aber nur auf Fahrzeuge beschränkt.

Bei stationären Anlagen besteht die Möglichkeit, eine Vorverdichtung der Luft bzw. des Brennstoff-Luft-Gemisches in einem Verdichter vorzunehmen. Aber gerade bei den als hauptsächliches Anwendungsgebiet für pulsierende Brennkammern in Betracht gezogenen Gasturbinenanlagen ist man bemüht, den hohen Anteil der Verdichterleistung an

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der gesamten Turbinenleistung durch Ausnutzung der Druckimpulse im Brennrohr zu verringern.

Die Erfindung, die gleichermaßen für Rückstoßantriebe als auch für Treibgaserzeuger stationärer Anlagen verwendbar ist, besteht nun darin, daß dem pulsierenden Brennrohr ein als offener Resonator ausgebildetes Ansaugrohr vorgeschaltet ist. Nach erfolgter Initialzündung eilt also wie üblich eine Druckwelle zum offenen Brennrohrende, wird

.o hier negativ reflektiert, und die am Eintrittsende des Brennrohres ankommende Unterdruckwelle bewirkt das Einbringen der Frischladung. Durch die Eintrittsöffnung des selbsttätigen Einlaßventils tritt ein Teil der Unterdruckwelle in das Ansaugrohr über und eilt weiter zu dessen offener Mündung. Infolge negativer Reflexion wird hier wieder eine rückeilende Überdruckwelle erzeugt, die beim folgenden Ladungswechsel am Einlaßventil des Brennrohres anlangt. Auf diese Weise werden auch vor dem Einlaßventil ohne zusätzlichen ]■'. ,-rgieaufwand Druckschwankungen erzeugt, die in der Füllungsperiode ein erheblich größeres Druckgefälle vor und hinter dem Ventil und damit eine größere Füllung und größeren Verbrennungsdruck ermöglichen.

Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, zwei oder drei mit abgestimmten Ansaugrohren versehene pulsierende Brennrohre auf der Einströmseite der Ansaugrohre mit einer gemeinsamen Staudüse und auf der Ausströmseite der Brennrohre mit einer gemeinsamen Schubdüse auszustatten. Die einzelnen Rohre sollen mit i8o bzw. 120⁰ Phasenverschiebung betrieben werden, so daß in der Staudüse und in der Schubdüse nahezu konstante Drücke entstehen, die ein kontinuierliches Zuströmen der Verbrennungsluft bzw. Abströmen der Treibgase bewirken sollen. Die einzelnen Brenn- und Ansaugrohre bilden hier also im Gegensatz zur Erfindung geschlossene Resonatoren, wo also die Druckimpulse vom einen zum anderen Rohr übergreifen.

Die Abstimmung des erfindungsgemäß vor dem Brennrohr angeordneten Ansaugrohres kann dadurch erleichtert werden, daß dessen Eintrittsende teleskopartig verschiebbar angeordnet wird, wodurch entsprechend der jeweiligen Temperatur oder sonstiger Einflußgrößen die Rohrlänge und damit die Laufzeit und gegenseitige Zuordnung der Wellen in beiden Rohren verändert werden kann. Ferner kann das Eintrittsrohr zur Mündungsöffnung hin sich stetig erweitern, um die Rückwurfbedingungen und Einströmverhältnisse zu verbessern.

Die im Brennrohr erzeugten Treibgase haben im allgemeinen für den Gasturbinenbetrieb zu hohe Temperaturen. Man hat daher schon Misch vorrichtungen vorgeschlagen, die aus einem das Brennrohr koaxial aufnehmenden Rohr mit selbsttätigen Ventilen bestehen, wobei dieses Mischrohr auf die Zündfrequenz des Brennrohres abgestimmt ist.

Durch die Abstrahlung der Druckimpulse aus dem Brennrohr werden auch im Mischrohr Druckschwankungen hervorgerufen, welche die selbsttätige Ansaugung der Mischluft bewirken. Zur Vergrößerung des Durchsatzes kann nun auch dem Mischrohr analog dem Brennrohr ein als offener S₅ Resonator ausgebildetes Ansaugrohr vorgeschaltet werden, dessen Eintrittsende ebenfalls teleskopartig verschiebbar angeordnet ist und das sich zweckmäßigerweise zur Mündungsöffnung hin stetig erweitert.

