Einrichtung zum Erhöhen des Druckes von Verbrennungsgasen durch Erniedrigung ihrer Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, um Verbrennungsgase von niedrigem Druck, jedoch hoher Temperatur und Geschwindig keit durch Mischung mit einem strömenden Kühlmittel auf höheren Druck und niedri gere Temperatur und Geschwindigkeit, ins besondere zwecks Verwendung in Gas turbinen, zu bringen.
Um die Verbrennungsgase abzukühlen und sie so für die Ausnutzung in Gas turbinen verwendungsfähig zu machen, ist es bekannt, sie durch Einspritzen eines gas förmigen oder flüssigen Kühlmittels zu kühlen. Es wurde jedoch auf diese Weise nur eine Abkühlung der Verbrennungsgase erreicht, ohne dass es gelang, gleichzeitig den Druck der Gase heraufzusetzen, obwohl das Kühlmittel an und für sich durch die Er wärmung eine beträchtliche Volumenvergrö sserung erfuhr.
Für die Übertragung eines Teils der Wärme der Verbrennungsgase auf das Kühl- mittel ist an und für sich eine gewisse Zeit notwendig, der je nach der Geschwindigkeit das Gasstromes ein gewisser Weg entspricht. Bei den bekannten Vorrichtungen ergab sich auf Grund dieses für die Übertragung der Wärme auf das Kühlmittel notwendigen Reaktionsweges ein derart grosses Volumen, dass die durch die Erwärmung des Kühl mittels bedingte Volumensteigerung keine nennenswerte Drucksteigerung des Gemisches zur Folge hatte.
Erfindungsgemäss werden die erwähnten Unzulänglichkeiten dadurch behoben, dass eine Umwandlungsscheibe drehbar angeord net ist, auf deren eine Fläche das min- destens schon teilweise verbrannte Brenn stoff-Luftgemisch durch mindestens eine Düse so aufgeblasen wird, dass die Bewe- gungsrichtung des Gemisches an der Stelle, an der es auf die Fläche auftrifft, im we sentlichen tangential zur Bewegungsrichtung dieser Stelle verläuft, und ferner dadurch,
dass das strömende Kühlmittel dem Gasstrom spätestens kurz nach seinem Auftreffen auf die Umwandlungsseheibe zugesetzt wird.
Grundsätzlich kann ,jedes strömende, gas förmige oder flüssige Mittel als 1iiihlmittel Verwendung finden: zweckmässig wird aber zu diesem Zwecke Luft, Wasser oder Wasser dampf verwendet.
Dank. der erfindungsgemässen Einrieb tun- steht auf verhältnismässig geringem Raum genügend Zeit für die Überführung eines Teils der Wärme des Gasstrahls auf das Kühlmittel zur Verfügung. In dem Masse, wie das Kühlmittel Wärme aus den Verbrennungsgasen aufnimmt. wird sich sein Volumen erhöhen.
Diese Volumensteigerung ist besonders gross bei der Verwendung einer Flüssigkeit (Wasser) als Kühlmittel: demnach ist hier auch eine entsprechend starke Druckzunahme zu erwarten. Diesem Vorteil steht allerdings als Nachteil gegen über, da.ss die Verdampfungswärme einer Flüssigkeit verhältnismässig gross ist: aus die sem Grunde ergibt sieh eine bessere Wärme- ausniitzung bei der Verwendung eines Gases, insbesondere von Luft, als Kühlmittel.
Die beiliegende Zeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegen standes in vereinfachter Darstellung und eine Variante des einen Beispiels, und zwar zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel, bei dem eine Flüssig keit, z. B.
Wasser, als Kühlmittel benutzt wird, Fig. 2 eine zugehörige Stirnansicht, Fig. 3 einen Längsschnitt durch das an dere Ausführungsbeispiel, bei dem Luft als Kühlmittel benutzt wird, Fig. 4 eine zugehörige Teilansicht in Richtung der Achse der Umwandlungs- scheibe, Fig. 5 ein zugehöriges Steuerventil, von vorn gesehen; Fig. 6 einen Schnitt durch dieses Steuer ventil nach der Linie VI-VI der Fig. 5 ;
Fig. 7 stellt einen Längsschnitt durch eine Variante des zweiten Ausführungs- beispiels dar, in welcher insbesondere das Steuerventil genauer dargestellt ist als in Fig. 3.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 wird der auf irgend eine Weise zer stäubte Brennstoff durch die Pumpvorrieh- tung 1 zusammen mit einem Teil der Ver brennungsluft unter Druck gesetzt. Das Ven til 48 regelt den Austritt dieses Brennstoff luftgemisches in die Leitung 2, durch die es einer Mischkammer 3 zuströmt. Der Ge mischstrom reisst hierbei auf bekannte Weise den Rest der Verbrennungsluft mit sich. In der Mischkammer entzündet sich der Brenn stoff entweder durch die Eigenwärme des Gemisches oder mit Hilfe einer Zündvorrich tung.
Das heisse, mindestens schon teilweise verbrannte Brennstoffluftgemisch strömt nunmehr unter Umsetzung eines Teils ihres Druckes in hohe Geschwindigkeit. durch die Leitung 4 und die Düse 11 auf die Ober fläche der Umwandlungsseheibe 5.
Der Ein fachheit halber ist nur eine derartige Düsen vorrichtung dargestellt; im allgemeinen wird es sich jedoch empfehlen, einer Um wandlungsseheibe mehrere Düsenvorrichtun gen beizuordnen, und zwar vorteilhaft so, da,ss sie gleichmässig über den Umfang der Scheibe in gleichem Abstand von der Dreh achse verteilt und voneinander unabhängig sind, indem für jede Düse eine eigene Pump vorrichtung mit einer Mischkammer und den hierzu gehörigen Teilen vorgesehen isst. Die Zündung und Verbrennung in den einzelnen Iliischkammern der einzelnen Düsen wird nacheinander bewirkt. Eine derartige An ordnung ist denn auch in der nachstehenden Darlegung angenommen.
Die Umwandlungsscheibe 5 ist in dem Bereiche, wo der Verbrennungsstrahl auf sie auftritt, mit einer eine rauhe Oberfläche be sitzenden Ringscheibe 6, z. B. aus Karbo- rundum, bewehrt. Der durch Drehzapfen 8 gebildete achsiale Teil der Umwandlungs- scheibe 5 ist in den Stirnwänden des Ge- häuses 9 frei drehbar gelagert und mit einer zentrischen, aber nicht durchgehenden Längsbohrung 10 versehen, die mit einem in der Nabe der einen Stirnwand des Gehäuses ausgesparten Raum 14' in Verbindung steht, in welchen eine Leitung 14 für die Zufüh rung des Kühlmittels mündet.
Annähernd in dem radialen Abstand von der Drehachse, in welchem gemäss Fig. 2 die Verbrennungs- gasdüse 11 bezw. eine Anzahl solcher Düsen angeordnet ist, sind in der Umwandlungs- scheibe auf ihrer diesen zugekehrten Stirn seite an den Stellen 12 mehrere (nicht dar gestellte) Düsen angeordnet, die durch im wesentlichen radial verlaufende Bohrungen 13 mit der erwähnten Achsialbohrung 10 in Verbindung stehen.
Die Umwandlungsscheibe 5 wird durch die auf sie auftreffenden Gasstrahlen der Düse bezw. der Düsen 11 in schnelle Um drehung versetzt, da die Gasstrahlen an den Stellen 12, an denen sie auf die Scheibe 5 auftreffen, im wesentlichen tangential zur Bewegungsrichtung dieser Stellen verlaufen. Die durch die Bohrung 10 zuströmende Kühl flüssigkeit wird infolge der Fliehkraft durch die Kanäle 13 nach aussen geschleudert, dabei unter Druck gesetzt und dadurch in den Gasstrom der Düsen 11 gespritzt, spätestens kurz nach dessen Auftreffen auf die Scheibe 5.
Die Kühlflüssigkeit wird hierbei durch Wärmeaufnahme aus dem Gasstrom ver dampft, worauf das aus dem Gas und dem Dampf bestehende Gemisch in spiraligen Wegen nach aussen geführt und hier infolge der Volumenvergrösserung des Kühlmittels und des Brennstoffes auf die beschriebene Weise, bei gleichzeitiger Erniedrigung seiner Temperatur, unter erhöhten Druck gesetzt wird.
Auf dem Aussenumfang der Umwand lungsscheibe 5 und der äusseren Ringfläche ihrer den Düsen (11, 12) abgekehrten Stirn seite sind Schaufeln 15 vorgesehen, die hier ähnlich den Schaufeln eines Turbokompres sors angeordnet sind. Da die Schaufeln jedoch nicht die Aufgabe haben, das Gas zu verdichten, ist es auch möglich, sie auf irgend eine andere Weise auszubilden; beispiels weise können sie rein radial angeordnet sein.
Bei der vorstehend angenommenen Ver wendung einer Flüssigkeit als Kühlmittel besteht die für die Ausnutzung in einer Tur bine zur Verfügung stehende Gasmenge aus einem Gemisch von Verbrennungsgas und mehr oder weniger überhitztem Flüssigkeits dampf. Die Ausnutzung eines derartigen Gemisches in einer Gasturbine ist nur mit beschränktem Wirkungsgrad möglich. Wenn man hinter eine ein derartiges Gemisch aus nutzende Gasturbine einen Kondensator schaltet und demnach die Gasturbine auf Unterdruck arbeiten lässt, ist eine sehr grosse Arbeit notwendig, um das Verbrennungsgas von dem gondensatorunterdruck auf den atmosphärischen Druck zu pumpen.
Wenn anderseits dieser Turbine kein Kondensator nachgeschaltet wird, kann der in dem Gas gemisch enthaltene Flüssigkeitsdampf nur mit sehr schlechtem Wirkungsgrad aus genutzt werden.
Dieser Nachteil kann dadurch vermieden werden, dass das mit Hilfe der Umwand lungsscheibe 5 verdichtete Gemisch durch die Schaufeln 15 von der Scheibe 5 weiter mit genommen wird. Infolge der Fliehkra.ft- wirkung scheiden sich dann die Bestandteile des Gasgemisches voneinander, so dass der schwerere Stoff sich am Aussenumfang des Gehäuses 9, der leichtere mehr nach der Mitte zu sammelt. Viele Brennstoffe haben be kanntlich einen gewissen Gehalt an Schwefel, so dass beim Verbrennen Schwefeldioxyd (S02) entsteht.
Bei Gegenwart von Wasser dampf wird dann in dem bei Unterschrei tung des Taupunktes entstehenden Konden sat des Wasserdampfes das Schwefeldioxyd gelöst, worauf sich schweflige Säure (HZS03) bildet. Die vorhin erwähnte Trennung des Kühlflüssigkeitsdampfes vom Gas hat also, bei Verwendung von Wasser als Kühlflüs sigkeit, den weiteren Vorteil, dass sich bei der Herabexpansion der Gase in einer Tur- bine keine schweflige Säure bilden kann, durch welche die Turbinenschaufeln,
der Kondensator und andere Teile zerstört wür den.
In dem Gehäuse<B>9</B>, in dem die I mwa.nd- lungsscheibe 5 angeordnet ist, herrscht im wesentlichen der sich durch die Umwandlung ergebende Druck, der nur auf Grund der Fliehkraftwirkung von der Drehachse an nach aussen etwas zunimmt. Dieser Druck unterschied hängt von dem spezifischen Ge wicht des Gasgemisches ab und ist deshalb im allgemeinen nur gering.
Um die Tren nung des Flüssigkeitsdampfes von dem Ver brennungsgas zu verbessern, kann die Dreh- geschss-indigkeit der U mssandlungsseheibe 5 auf nicht dargestellte Weise noch dadurch erhöht werden. dass die Scheibe 5 von aussen her, beispielsweise durch einen -Motor oder dergl., angetrieben wird.
Die beiden so voneinander geschiedenen Bestandteile des Gemisches können über die Austrittsöffnungen 16 und<B>11</B> zwei ver schiedenen Turbinen zugeleitet werden. Die Austrittsöffnungen 16 liegen etwa am Au ssenumfang der Umw andlungsscheibe 5. wäh rend der Kreis, auf dem die Austrittsöffnim- gen 17 angeordnet sind, etwa. gleich dem Kreis ist, auf -welchem die innern Enden der Schaufeln 15 liegen. Es empfiehlt sich.
die Austrittsöffnungen 16 noch etwas von ciem äussern Umfang des Innenraumes des Gehäuses 9 a.bzuriicken. um zu vermeiden, dass Brennstoffriiekstä.nde oder Wasserstaub durch die Austrittsöffnungen 16 treten und das Schaufelwerk der einen Turbine be schädigen können. Daher ist es auch vorteil haft. am äussern Umfang des Innenraumes des Gehäuses 9 Filter oder dergl. vorzusehen, wo sich die ausgeschleuderten festen oder flüssigen Teile (Brennstoffrückstände) des Gasgemisches fangen können.
Das Gehäuse 9 ist zweckmässigerweise mit einem Mantel 18 derart versehen, dass Kühlräume 19 ent stehen, durch die irgendein Kühlmittel, bei spielsweise Wasser oder Luft, strömen kann.
Ein Mangel bekannter Vorrichtungen be steht darin, da.ss bei der -Mischung eines Gas stromes mit einem Kühlmittel in beträcht lichem Masse zwischen den einzelnen Teil- eben Stösse auftreten, die die Strömungs geschwindigkeit zwar vermindern; die Ver minderung dieser Geschwindigkeit wird je doch nicht in Druck, sondern in -Wärme um gesetzt, die wiederum eine Erhöhung der Kühlmittelmenge und eine Vergrösserung des rotwendigen Reaktionsweges zur Folge hat.
Um diesen Mangel zu beheben, sind ge mäss Fig. 1 und 2 die Kühlmitteldüsen bei 12 derart angeordnet und ausgebildet, da.ss die Richtung des aus ihnen austretenden Kühlmittelstromes im wesentlichen mit der cies Gasstromes übereinstimmt. Es empfiehlt sieh, die Kanäle 13 im Scheibeninnern, durch die das Kühlmittel den Austrittsdüsen bei 12 zugeführt wird, derart anzuordnen und ans zubilden, dass der Wärmeübergang von der Scheibe auf das Kühlmittel unterstützt wird.
Durch die auf diese Weise bewirkte Vor wärmung der Kühlflüssigkeit werden die Zeit und damit der Weg beträchtlich her abgesetzt, die notwendig sind, um soviel Wärme von dem Gas auf die Kühlflüssig keit zu übertragen. da.ss sie zur Verdampfung gebracht und so eine Volumen- und Druck steigerung erreicht wird.
Die Flüssigkeit kann auf eine verhältnis mässig hohe Temperatur vorgewärmt werden, ohne dass eine vorzeitige Verdampfung schon im Innern der Umwandlungsscheibe zu be fürchten ist, da die Flüssigkeit infolge der Fliehkraftwirkung unter beträchtlichem Druck steht. Die Reaktionszeit und damit der Reaktionsweg -erden ausserdem durch die Vorwärmumg der Flüssigkeit deswegen herabgesetzt, weil die Verdampfungswärme mit wachsendem Druck abnimmt.
Je höher also der Flüssigkeitsdruck ist und je näher die Vorwärmungstemperatur der Verdamp- fungstemperatur der Flüssigkeit bei dem. be treffenden Drucke liegt, umso geringer ist die Wärme, die noch von dem Gasstrahl auf die Kühlflüssigkeit bis zur Verdampfung und damit bis zur Druck- und Volumen steigerung übertragen werden muss.
Bei Verwendung eines Gases als Kühl mittel ist es infolge seines grossen Volumens schwierig, das Kühlmittel durch das hohle Innere der Umwandlungsscheibe in den Ver brennungsstrahl zu leiten, wie dies beim vor hin beschriebenen Ausführungsbeispiel (mit flüssigem Kühlmittel) stattfindet. Für den Fall, wo ein Gas, und zwar am besten Luft, als Kühlmittel, dienen soll, ist zunächst das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 bis 6, so wie<B>-</B>auch die Variante gemäss Fig. 7 be stimmt, welche später erläutert wird.
Gemäss Fig. 3 bis 6 ist die mit Schaufeln 15 und einem Drehzapfen 8 versehene Um wa,ndlungsscheibe 5 wiederum in einem Ge häuse 9 frei drehbar angeordnet. Die Schau feln 15 haben hier den Zweck, das Gas gemisch einerseits zu entwirbeln und ander seits eine möglichst gleichbleibende Drehung der Umwandlungsscheibe aufrecht zu erhal ten.
Die Kühlung erfolgt durch Luft unter Verwendung einer Vorbrennkammer 20 und einer Hauptbrennkamwer 22, von welchen Kammern mehrere, vorteilhaft in gleich mässigen Abständen von einander, vorhanden sein können.
Die mit 20 bezeichneten Vor- brennkammern sind je durch einen Kanal 21 mit der ihnen nachgeschalteten Hauptbrenn- kammer, 22 verbunden. In diesem Kanal 21 ist ein Ventil 23 angemrdnet, das sich nach der Hauptbrennkammer zu öffnet. ll@it dem Ventil 23 ist ein Schieberventil 25 mittels der beiden Tippen 26 (Fug. 5 und 6) fest verbunden.
Bei geöffnetem Ventil 23 ist auch das Schieberventil 25 geöffnet, wobei der Kanal 21 über die Öffnung 24 mit der Aussenluft in Verbindung steht.
Jede Hauptbrennkammer 22 steht un mittelbar mit einer oder mehreren Düsen 11 in Verbindung, . durch welche das Gas gemisch auf die Umwandlungsscheibe 5 so aufgeblasen wird, dass die Bewegungsrich tung des Gasgemisches an der Stelle, an wel cher es auf die Scheibe 5 auftrifft, im we sentlichen tangentiäl zur Bewegungsrichtung dieser Stelle verläuft. Der vorteilhaft aus feuerfestem Werkstoff bestehende ring förmige Belag 6 der Umwandlungsscheibe 5 ist im Ausführungsbeispiel mit flachen Ra- d.ialnuten 7 versehen (Fug. 3 und 4).
Zweckmässigerweise wird die gesamte für eine Düsenladung bestimmte Brennstoff menge in die Vorbrennkammer 20 vor der Einführung der Verbrennungsluft derart ein gebracht, dass der gesamte Brennstoff unter Einwirkung der Wärme der Verbrennungs- rückstände der vorhergehenden Verpuffung vergast und darnach wird nur soviel Luft in die Vorbrenukammer 20 hineingedrückt,
als für die Verbrennung eines Teils der Brennstoffmenge einer Düsenladung notwen dig ist. Dadurch erfolgt die Verbrennung unter Verbrauch des theoretischen Luft bedarfes, wodurch die Höchsttemperatur und damit der Höchstdruck erreicht wird. Die Verbrennung in der Hauptbrennkammer 22, insbesondere aber eine Nachverbrennung an der Umwandlungsscheibe 5 oder in dem Ge häuse 9 erfolgt dabei unter grossem Luft überschuss, der ohne Schaden zum Zwecke ge nügender Kühlung soweit gehen kann,
dass die Zusammensetzung des Gemisches unter der untern Zündgrenze liegt, in welchem Falle die Verbrennung "schleichend" wäre, der Druckanstieg aber derselbe bliebe.
Kurz nach einer Verpuffung wird wieder Brennstoff mit Hilfe der Zerstäuberdüse 27 in fein verteiltem Zustand in die Vorbrenn- kammer 20 eingespritzt.
