DE1048442B - - Google Patents

Description

DEUTSCHES

kl 46 f 7/03

INTERNAT. KL. F 02 c

PATENTAMT

ANM E L D E T A G :

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUS LE GE S CH RI FT:

B 38209 Ia/46f

8. DEZEMBER 1955 8. J A N U A R 19 5 9

Die Erfindung bezieht sich auf Brennkammern und ähnliche Reaktionsräume unter hoher Betriebstemperaturen, vorzugsweise auf Brennkammern für Gasturbinen, und betrifft insbesondere die Zuführung der in den Brennraum einzubringenden Verbrennungsluft sowie die Ausbildung zugehöriger, am Ort des Eintritts der Verbrennungsluft in den Brennraum angeordneter Brenner.

In Brennkammern für Gasturbinen mit Gastemperaturen bis 80° C wird im allgemeinen mit erheblichem Luftüberschuß gearbeitet. Man führt dabei den für die Verbrennung benötigten Teil der Luft unmittelbar in den Brennraum ein und leitet die restliche bzw. Sekundärluft, die zu Abkühlung der Verbrennungsgase dient, so um den inneren Brennraum herum, daß sie in der gleichen Richtung strömt wie die Flamme. Bei bekannten Brennkammern wird die Kühlluft auch durch Löcher oder Spalte den Verbrennungsgasen zugesetzt, wodurch die innere Wandung und die Verbrennungsgase gekühlt werden. Durch die ao Sekundärluft wird dabei gleichzeitig auch die Temperatur der äußeren, den Druck aufnehmende Wandung herabgesetzt. Die Entwicklung der Gasturbinen geht jedoch dahin, immer höhere Gastemperaturen anzuwenden. Der Luftüberschuß wird dabei geringer und somit die zur Kühlung dienende Sekundärluftmenge kleiner. Wird außerdem die Primärluft im Verhältnis zur Brennstoffmenge geringer, so wird die Verbrennungstemperatur sehr hoch. Es entsteht dann die Gefahr, daß die Brennkammerwand nicht mehr genügend gekühlt werden kann und ihre Standfestigkeit verliert.

Ferner ist bekannt, die Luft ohne in Primär- und Sekundärluft aufzuteilen, entgegen der Flammenrichtung um die Brennkammer herumzuführen und danach zur Verbrennung in den Brennraum einzublasen. Dadurch wird erreicht, daß die Verbrennungsendtemperatur nicht wesentlich über der Eintrittstemperatur in die Turbine liegt und außerdem durch die gesamte Luft die Wandung des Brennraumes gekühlt wird. Bei dieser Anordnung wird eine metallische Wandung bei hohen Betriebstemperaturen nur dann genügend gekühlt, wenn diese die Möglichkeit hat, ihre Wärme über den äußeren Mantel an die Umgebung abzustrahlen. Die Kühlung durch Konvektion mit der hinter dem inneren Mantel vorbeiströmenden 45 c) Luft hat für sich nur eine geringe Wirkung. Die Wärmeabstrahlungsverluste müssen also in Kauf genommen werden. d)

Würde eine an sich ebenfalls bekannte Isolierung auf dem äußeren Mantel innerhalb eines druckfesten Behälters angebracht werden, so würde bei den angestrebten hohen Temperaturen der innere Mantel innerhalb kurzer Zeit zerstört, da die Wärme nicht mehr abgestrahlt werden kann.

Brennkammer mit Brenner für hohe Betriebstemperaturen

Anmelder:

Badische Anilin- & Soda-Fabrik Aktiengesellschaft, Ludwigshafen/Rhein

Dipl.-Ing. Erich Kube, Wachenheim (Pfalz), Dipl.-Ing. Heinz Leib und Dipl.-Ing. Joachim Nitschke₁ Ludwigshafen/Rhein, sind als Erfinder genannt worden