Für die Erzeugung großer Treibgasmengen können mehrere Brennrohre mit erfindungsgemäß vorgeschalteten Ansaugrohren zusammengefaßt werden, die dann in einen gemeinsamen Aufnehmer fördern. Weiterhin kann die Verbrennungsluft und/oder die Mischluft von einem Verdichter angesaugt und unter Druck zugeführt werden. Wegen des höheren im Treibgaserzeuger erreichten Druckverhältnisses ist hierbei die erforderliche Verdichterleistung geringer als bei jenen Brennrohren ohne Resonator. Zweckmäßigerweise kann man dann zwischen dem Verdichter und den Ansaugrohren einen weiteren Aufnehmer anordnen, der gegebenenfalls als Wärmetauscher ausgebildet sein kann. Beide Aufnehmer sind jedoch so ausreichend zu bemessen, daß eine gegenseitige Beeinflussung der Resonatoren oder der Brennrohre nicht eintreten kann.

Im folgenden wird die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen an Hand schematischer Dar-Stellungen erläutert. Es zeigt

Fig. ι ein einzelnes Brennrohr mit vorgeschaltetem, als offenen Resonator ausgebildetem Ansaugrohr,

Fig. 2 die Kombination eines Brennrohres gemaß Fig. ι mit einem Mischluftrohr, dem ein als offener Resonator ausgebildetes Ansaugrohr vorgeschaltet ist,

Fig. 3 einen aus mehreren Brennrohren zusammengesetzten Treibgaserzeuger.

In Fig. ι ist ι ein pulsierendes Brennrohr üblicher Bauart mit selbsttätigen Klappenventilen 2 und der Brennstoffdüse 3. Die Initialzündung zur Inbetriebsetzung des Brennrohres wird durch die Zündkerze 4 ausgelöst. Die Austrittsöffnung des Brennrohres ist mit 5 bezeichnet. Dem Brennrohr ι ist das Ansaugrohr 6 vorgeschaltet, dessen Eintrittsende 7 mit der Mündungsöffnung 8 in Richtung Pfeile α teleskopartig verschiebbar angeordnet ist. Die nach erfolgter Initialzündung zur Austrittsöffnung 5 eilende Druckwelle wird dort als Unterdruckwelle reflektiert, die bei ihrer Ankunft am Eintrittsende des Brennrohres 1 das öffnen der Klappen des Ventils 2 und Einströmen der Frischluft bewirkt. Durch die freien Querschnitte des Ventils 2 tritt eine Unterdruckwelle in das Ansaugrohr 6 über und eilt in Richtung zur Mündungsöffnung 8 weiter, wo sie wiederum negativ, also als Überdruckwelle, reflektiert wird. Inzwischen wurde die in das Brennrohr 1 eingebrachte Frischluftmenge mit Brennstoff angereichert, und das Gemisch wurde durch heiße Restgase zur Zündung gebracht. Wiederum wurde eine zur Austrittsöffnung 5 eilende Druckwelle erzeugt und dort negativ reflektiert. Die beiden Rohrlängen /, und I₂ sind nun so aufeinander ab-

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gestimmt, daß die von der Mündung 8 kommende Überdruckwelle für optimale Verhältnisse gleichzeitig mit der von der Austrittsöffnung 5 kommenden Unterdruckwelle am Ventil 2 anlangt, so daß für die Füllungsperiode ein größeres Druckgefälle gewonnen wird. Der Querschnitt des Ansaugrohres ist so groß bemessen, daß die volle Überdruckwelle vom Ansaugrohr 6 in das Brennrohr 1 übergreift. Nachdem die von der Austrittsöffnung 5 gekommene Unterdruckwelle in das Ansaugrohr 6 übergetreten ist, wiederholt sich der gleiche Arbeitsvorgang.