Nachdem der Brenn stoff durch die Wärme der Verbrennungs- rückstände der vorhergegangenen Verpuf fung vergast worden ist, wird ein Teil der notwendigen Verbrennungsluft durch die Leitung 28 tangential zum Umfang des in der Vorkammer sich bildenden Gasgemisch strahls eingeblasen, und zwar an einer Stelle, welche möglichst weit entfernt ist von der Stelle,
an welcher der Gasgemischstrahl aus der Vorbrennkammer austritt. Das Gemisch wird entweder durch seine Eigenwärme oder mit Hilfe einer Zündvorrichtung 49 zur Ent zündung gebracht. Durch die Drucksteige rung infolge der Verbrennung eines Teils des Brennstoffes wird das Ventil 23 mitsamt dem Schieberventil 25 geöffnet.
Das Gasgemisch strömt dann unter Umsetzung seines Druckes in Geschwindigkeit in die Hauptbrem.kam- mer 22 hinüber, wobei durch die offengeleg- ten Kanäle 24 der Rest der Verbrennungs luft und die Kühlluft mitgerissen werden. In der obern Hälfte der Fig. 3 ist die Ven tilvorrichtung 23, 25 geschlossen dargestellt, während in der untern Hälfte der Abbildung diese Ventilvorrichtung in geöffnetem Zu stande gezeigt ist.
Mit 29 ist der vergaste, roch nicht verbrannte Teil des Gemisches be- :,iehnet, während der bereits verbrannte Teil des Ladungsgemisches das Bezugszeichen 30 trägt. Die Ventilvorrichtung 23, 25 wird geschlossen, sobald der Druck in der Haupt brennkammer ?2 den Druck in der Vor- brennkammer 20 übersteigt.
In diesem Au genblick wird durch die Ventilvorrichtun- nicht nur die Verbindung z-,vischen der Vor- brennka.mmer und der Hauptbrennkammer. sondern auch zwischen dem Ladungsgemisch einerseits und dem Kühlmittel und der Aussenluft anderseits unterbrochen, so dass nunmehr der Druck in der Hauptbrenn- l.-ammer 22 weiter ansteigen kann.
Auf die beschriebene Weise arbeitet die Ventilvorrichtung 23, \?5 völlig selbsttiitig ohne irgendeinen Antrieb von aussen. Beide Ventile werden im wesentlichen gleichzeitig geöffnet und geschlossen.
Bei besonders hohen Umdrehungszahlen der rmwa.ndlungs- scheibe und entsprechend schnell aufeinander- felgenden Verbrennungen in der Vorbrenn- kammer und der Hauptbrennkammer ist der Ventilkörper 23 möglichst leicht auszu führen, um die lla.ssenkräfte auf ein Mindest mass herabzusetzen.
Unter Umständen wäre auch, um keine unzulässigen Verzögerungen in der Bewegung der Ventile durch IVIa,ssen- kräfte zu erhalten, der Einbau eines zusätz lichen Antriebes für die Ventilvorrichtung zweckmässig.
Während der Verpuffung des Brennstof fes entsteht bekanntermassen ganz allgemein eine Druckwelle, indem der Druck anfangs infolge der Vorverbrennung auf einen sehr hohen ZVert ansteigt und darnach auf einen Wert fällt, der unter dem des Anfangs druckes liegt. Darauf erst kehrt der Druck zu einem Ausgangswert zurück. Die Verpuf fung in der Vorbrennkammer 20 ist jeweilen innerhalb des Zeitraumes zu bewirken, in dem die Druckwelle in der Hauptbrenn- kammer 2 2 unter den Ausgangspunkt ge sunken ist. Da dieser Zeitraum sehr kurz ist, sind zweckmässigerweise Mittel vorgesehen, um ihn zu verlängern.
