DE915880C

DE915880C - Brennkammer fuer grosse Luftueberschusszahlen, insbesondere fuer Gasturbinen

Info

Publication number: DE915880C
Application number: DEM8536A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Bosch
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1951-02-13
Filing date: 1951-02-13
Publication date: 1954-07-29

Description

Brennkammer für große Luftüberschußzahlen, insbesondere für Gasturbinen Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für gasförmige, flüssige oder feste feinkörnige Brennstoffe und für hohe LuftüberschuBzahlen, bei welcher der gesamte Durchsatz der Verbrennungsluft in axialer Richtung erfolgt, insbesondere für Gasturbinenanlagen. Es ist eine der Hauptaufgaben der Brennkammer, die Mischung der Luft mit den heißen Verbrennungsgasen so intensiv wie möglich zu gestalten, so daß die Temperatur des Treibmittelstromes beim Verlassen der Brennkammer möglichst gleichmäßig über dien gesamten Querschnitt verteilt ist. Es sind Brennkammern bekannt, bei denen der Brenner, beispielsweise bei flüssigem Brennstoff ein Umlaufbrenner, in der Brennkammerachse angeordnet ist und die Mischung des heißen Gaskernes mit der von außen kommenden eventuell noch zu regelnden kühleren. Zumischluft durch Prall- oder Leitbleche vorgenommen wird. Diese Brennkammern haben aber den, Nachteil, daß sie entweder keime gute gleichmäßige Temperaturverteilung über dem Strömungsquerschnitt des Treibmittels aufweisen, oder es treten bei der Mischung selbst erhebliche Strömungsverluste auf, die auf Kosten des Gesamtwirkungsgrades der Anlage gehen. Unter Umständen muß die Zusatzluft durch zusätzliche Regelorgane gesteuert werden. Um die Verbrennung von aschehaltiger, bituminöser und halbbituminöser Kohle bei hoher spezifischer Wärmebelastung dies Brennraumes, bei hohem Ausbrand und mit Abscheidung eines hohen Prozentsatzes der Asche teils geschmolzen, teils fest zu erreichen., sind weiter Kohlenstaub:zyklonfeuerungen reit Schmelzkammerbetrieb bekanntgeworden. Bei diesen Feuerungen wird die Brennluft tangential in den Brennraum eingeführt und der Brennstoff zentral in den Wirbelkern eingeblasen; für einen, Betrieb mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen sind diese Staubfeuerungen nicht geeignet. Außerdem können sie nur mit einem geringen bzw. mit gar keinem Luftüberschuß betrieben werden, da sonst eine Verbrennungstemperatur oberhalb des Schlackenschmelzpunktes nicht möglich wird. Bei einer anderen bekannten Staubfeuerung wird der Brennstaub senkrecht zur Hauptströmungsrichtungdurch einen Luftwirbel hindurch in: den Wirbelkern der Verbrennungsluft eingeblasen. Auf diese Weise erzielt man zwar hohe Verbrennungstemperaturen und kurze Verbrennungszeiten. sowie kurze Flammen, so daß der Raumbedarf und :die Grundfläche einer derartigen Brennkammer klein wird. Die zugeführte Sekundärluft bildet dabei einen kühlenden Luftfilm zum Schutz der Brennkammerwände. Mit Brennkammern nach der bekannten Bauart ist es jedoch nicht in hinreichendem Maße möglich, eine insbesondere für den Gasturbinenbetrieb erwünschte gleichmäßige Temperaturverteilung der Brenngase über den Strömungsquerschnitt zu erhalten und örtliche überhitzungen des Brennkammerein.satzes zu vermeiden. Weiterhin ist der erzielbare Ausbran.d des Brennstoffes, dessen innige Durchmischung mit der Verbrennungsluft sowie eine Geringhaltung der Strömungsverluste bei diesem Mischvorgang bei den bekannten Lösungen nicht vollauf befriedigend.
Diese Nachteile werden bei einer Brennkammer für hohe Luftühersch.uß:zahlen erfindungsgemäß irr der Weise überwunden, daß die zu erwärmende Luft vor ihrem Eintritt in die Brennzone ein Beschleunigungsgitter durchströmt, in welchem ihr eine beschleunigte und schraubenlinienförmige Drallströmung aufgeprägt wird, und daß der Brennstoff an der Außenfläche dies in Drall versetzten Luftstromes zugeführt wird, wobei diese Brennstoffzuführung im Bereich eines ringförmigen Luftwirbels *hinter einer Störkante oder imWirbelgebiet eines unter entsprechendem Winkel gegen den Hauptluftstrom eingeführten; ringförmigen Luftstrahles erfolgt. Es werden bei der Brennkammer nach der Erfindung die Radi.albeschleunigun:gen der Drallströmung zur möglichst intensiven Mischung der Luft mit den heißen Verbrennungsgasen und zur Verbrennung selbst benutzt; du eine starke Konvektionsströmung der leichteren Gase (Brenngas bzw. heißes Verbrennungsprodukt) nach dem Wirb-elkern zu eintritt, wenn entsprechend der Erfindung das Brenngas bzw. der Brennstoff am äußeren Umfang der Drallströmung zugeführt und verbrannt wird.