In Fig. 2 sind die der Fig. 1 entsprechenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Brennrohr 1 mit Ansaugrohr 6 ist hier in einem Mischrohr 9 angeordnet, an dessen Austrittsende ein Diffusor io angebracht ist. Am Einlaßende wird das Mischrohr von dem Klappenventil 11 begrenzt, an-welches sich das als offener Resonator ausgebildete Ansaugrohr 12 anschließt, dessen Eintrittsende 13 mit Mündung 14 ebenfalls in Richtung der Pfeile α teleskopartig verschiebbar ist. Die Austrittsöffnung des Mischrohres 9 ist mit 15 bezeichnet.

In dem Mischrohr 9 werden im Rhythmus des Brennrohres 1 Druckwellen erzeugt, die an der Austrittsöffnung 15 negativ reflektiert werden. Analog dem im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Vorgang öffnet eine am Ventil 11 an- kommende Unterdruckwelle deren Klappen, tritt in das Ansaugrohr 12 über und wird an der Mündung 14 als Überdruckwelle reflektiert. Mischrohr 9 und Ansaugrohr 12 sind wiederum so abgestimmt, daß die Ventilöffnungsperiode auf einen größtmöglichen Zeitabschnitt ausgedehnt wird und gleichzeitig das maximale Druckgefälle herrscht.

Der Treibgaserzeuger gemäß Fig. 3 besitzt insgesamt vier radialsymmetrisch angeordnete Brenn-

}o rohre 21, 21', 21", 21'", von denen das Brennrohr 21 im Schnitt gezeigt ist. Das Brennrohr 21'" liegt in der Horizontalebene hinter dem Brennrohr 21' und ist daher nicht sichtbar. Jedes dieser Brennrohre enthält am Eintrittsende ein Klappenventil 22, eine Brennstoffdüse 23 und eine Zündkerze 24, welch letztere wie bei allen anderen Rohren nur zur Inbetriebsetzung benutzt wird. Die Austrittsöffnung des Brennrohres 21 ist mit 25 bezeichnet. Jedem dieser Brennrohre ist ein als offener Resonator ausgebildetes Ansaugrohr 26, 26', 26", 26'" vorgeschaltet. Zur besseren Darstellung des geschnittenen Rohres 21 ist der größte Teil des Rohres 21' in der Zeichnung fortgelassen worden. Zwecks Verkürzung der Baulänge des Treibgaserzeugers sind die Ansaugrohre lyraförmig gestaltet, d. h., zwei Rohrenden 26_a und 26,, sind rechtwinklig abgebogen und über ein U-förmiges Rohrstück 27 miteinander verbunden. Das Rohrstück 27 ist auf den freien Rohrenden tele-

Oo skopartig angeordnet und ebenso wie das Rohrstück 27" in Richtung der Pfeile b verschiebbar. Die Verschiebbewegung der U-förmigen Rohrstücke 27' (nicht dargestellt) und 27'" verläuft senkrecht zu den Pfeilen b. Durch Verschiebung der Rohrstücke 27, 27', 27" und 27'" werden die Ansaugrohre — wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert — auf größtes Druckgefälle während der Einströmperiode abgestimmt. Sowohl die Ansaugrohre wie auch die Brennrohre sind an ihren äußeren Enden mit Düsen 28 bzw. Diffusoren 29 versehen, um effektvolle Rückwurfbedingungen zu schaffen.

Beim Treibgaserzeuger nach Fig. 3 wird die Verbrennungsluft von einem Kreiselverdichter 30 angesaugt und über einen als Röhrenrekuperator ausgebildeten Aufnehmer 31 den Ansaugleitungen 26, 26', 26", 26'" zugeführt. Durch den Rekuperator können beispielsweise die Abgase'einer Gasturbine im Kreuzstrom (angedeutet ^dürcri die Pfeile c, d) durchgeleitet werden, um eitlen Teil der Abwärme für den Prozeß zurückzugewinnen. Die in den Brennrohren 21, 21', 21", 21'". erzeugten Treibgase werden in dem Aufnehmer 32 gesammelt und durch das Rohr 33 kontinuierlich dem Verbraucher zugeführt. '