Durch eine besonders sorgfältige Luftführung in dem den Brennraum umschließenden ringförmigen Raum in Verbindung mit einer an sich bekannten Isolierung der drucktragenden Brennkammerwand sowie durch die Anordnung eines Ablenkschirmes, an dem die in den Brennraum eintretende Luft eine über den inneren dünnwandigen Brennkammermantel sich fortsetzende wirbelnde Bewegung erhält, lassen sich indes auch extreme Brennraumbelastungen und wesenntlich höhere Temperaturen als bisher üblich beherrschen. Nach der Erfindung werden somit in Brenn- und Wirbelkammern an sich bekannte Merkmale so zusammengezogen, daß eine qualitativ und quantitav einheitliche neue Wirkung gegeben ist. Diese Merkmale bestehen im einzelnen

a) in einem äußeren drucktragenden Mantel mit eingelagerter Isolierschicht,

in einem sich an die Isoliersicht anschließenden ringförmigen Raum, durch den sowohl die Brennluft als auch die Kühlluft entgegen der Flammenrichtung im Brennraum zweckmäßig wendelförmig hindurchgeführt wird,

in der Umlenkung und anschließenden Einführung der Luft in den Brennraum hinter einem Ringwirbel auslösenden Ablenkschirm, in dem Austritt der Brenngase am dem Ablenkschirm gegenüberliegenden Ende des Brennraumes durch einen oder mehrere innen isolierte Rohrstutzen.

Bei dieser Anordnung kann für die Mäntel ein Werkstoff ohne nennenswerte Warmfestigkeit verwendet werden, sofern der Werkstoff ausreichend zun-

b)

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derbeständig ist. Um den'deh Brennraum umschließenden dünnwandigen Mantel auch nicht kurzzeitig Drucklx;!astungen auszusetzen, kann dieser zwischen dem ringförmigen Raum und dem eigentlichen Brennraum kleine, dem Druckausgleich dienende Durchbrechungen aufweisen.

Die Luft besitzt durch die wendelförmige Führung in dem Ringkanal noch einen Drall um die Brennkammerachse. Dieser Drall sorgt für eine dem Ringwirbel überlagerte Drallbewegung, wodurch eine innige Durchmischung von Brennluft und Brennstoff und damit eine kurze Flamme erzielt wird. Der durch die Wendel erzeugte Drall erwirkt ferner, daß der in den Ringwirbel gelangende und an der Verbrennung nicht teilnehmende Luftanteil nach außen gegen den inneren Mantel geschleudert wird und dort nochmals m wendelförmiger Bewegung eine Kühlwirkung erzielt.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist auch darin zu sehen, daß der innere Verbrennungsraum klein gehalten werden kann. Eine mit den genannten Merkmalen aufgebaute Brennkammer wird einschließlich der Innenisolierung nicht größer als die heute üblichen Brennkammern für weniger hohe Temperaturen. Versuche haben ergeben, daß die Verbrennüngstemperatur bei dieser Anordnung kaum höher liegt als die Temperatur vor der Turbine. Bei den üblichen Brennkammern, bei denen ein großer Teil der Luft in Flammenrichtung um die Brennkammer herumgeführt werden muß und nachträglich den Verbrennungsgasen zugeführt wird, liegt die VerbrennungstemperatuT zwangläufig bedeutend höher als die Temperatur vor der Turbine.

Die Luft wird auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite in den Luftführungskanal zwischen dem äußeren und inneren Mantel der Brennkammer zugeführt. Im Luftführungskanal können Luftführungsbleche angeordnet werden, die eine gleichmäßige Verteilung der Luft bewirken. Man kann die Luftfühfungsbleche so anordnen, daß an den Stellen höherer Temperatur des inneren Mantels eine stärkere Luftströmung auftritt, so' daß die Kühlwirkung an diesen Stellen erhöht wird. Die Luftführungsbleche werden zweckmäßig in Form einer Spirale bzw. eines Wehdels angeordnet, so daß die Luft bis zum Eintritt in¹ den' Verbrennungsraum einen längeren Weg zurückzulegen hat, dadurch besser kühlt und selbst stärker vorgewärmt wird. An den Stellen erhöhter Temperatur kann ferner die Steigung der Spirale geringer gewählt werden, insbesondere kann, entsprechend dem Venturi-Düsenprinzip, der durch zwei benachbarte Bleche bestimmte Strömungsquerschnitt verengt werden, so daß die Luftgeschwindigkeit erhöht wird. Bei besonders schwer verbrennbaren Brennstoffen besteht die Gefahr, daß ein Teil des Brennstoffes erst an der inneren Wandung vollständig ausbrennt. Da an diesen Stellen meist kein Luftüberschuß vorhanden ist und sich somit eine erhöhte Temperatur einstellen würde, kann an diesen Stellen auch der innere Mantel durch Löcher oder Schlitze durchbrochen werden, durch die ein kleiner Teilstrom der durch den Wendel geführten Luft unmittelbar in den Verbrennungsraum überströmt.

Die Verbrennungsgase werden auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite durch einen oder mehrere Stutzen, die mit Innenisolierung und inneren Gasführungsrohren ausgerüstet sind, abgeführt. Diese Stutzen können direkt mit der Turbine verflanscht werden. In diesem Fall muß die Brennkammer so gelagert werden, daß ihre thermische Ausdehnung keine

Spannungen auf die Turbine überträgt. Man kann aber zwischen der Turbine und den Abgasstutzen der Brennkammer auch eine weniger unmittelbare Verbindung durch längere, wärmeisoJierte Rohre herstellen. .

Bei der Konstruktion muß darauf geachtet werden, daß sich alle Brennkammereinbauten frei dehnen können, damit sich das Material nicht durch Wärmespannungen verwirft. Es ist günstig, z. B. die Luftführungsbleche im Luftführungskanal nur an einer Stelle mit dem inneren oder äußeren Mantel zu verbinden und im übrigen die Luftführungsbleche untereinander durch Stege, Rohre oder Zuganker festzulegen. Da diese Verbindungen, Stützen od. dgl. ebenso wie auch die Luftführungsbleche im Luftstrom liegen, haben sie stets etwa die gleiche Temperatur und verändern die Lage zueinander nicht. Der innere Mantel kann frei beweglich auf den Luftführungsblechen liegen und wird nur an einer Stelle in axialer Rich-

ao tung an dem äußeren Mantel festgelegt. In kaltem Zustand muß man den gewendelten Luftführungsblechen genügend Spiel geben, damit die radiale Dehnung des inneren Mantels nicht behindert wird, während bei der Betriebstemperatur die Luftführungsbleche jedoch praktisch an beiden Mänteln anliegen sollten.

Der äußere Mantel wird in an sich bekannter Weise so an dem Druckgehäuse befestigt, daß er sich frei dehnen kann. Man kann hierzu z. B. mehrere radiale Bolzen benutzen oder ihn auf Stegen oder Kugeln lagern. Jedenfalls soll bei kaltem Einbau zwischen dem Gehäuse und den Stegen oder Kugeln so viel Spiel vorhanden sein, daß die radiale Dehnung weder zu örtlichen noch zu weiterverbreiteten Spannungen des äußeren Mantels führt. An einer Stelle wird der äußere Mantel am Druckbehälter festgelegt. Es ist zweckmäßig, für den Raum zwischen dem äußeren Mantel und dem Druckbehälter ein elastisches Isoliermaterial zu verwenden, das bei der Wärmedehnung des äußeren Mantels nachgibt, z. B. wärmebeständiges Fasermaterial. Man kann aber auch Isoliersteine verwenden, wenn genügendes Spiel zwischen dem äußeren Mantel und der Isolierschicht vorgesehen werden kann.

Die Luft aus dem Luftführungskanal gelangt nach einer durch die Formgebung des äußeren Mantels bedingten Richtungsänderung beispielsweise unmittelbar hinter dem Brenner in den Verbrennungsraum. Der Brenner besteht aus einem tellerförmigen, ebenen oder schwach konischen Ablenkschirm, auf dem die Luft von hinten ohne Berücksichtigung ihres Dralls etwa senkrecht auftrifft. Es bildet sich vor dem Ablenkschirm ein Wirbel, in den der Brennstoff eingeführt wird. Hierdurch läßt sich erreichen, daß die Flamme in einem sehr weiten Betriebsbereich nicht abreißt. Dieser Bereich wird noch erweitert, wenn man an dem Ablenkschirm einige Löcher oder Schlitze anbringt. Dadurch gelangt bei jedem Belastungszustand aus dem Luftführungskanal übergeströmte frische Luft unmittelbar in den Wirbel. Bei genügend großer Luftgeschwindigkeit ist die Strömung im Wirbel turbulent. Wie an sich bekannt, ergeben sich dabei besonders große Feuerraumbelastungen, und der Verbrennungsraum kann sehr klein gehalten werden.

Wird ein gasförmiger Brennstoff benutzt, so wird der Ablenkschirm zweckmäßig auf. dem Gaszuführungsrohr befestigt. Dieses Rohr endet am Ablenkschirm und nimmt eine beispielsweise in axialer Richtung verschiebbare Abdeckplatte auf, so daß ein schmaler, vorzugsweise einstellbarer Ringspalt ent-

Claims (3)

1 stellt, durch den das Brenngas in den Verbrennungsraum eintritt. Das Brenngas wird dann von der Luft, die durch die Schlitze des Ablenkschirmes strömt, erfaßt, und es verbrennt im Wirbel vor dem Ablenkschirm. Soll die Brennkammer mit einem geringeren Durchmesser, dafür aber länger ausgeführt werden, so ist es notwendig, den Brennstoff mehr in axialer Richtung ausströmen zu lassen. Bei flüssigem Brennstoff wird das durch eine Spritzdüse mit kleinem Spritzwinkel erreicht. Kommt gasförmiger Brennstoff zur Verwendung, so wird die Abdeckplatte mit kleinerem Durchmesser und beispielsweise in pilzartiger Form ausgeführt. Außerdem kann man die Flamme durch Verkleinerung des Durchmessers des Ablenkschirmes für die aus dem Führungskanal überströmende Luft in die Länge ziehen. Umgekehrt kann man, falls erwünscht, zu einer sehr kurzen und gedrungenen Brennkammer kommen, wenn man den Ablenkschirm für die im oben beschriebenen Führungskanal bereits gut vorgewärmte Luft groß ausführt und und den Brennstoff in mehr radialer Richtung einführt. In manchen Fällen ist es erwünscht, gleichzeitig oder zeitlich hintereinander flüssige und gasförmige Brennstoffe zu verwenden. Dieses kann bei der beschriebenen Brennkammer in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß durch das Rohr für den gasförmigen Brennstoff eine Leitung für den flüssigen Brennstoff gelegt wird, die zu einer an sich bekannten Spritzdüse auf der Abdeckplatte führt. Man kann auch mehrere Spritzdüsen nebeneinander anordnen, um eine gute Regelbarkeit zu erreichen. Unter Umständen ist es notwendig, die Düsen z. B. mit Wasser zu kühlen, damit sich in den Düsen kein Koks bildet, wenn zeitweise kein flüssiger Brennstoff aufgegeben wird. Entfernt man die Reste des flüssigen Brennstoffes jedoch sorgfältig, wenn die Düsen außer Betrieb genommen werden, z. B. durch Ausblasen mit Druckluft, so kann man auf die Kühlung verzichten. In Abb. 1 ist eine Brennkammer der beschriebenen Art als Ausführungsbeispiel dargestellt. Sie besteht aus dem Druckbehälter 1, dem äußeren Mantel 2 und dem inneren Mantel 4. Zwischen dem äußeren Mantel 2 und dem Druckbehälter 1 befindet sich das Isoliermaterial 3. Der Raum 5 innerhalb des Mantels 4 dient als Verbrennungsraum. Die Luft wird durch den Stutzen 6 in den Luftführungskanal 11 eingeführt und strömt zwischen den beispielsweise als Spirale bzw. Wendel ausgebildeten Luftführungsblechen 12 von links nach rechts hindurch. Die Steigung der Spirale nimmt entsprechend der Temperaturverteilung im Verbrennungsraum, z. B. zum Brenner hin, ab. Hinter dem Brenner 7 strömt die Luft durch eine durch Einziehen des Bodens des inneren Mantels herstellbare düsenförmige öffnung 13 in den Verbrennungsraum 5 aus, wobei der Brenner von hinten angeblasen wird. Die Flammengase durchstreichen den Verbrennungsraum 5 von rechts nach links entgegen der Hauptströmungsrichtung der Luft in dem Luftführungskanal 11 und verlassen die Brennkammer durch die auf ihrer Innenseite wärmeisolierten Rohre 10. An dem inneren Mantel sind weiterhin Durchbrechungen 8 bzw. Spalte 9 vorgesehen, durch die ein geringer Teil der Luft direkt in den Verbrennungsraum überströmen kann, wenn bestimmte Zonen zusätzliche Kühlung erfordern. In Abb. 2 ist die spiralenförmige Ausführung der LuftfüHrungsbleche 12 als Beispiel näher erläutert. 442 Durch längere oder kürzere Stege 14 werden die Luftführungsbleche sowohl gehalten als auch je nach der örtlich verlangten Kühlung die Steigung ihrer Wendel bestimmt. Abb. 3 zeigt für die beschriebene Brennkammer einen Brenner für gasförmige Brennstoffe mit einem Ablenkschirm für die eintretende Luft im Schnitt. Durch das Rohr 15 wird der Brennstoff zugeführt. Am Ende des Rohres befindet sich eine pilzförmige Abdeckplatte 16, die über Stege 17 durch Schraub-, Schweiß- oder Nietverbindungen an dem Rohr 15 befestigt ist. Auf die gleiche Weise kann der Ablenkschirm 18 am Rohr 15 befestigt sein. In Abb. 4 ist ein Brenner für gleichzeitigen Betrieb mit flüssigem und gasförmigem Brennstoff dargestellt. Die Abdeckplatte 19 vor dem Gasrohr 15 ist hier eben ausgeführt. Der Ablenkschirm 18 ist mit Schlitzen 20 versehen, durch die zumeist mit Drall aus dem Luftführungskanal 11 überströmende Luft direkt in die Flammenzone hindurchtreten kann. Durch das Rohr 15 hindurch ist die Leitung 22 für den flüssigen Brennstoff geführt. Sie endet in einer Spritzdüse 22 auf der Abdeckplatte 19. Schließlich zeigt die Abb. 5 den Brenner in der Draufsicht mit dem Schirm 18 sowie die Zuordnung der Abdeckplatte und die radiale Anordnung der Schlitze 20 und der Spritzdüse 22. Patentamsproc.he:

1. Brennkammer mit Brenner für hohe Betriebstemperaturen, insbesondere zur Verwendung für Gasturbinen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) einen drucktragenden Mantel mit eingelagerter Isolierschicht,

b) einen sich an die Isolierschicht anschließenden ringförmigen Raum, durch den sowohl die Brennluft als auch die Kühlluft entgegen der Flammenrichtung im Brennraum, zweckmäßig wendelförmig, hindurchgeführt wird,

c) die Umlenkung und anschließende Einführung der Luft in den Brennraum hinter einem Ringwirbel auslösenden Ablenkschirm,

d) den Austritt der Brenngase am dem Ablenkschirm gegenüberliegenden Ende des Brennraumes durch einen oder mehrere innen isolierte Rohrstutzen.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in den der Luftführung dienenden ringförmigen Raum eingelagerte Luftführungsbleche, die untereinander durch Stege abgestützt und mit der begrenzenden Wandung an nur einer Stelle verbunden sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkschirm auf einem in der Kammerachse angeordneten Rohr bzw. Doppelrohr befestigt ist, durch das gasförmige und/oder gleichzeitig flüssige Brennstoffe in den Brennraum eingeführt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 457 906;
österreichische Patentschrift. Nr. 34 863;
schweizerische Patentschrift Nr. 241 750;
französische Patentschriften Nr. 1021444, 728686; britische Patentschrift Nr. 626 275;
USA.-Patentschrift Nr. 2686 400.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 809 728/90 12.