Damit die Flamme auch bei hoher Axialgeschwind.igkeit, wenn diese größer als die Zündgeschwinidi:gkeit ist, nicht ausgeblasen wird, wird die eigentliche Verbrennung in Ablösungsgebieten (Ringwirbel) des Axialstromes vorgenommen, die durch entsprechend gegen den Hauptstrom gerichtetes Einblagen von an, sich notwendiger Kühlluft oder durch eine Störkante erzeugt werden. Die Energie, die zur Erzeugung der Drallströ:mung aufgewendet werden muß, wird zweckmäßig durch ein Verzögerungsgitter wieder zurückgewonnen, bis auf den Rest, der zur Mischung aufgebraucht worden ist. Wird der Drall nicht zum Verschwinden gebracht, dann werdhn sich die an der Wand abgekühlten Gasschichten. eben dort ansammeln, unc' die Temperatur wird an, der Rohrwand stärker absinken, als es der natürlichen turbulenten Rohrmischung entsprechen würde, so daß die Gefahr der Entmischung eintritt. Weitere Einzelheiten der Brennkammer nach der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele von Brennkammern nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen Axialschnitt durch eine Brennkammer, Fig.2 einen Axialschnitt durch eine Brennkammer mit Ouerschnittsvergrößerung nach der Brennstoffzuführung und Fig. 3 eine Brennkammer in unmittelbarem Einbau zwischen Verdichter und. Turbine.
Fig. i zeigt dien Aufbau einer Brennkammer, wie sie in Rohren mit hoher Axialgeschwindigkeit eingebaut werden kann. Die Luft tritt in Richtung A ein. und wird durch Leitschaufeln a ir Drall versetzt. Am äußeren Umfang «wird für Kühlzwecke ein Teil der Luft mit rein axialer Strömungsrichtung, also ohne Drall durch den Ringraum b abgezweigt. Dieser Ringkanal b wird so geführt, daß er an dem Teil s der Brennkammerwand als Kühlwand. entlang geht, an dem Überhitzungsgefahr zu befürchten. ist. Die Kühlluft wird dann bei c dem Hauptstrom unter einem entsprechenden Winkel wieder zugeführt. Durch das Auftreffen des Kühlluftstrahles auf den Axialstrom oder durch eine Störkante L hervorgerufen, entsteht ausgehend von: dessen Mündung bzw. hinter der Störkante l ein Wirbelgebiet., in dem das Brenngas durch kleine Rohre d quer durch den Kanal b zu- geführt wird. Das Gas strömt durch den Stutzen <? über den Ringkanal f den Rohren d zu. In der Zeichnung ist die Brennkammer mit einem Gasbrenner einfachster Bauart dargestellt (Lochbrenner). Bei Anwendung geeigneter Brenner kann auch Öl bzw. Kohlenstaub verwendet- werden. Durch entsprechende Wahl der Größe der Einzelflammen sowie durch Wahl von Impuls und Richtung des austretenden Kühlluftstrahles und der Kühlwandlänge s kann immer erreicht werden, daß die Flamme nur in der Nähe gekühlter Wandflächen brennt. Infolge der Konvektionsströmung wird auch die Flamme nicht an der Wand anliegen.
Das unmittelbar hinter der Brennfläche hestehende Temperaturprofil mit hoher Temperatur außen und kleiner Temperatur innen wird sich im Beschleunigungsfeld der Drallströmung mit Fortschreiten im Sinn der Axialströmung rasch so umbilden, daß die Temperatur über den gesamten Ouerschnitt einem konstanten Wert zustrebt. Wird in diesem Querschnitt konstanter Temperatur der Drall zum Verschwinden gebracht, so rnuß das Feld konstanter Temperatur erhalten bleiben. Zu diesem Zweck sind die in Fig. --,dargestellten, Nachleitschaufeln g angeordnet. Sonst unterscheidet sich der Aufbau der Brennkammer nach Fig. 2 von dem der Brennkammer nach Fig. i nur dadurch, daß an der Flammenfront eine Querschnittserweiterungdurchgeführt ist, mit welcher eine Verbrennung ohne adiabatischen Druckabfall erreicht werden kann.