Die Zündfolge der Brennrohre 21, 21', 21", 21'" kann an sich beliebig sein. Auf Grund des begrenzten Raumes der Aufnehmer 31 und 32 ist es jedoch zweckmäßig, die Rohre hintereinander oder bei einer noch größeren Anzahl mindestens paar- _go weise zünden zu lassen. Auch beim Treibgaserzeuger gemäß Fig. 3 können die Brennrohre 21, 21', 21", 21"' innerhalb von Mischrohren zur Beimischung von Luft angeordnet sein, wobei dann nicht die Brennrohre, sondern die Mischrohre (Fig. 2, Diffusor 10) an den Aufnehmer 32 angeschlossen sind. In der praktischen Ausführung werden alle Teile der beschriebenen Treibgaserzeuger zur Vermeidung von Wärmeverlusten isoliert.

Bei Verwendung der beschriebenen Treibgaserzeuger als Rückstoßantrieb von Fahrzeugen kann zwecks Ausnutzung des dynamischen Druckes das Eintrittsende des Ansaugrohres, z. B. 6, als Einlaufhuze ausgebildet werden, wobei also die Querschnitte nach der Eintrittsöffnung abnehmen.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Treibgaserzeuger, insbesondere für Gasturbinen, mit einem Brennrohr, in dem der Ladungswechsel und die Zündung infolge periodischer Druckschwankungen selbsttätig erfolgen, und dem ein Ansaugrohr vorgeschaltet ist, in welches die durch negative Reflexion an der Austrittsöffnung des Brennrohres erzeugte und zu deren Eintrittsende eilende Unterdruckwelle übertritt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugrohr (6) als offener Resonator ausgebildet ist, so daß die an dessen Eintrittsöffnung (8) ankommende Unterdruckwelle als Überdruckwelle reflektiert wird und beim folgenden Ladungswechsel am Einlaßventil anlangt.

2. Treibgaserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Ansaugrohres (6) so bemessen ist, daß die

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zum Ventil (2) laufende Überdruckwelle vollständig in das Brennrohr (1) übertritt.

3. Treibgaserzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsende (7) des Ansaugrohres teleskopartig verschiebbar angeordnet ist.

4. Treibgaserzeuger nach einem der Ansprüche ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsende (7) des Ansaugrohres (6) sich nach der Mündungsöffnung (8) hin stetig erweitert.

5. Treibgaserzeuger nach einem oder mehreren der Ansprüche ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennrohr (1) innerhalb eines selbsttätig Luft ansaugenden Mischrohres (9) angeordnet ist, dem am Eintrittsende ein offener Mischluftresonator (12) vorgeschaltet ist.

6. Treibgaserzeuger nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftansaugrohr (12) einen solchen Querschnitt aufweist, daß die zum Ventil (11) eilende Überdruckwelle vollständig in das Mischrohr (9) übertritt.

7. Treibgaserzeuger nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsende

(13) des Mischluftresonators .(12) teleskopartig verschiebbar angeordnet.ist und sich nach der Eintrittsöffnung (14) hin stetig erweitert.

8. Treibgaserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß. das Luftansaugrohr (26) lyraförmig gestaltet ist, wobei der Ü-förmige Teil (27) teleskopartig . verschiebbar auf den beiden Rohrenden (2O₀, 26_&) angeordnet ist.

9. Treibgaserzeuger nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis- 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Brennrohre (21, 21', 21", 21'") in einem gemeinsamen Aufnehmer (32) fördern.

10. Treibgaserzeuger nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß den Ansaugrohren (26, 26', 26", 26'") ein Verdichter (30) vorgeschaltet ist.

11. Treibgaserzeuger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verdichter (30) und Ansaugrohren (26, 26', 26", 26'") ein Aufnehmer (31) angeordnet ist.

12. Treibgaserzeuger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer (31) als Wärmetauscher ausgebildet ist.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen