DE576886C - Verbrennungskammer fuer Brennkraftturbinen - Google Patents

Verbrennungskammer fuer Brennkraftturbinen

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DE576886C
DE576886C DE1930576886D DE576886DD DE576886C DE 576886 C DE576886 C DE 576886C DE 1930576886 D DE1930576886 D DE 1930576886D DE 576886D D DE576886D D DE 576886DD DE 576886 C DE576886 C DE 576886C
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combustion chamber
combustion
air
nozzle
heat
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Description

  • Verbrennungskammer für Brennkraftturbinen Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskammer für Brennkraftturbinen mit zusammengefaßtem Verbrennungs- und Düsenvorraum und mit diese beiden Räume vollständig umschließendem, gemeinsamem Doppelmantel, durch den die Luft vor der Verbrennung , in zweifachem Gegenstrom zieht.
  • Die Verbrennungskammer dient dazu, Luft und Brennstoff - die beide unter Druck stehen - in solcher Mischung zusammenzuführen, daß das durch die Verbrennung entstehende Gasgemisch unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung von Leitungen, Kanälen, Kühlvorrichtungen oder Absperrorganen, in die Düsen und Schaufeln der Turbine übertreten und dort Arbeit leisten kann.
  • In dieser Beschreibung wird mit dem Ausdruck Verbrennungskammer die ganze Vorrichtung, mit dem Ausdruck Verbrennungsraum der Teil der Vorrichtung, in dem die Verbrennung vor sich geht, und mit Düsenvorraum der vor den Düsen liegende Raum bezeichnet.
  • Da im Verbrennungsraum zu gleicher Zeit `hohe Drücke und hohe Temperaturen herrschen, bestehen konstruktive Schwierigkeiten für die Gestaltung seiner Umwandung. Wassergekühlte Wandflächen können nicht verwendet werden, da die zur. ausreichenden Kühlung der heißesten Stelle der Maschine nötige Wärmeabfuhr dann so groß wird, daß sie zu einem unwirtschaftlichen Brennstoffverbrauch führt.
  • Man hat zur Behebung dieser Schwierigkeit schon vorgeschlagen, den Verbrennungsraum mit mehreren Wänden zu umgeben, von denen die inneren, der Einwirkung des Druckes möglichst entzogen, den hohen Temperaturen standhalten können, während die äußere, der Einwirkung der hohen Temperatur möglichst entzogen, den Druck aufzunehmen vermag. Diese zunächst einfach aussehende Konstruktion birgt dennoch Schwierigkeiten in sich. Es erwärmen sich nämlich die inneren Wände an einzelnen Stellen so weit, daß sie durch Strahlung lokale Erwärmungen der Außenwände hervorrufen können, welche die Maschine gefährden. Diese Gefährdungen zu vermeiden, ist der Hauptzweck der Erfindung.
  • Die Erfindung besteht darin, daß die gesamte Luft der Verbrennungskammer an einem Ende, und zwar an dem heißeren, zentral zugeführt wird und daß die Luftzuführung die Brennstoffzuführung allseitig umgibt.
  • Ferner ist mit den bisher bekanntgewordenen Vorschlägen, bei denen die Verbrennungsgase unmittelbar aus der Verbrennungskammer in die Düse strömen, der Übelstand verbunden, daß für jede einzelne Expansionsdüse eine besondere, nur diese eine Düse beschickende Verbrennungskammer nötig ist. Daraus folgt, daß die Leistung, die mit einer Verbrennungskammer erzielt werden kann, verhältnismäßig gering ist. Um nun zu einer Turbine mit einer einigermaßen großen Leistung zu kommen, hat man bisher in Aussicht genommen, für ein Turbinenlaufrad eine mehr oder minder große Zahl von Verbrennungskammern kreisförmig um die Turbinenachse anzuordnen. Das führt zu einer vielteiligen Maschine, die in der Herstellung teuer ist, bei der die Regulierung umständlich wird und deren Betrieb unbequem ist. Alle diese Nachteile sollen bei vorliegender Erfindung dadurch vermieden werden, daß eine Mehrzahl von Düsen von einer einzigen Verbrennungskammer beschickt wird.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Verbrennungskammer nach der Erfindung im Längsschnitt schematisch dargestellt. Sie besteht im wesentlichen aus drei konzentrisch zueinander liegenden Räumen, von denen im folgenden der äußerste als Mantelraum, der innerste als Innenraum und der dazwischenliegende als Zwischenraum bezeichnet ist. Der Innenraum setzt sich wieder aus drei Räumen zusammen, die ohne irgendwelche Abgrenzung ineinander übergehen und von oben nach unten aufeinanderfolgen: der Mischraum f, der Verbrennungsraum 1a und der Düsenvorraum h'.