In Fig. 3 ist die Möglichkeit eines Einbaues einer Dnallkammer zwischen zwei Stufengruppen einer Turbine bzw. zwischen zwei aufeinanderfolgenden Turbinen bei Zwischenerhitzung oder zwischen der letzten. Verdichterstufe und der ersten Turbinenstufe bei einem Gasturbinenkreisprozeß ohne Wärmeaustausch gezeigt. Hier können. die Leitschaufeln entfallen, weil deren Funktion von den Beschaufelungen der vorhergehenden und nachfolgenden Verdichter- bzw. Turbinenstufe übernommen wird. Das Abgas tritt aus dem Laufrad h der vorhergehenden Stufe bzw. Turbine mit Austrittsdrall in die Brennkammer ein. Bei d wird wieder Brenngas zugeführt und verbrannt. Die für die Kühlung notwendige Luftmenge wird wieder dem Gesamtstrom am äußeren Rand entnommen und durch ein Verzögerungsgitter k durch Umsetzen der Umfangsgeschwindigkeit zum Einblasen auf höheren Druck gebracht. Der Restdrall wird im Leitkranz i der nachfolgenden Stufe bzw. Turbine wieder verwertet. Die Zwischenlager m und n bz«-. Endlager vom vorhergehenden und nachfolgenden Verdichter- bzw. Turbinenläufer sind in wärmeisolierten und gekühlten Kammern o angeordnet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Brennkammer für gasförmige, flüssige oder feste feinkörnige Brennstoffe und für hohe Luftüberschußzahlen, bei welcher der gesamte Durchsatz an Verbrennungsluft in axialer Richtung erfolgt, insbesondere für Gasturbinenanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die zu erwärmende Luft vor ihrem Eintritt, in die Brennzone ein Beschleunigungsgitter durchströmt, in welchem ihr eine beschleunigte und schraubenlinienförmige Drallsträmung aufgeprägt wird, und, draß der Brennstoff an der Außenfläche des in Drall versetzten Luftstromes zugeführt wird, wobei diese Brennstoffzuführung im Bereich eines ringförmigen Luftwirbels hinter einer Störkante oder im Wirbelgebiet eines unter entsprechendem Winkel gegen den Hauptluftstrom eingeführten ringförmigenLuftstrahles erfolgt, z. Brennkammer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung des ringförmigen Luftstrahles benötigte Luftmenge am äußeren Rand des Hauptluftstromes vor der Drallerzeugungseinrichtung abgezweigt wird. 3. Brennkammer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung des ringförmigen Luftstrahles benötigte Luftmenge eine gewisse Wegstrecke an der äußeren Gehäusewand derjenigen Brennkammerabsch.nitte entlang geführt wird, für welche Überhitzungsgefahr besteht. 4. Brennkammer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung des ringförmigen Luftstrahles benötigte Luftmenge im Gegenstrom zum Hauptstrom der Verbrennungsluft vor ihrer Verwendung zum Erzeugen des ringförmigen Luftstrahles in einem Ringkanal an der äußeren Wand der Brennzone der Brennkammer entlang geführt wird. 5. Brennkammer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß nach beendeter Mischung und nach erfolgtem Temperaturausgleich über den Gesamtquerschnitt der Brennkammer die schraubenlinienförmige Drallbewegung sowie der Druckverlust dies heißen Gasstromes mittels eines nachgeschalteten Leit- und Verzögerungsgitters aufgehoben. wird. 6. Brennkammer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, d;aß .die Brennkammer zwischen einem Verdichter und einer Turbine oder zwischen Turbinenstufen angeordnet ist, wobei der Austrittsdrall aus dem letzten Verdichter-bzw. Turbinenlaufrad und die Verwertung des Restdralles im ersten Leitrad der nachfolgenden Turbine die Anordnung besonderer Drallerzeugung- und' Vergrößerungsgitter erübrigen. 7. Brennkammer mach Anspruch i und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung des ringförmigen Luftstrahles benötigte Luftmenge am äußeren Umfang des aus dem letzten Verdich.terlaufrad austretenden Gesamtluftstromes abgezweigt und ihre Drallbewegung durch ein Verzögerungsgitter im Ringkanal aufgehoben und zur Druckerhöhung benutzt wird. Angezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 552 747; USA.-Patentschrift Nr. I 617 694; Mitteilungen der Vereinigung dier Großkesselhesitzer Nr. 88 (1942), S.89.