  • Das Gehäuse a des Innenraumes wird von zwei Wänden b und c zentrisch umgeben. Die Luft wird durch den Stutzen d zugeführt, welcher sie in den durch die Wände b und c gebildeten Mantelraum hineinleitet. Sie durchströmt diesen von oben nach unten und tritt dann in den Zwischenraum zwischen ca und b über. In letzterem steigt sie wieder nach oben und gelangt in den Mischraum f, wo sie mit dem durch das Rohr g zugeführten Brennstoff zusammentrifft. (Die bei k gezeichnete Unterbrechung der Innenwand a ist zunächst wegzudenken; sie wird später besprochen.) Im Mischraum beginnt die Verbrennung, und die sich bildende Flamme reicht ein kürzeres oder längeres Stück in den Verbrennungsraum la hinein. Dieser wieder geht an seinem unteren Ende unmittelbar in den Düsenvorraum 1ä über, aus welchem die Gase ebenfalls unmittelbar in die Expansionsdüsen i der Turbine und in deren sich daran anschließende Schaufeln übertreten.
  • Die Luft umfließt also vor dem Eintritt in den Innenraum diesen in doppeltem Gegenstrom. Sie strömt, allgemein gesprochen, von außen nach innen, d. h. der aus dem Verbrennungsraum nach außen abströmenden Verlustwärme entgegen. Sie erwärmt sich auf diesem ganzen Wege dauernd; im Mantelraum fließt daher die kälteste Luft. Die Wärmeübertragung auf die Außenwand c bzw. d durch Leitung ist infolgedessen so gering wie möglich, da diese Wand nur mit der kältesten Luft in Berührung kommt. Gegen die Wärmeübertragung durch Strahlung auf die Außenwand c bzw. d bieten die beiden Wände a und b und der zwischen ihnen liegende Zwischenraum genügenden Schutz. Dies trifft allerdings nur für einen Teil, wenn auch den bei weitem größeren Teil der Außenwand c bzw. d zu. Oben und unten ist es nicht der Fall. Denn oben wird die Außenwand nicht zweifach, sondern allein durch die Haube des Mischraums f, unten allein durch den Boden von d abgedeckt. Hier liegen also die Stellen, an denen die Außenwand gefährdet ist.
  • Die Haube f ist der Wärmeaufnahme sehr stark und besonders deswegen ausgesetzt, weil sie sehr dicht an der Brennstelle liegt. Ihre Temperatur muß so niedrig gehalten werden, daß die von ihr ausgehende Wärmestrahlung die gegenüberliegenden Partien der Außenwände c bzw. d nicht gefährdet. Zu diesem Zweck wird die eintretende Luft, die im Stutzen d in die Achsenrichtung umgelenkt ist, zuerst gegen die Mitte, das Zentrum der Haube f, geführt (wenn man von der verhältnismäßig kleinen Fläche; die die Brennstoffzuführung beansprucht, absieht). Die Luft fließt dann an der Haube f, sich vom Zentrum nach allen Seiten gleichmäßig verteilend, weiter. Diese zentrale Luftzuführung bewirkt eine so energische Kühlung der Haube f, daß sich ihre Temperatur auf mittlerer Höhe hält und daß die von ihr ausgehende Wärmestrahlung soweit herabgesetzt wird, daß keine Gefahr mehr für die gegenüberliegenden Teile der Außenwand besteht.
  • Für das untere Ende der Verbrennungskammer kommt der Schutz gegen die Wärmestrahlung auf andere Weise zustande. Der untere Boden von a liegt bedeutend weiter vom Verbrennungsraum h entfernt als die Haube f. Daher ist seine Wärmeaufnahme durch Strahlung von der Flamme her bedeutend geringer. Außerdem bewirkt der durch die Verbindung k fließende Luftstrom, wenn diese weiter unten besprochene Verbindung vorgesehen ist, daß im Düsenvorraum li eine bedeutend tiefere Temperatur herrscht als im Mischraum f und im Verbrennungsraum h. Infolgedessen ist auch die Wärmeaufnahme des Bodens durch Leitung bedeutend geringer. Hinzu kommt noch, daß sich die Gase im unteren Teil des Düsenvorraumes h' zwischen der letzten Düse und dem Boden in Ruhe befinden, was auch die Wärmeübertragung durch Leitung herabsetzt. Aus allen diesen Ursachen bleibt die Temperatur des Bodens von a so niedrig, daß durch Weiterstrahlung von ihm aus keine Gefährdung des Bodens von c eintritt.
  • Zusammengefaßt ergibt sich folgendes: die Innenwände a und b sind von jedem Druck entlastet; bei richtiger Materialwahl bleibt es gleichgültig, wie hoch ihre Temperatur ansteigt. Die Außenwand c bzw. d bleibt kühl und ist daher in der Lage, die Beanspruchungen, die ein innerer Überdruck hervorruft, mit Sicherheit aufzunehmen. Auch die Wärmeverluste nach außen bleiben gering und lassen sich leicht durch äußere Isolierung der Außenwand c und des Stutzens d in erträglichen Grenzen halten.
  • Der Verbrennungskammer wird -von den soeben erwähnten geringen Wärmeverlusten abgesehen - keine Wärme entzogen. Es wird kein Kühlmittel irgendwelcher Art angewendet, insbesondere kein Kühlmantel, in welchem ein Kühlmittel (Wasser) umläuft; es werden auch keine Gase mit niedriger Temperatur zugemischt; es wird auch kein Kühlwasser oder Wasserdampf eingespritzt. Sowohl der gesamte Inhalt an Wärme, den Luft und Brennstoff in die Verbrennungskammer mitbringen, wie die ganze Wärme, die bei der Verbrennung entsteht, bleiben den Gasen bis zu ihrem Eintritt in die Expansionsdüsen der Turbine i erhalten. Denn die Wärme, die den Gasen während und nach der Verbrennung auf ihrem Wege durch die Räume f, h und h' durch die Innenwände a und b verlorengeht, wird an die zuströmende Luft abgegeben und mit dieser dem Innenraum wieder zugeführt. Im Inneren der Verbrennungskammer findet also ein dauernder Kreislauf einer ganz bestimmten Wärmemenge statt, ohne an dem Resultat etwas zu ändern, daß der Wärmeinhalt der Gase bei ihrem Eintritt in die Turbinendüsen i gleich der Summe aus der durch die Verbrennung entstehenden Wärme und aus den mit Luft und Brennstoff zugeführten Wärmen ist.
  • Nach der Erfindung ist weiterhin an der Stelle 1z eine Verbindung vom -Zwischenraum zum Innenraum geschaffen. Hier teilt sich die Luft in zwei Ströme. Der eine geht, wie beschrieben, im Zwischenraum weiter aufwärts nach dem Mischraum f; der andere tritt, wie die Pfeile bei k andeuten, hier direkt in den Düsenvorraum über. Wie diese Verbindung hergestellt wird, ob einfach durch Unterbrechen der Innenwand a, wie in der Figur bezeichnet, oder in anderer Weise, ist an und für sich gleichgültig. Wesentlich ist, daß die richtige Luftverteilung auf beiden Wegen erreicht und daß diese Verbindung an der richtigen Stelle angebracht wird. Sie muß eine gewisse Strecke oberhalb der ersten Düse liegen; andererseits inuß sie vom Mischraum- f so weit entfernt sein, daß bei ihr die Verbrennung ganz oder wenigstens fast ganz beendet ist.
  • Diese Verbindung k vom Zwischenraum zum Innenraum hat folgende Wirkungen: In bezug auf die Luft auf ihrem Wege vom Eintritt bei d bis zur Stelle k ändert sich gegenüber der früheren Darstellung nichts; desgleichen ändert sich nichts in bezug auf die Gase im Innenraum auf der Strecke von k bis i. Die dazwischenliegende Strecke von k im Zwischenraum aufwärts durch den Mischraum f und abwärts durch den Verbrennungsraum h, bis die Stelle k wieder erreicht ist, wird von einer kleineren Luftmenge durchströmt. Daher ist auf dieser Strecke die Luftgeschwindigkeit geringer, die Temperatur aber höher als früher. Denn die bei der Verbrennung freu werdende Wärmemenge, die unverändert bleibt, verteilt sich auf eine kleinere Luftmenge. - Mit Hilfe der Verbindung k läßt sich also einerseits die Geschwindigkeit bei f so weit herabsetzen, daß die Zündgeschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches nicht überschritten wird, andererseits die Temperatur bei f so weit steigern, daß die Entflammungstemperatur nicht unterschritten wird: Nur eine Grenze ist hierbei gegeben; es muß unbedingt dem Raum f die zur vollständigen Verbrennung nötige Luftmenge zugeführt werden.
  • In der Zeichnung sind am Düsenvorraum h' eine Reihe Düsen winklig zur. Längsachse und mit seitlichem Austritt angedeutet. Die Beschauflung der Turbine ist unmittelbar an den Düsenaustritt anschließend zu denken. Diese seitliche Anordnung der Düsen ermöglicht es, an einer einzigen Verbrennungskammer eine Mehrzahl von Düsen anzuordnen und dadurch eine hohe Beaufschlagung des Turbinenrades zu erzielen.

Claims (1)

  1. PATENTANSpRÜcHE: i. Verbrennungskammer für Brennkraftturbinen mit zusammengefaßtem Verbrennungs- und Düsenvorraum und mit diese beiden Räume vollständig umschließendem, gemeinsamem Doppelmantel, durch den die Luft in zweifachem Gegenstrom zieht, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Luft der Verbrennungskammer an einem Ende, und zwar an dem heißeren, zentral zugeführt wird und daß die Luftzuführung die Brennstoffzuführung allseitig umgibt. z. Verbrennungskammer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Luft nach Durchströmen des Mantelraumes im Zwischenraum am Düsenvorraum entlang geführt wird und dann teils im-Zwischenraum am Verbrennungsraum entlang und dann in diesen hineinfließt, teils unmittelbar in den Düsenvorraum übertritt, ohne den Verbrennungsraum zu durchströmen. 3. Verbrennungskammer nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Düsen winklig zur Längsachse des Düsenvorraums angeordnet ist, die seitlich aus diesem herausführen.
DE1930576886D 1930-12-06 1930-12-06 Verbrennungskammer fuer Brennkraftturbinen Expired DE576886C (de)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE767360C (de) * 1939-02-05 1952-06-16 E H Ernst Heinkel Dr Ing Verfahren zur Herstellung zuendfaehiger Brennstoff-Luftgemische bei mit fluessigem Brennstoff arbeitenden Verbrennungsanlagen fuer Gasturbinentriebwerke
US2602291A (en) * 1947-12-16 1952-07-08 Ingersoll Rand Co Resonant explosion power unit with dilution air
US2621477A (en) * 1948-06-03 1952-12-16 Power Jets Res & Dev Ltd Combustion apparatus having valve controlled passages for preheating the fuel-air mixture
US2795104A (en) * 1950-08-23 1957-06-11 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Stationary jet engine power plant with preposed turbine
DE967239C (de) * 1941-02-08 1957-10-24 Siemens Ag Dampfkesselanlage mit einem Hilfsmaschinensatz, bestehend aus Verdichter und diesem nachgeschalteter Gas- oder Luftturbine

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DE967239C (de) * 1941-02-08 1957-10-24 Siemens Ag Dampfkesselanlage mit einem Hilfsmaschinensatz, bestehend aus Verdichter und diesem nachgeschalteter Gas- oder Luftturbine
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