Es empfiehlt sich, zu diesem Zweck die Umwandlunbsscheibe 5 möglichst dicht vor den Düsen ?2 entlang streichen zu lassen, so dass eine Saugwirkung auf den Gasstrahl ausgeübt wird. Auf diese Weise werden sowohl die Zeitdauer, als auch die Tiefe des durch die Verpuffung bewirk ten Unterdruckes in der Hauptbrennkammer :
-ergrössert, so dass dem Ladungsgemiseh ge n ügend Zeit zur Verfügung steht. um bei geringstem Gegendruck aus der Vor- in die Hauptbrennkammer überzuströmen. Die Ver puffung in der Vorbrennkammer 20 erfolgt also in dem Augenblicke, in welchem der Unterdruck in der Hauptbrennkammer seinen Höchstwert erreicht hat.
Der Druckanstieg des Gemisches auf dem Wege längs der Umwandlungsscheibe wird bei diesem soeben beschriebenen Ausfüh rungsbeispiel ebenfalls. das heisst wie beim zuerst beschriebenen, erreicht. Obwohl bei dem Beispiel nach Fig. 3 bis G der Wärme aufnahme des Kühlmittels (Luft) eine ent sprechende Wärmeabgabe der Verbrennungs gase gegenübersteht, so wird der Druck anstieg des Gemisches auf dem Wege längs der Umwandlungsscheibe ebenfalls (das heisst wie beim zuerst beschriebenen Beispiel) er reicht,
trotz Gleichheit der aufgenommenen bezw. abgenommenen Wärmemenge die V o- lumenzunahme der verhältnismässig kühlen Luft wesentlich grösser ist als die Volumen abnahme der Verbrennungsgase.
Die beschriebene Verbrennungsvorrich tung gemäss Fig. 3 kann auch beim Ausfüh rungsbeispiel gemäss Fig. 1 und 2 Verwen dung finden. Während jedoch beim Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 3 der Verbrennungs- gasstrahl beim Überströmen aus der Vor brennkaminer 20 in die Hauptbrennkammer 22 die als Kühlmittel dienende und die Ver brennung des Restes einer Düsenladung not wendige Luft mit sich reissen muss,
muss bei \Verwendung dieser Verbrennungsvorrich- tung beim Beispiel nach Fig. 1 und 2 der Verbrennungsgasstrahl beim Überströmen nur diejenige Luftmenge mit sich reissen, die für das vollkommene Verbrennen der Brenn stoffmenge notwendig ist, die in der Vor- brennkammer noch nicht verbrannt, sondern mir vergast wurde.
Die Umwandlungsscheibe 5 (Fug. 3) ist in der Richtung ihrer Achse verschiebbar an geordnet, um das Spiel zwischen dem Schei benbelag 6 und dem Gehäuse und damit die Drehzahl der Umwandlungsscheibe verändern zu können.
Die in. Fig. 7 dargestellte Variante ent spricht im wesentlichen dem Ausführungs beispiel nach Fig. 3. Die Unterschiede sind vor allem darin begründet, dass die Ventil anordnung und Ausbildung hier konstruktiv etwas weiter durchgebildet ist. Die Ventil vorrichtung 23, 25 ist der Einfachheit halber nur für eine Hauptbrennkammer 22 darge stellt.
Hinter der Umwandlungsscheibe 5 ist noch die Turbine dargestellt, in der das Gas gemisch zur Arbeitsleistung ausgenutzt wird. Die Turbine besteht hier aus einem an sich bekannten zweikränzigen Curtisrad 31 mit Düsen 32, zwei Schaufelkränzen 33 und einem Umleitungsschaufelkranz 34.
Die Welle 35 des Turbinenrades ist auf irgendeine Weise drehbar gelagert. Die Lei stung wird über das Ritzel 36 und das Zahn rad 37 zum Antrieb von irgendwelchen kraft verbrauchenden Maschinen übertragen. Es empfiehlt sich, von der Welle 35 aus auch die Reglervorrichtung und den Kompressor zu betreiben, der den Teil der Verbrennungs luft verdichtet, der in die Vorbrennkammer 20 eingeführt wird.
Bei der Variante nach Fig. 7 ist die Ven tilvorrichtung 23, 25 in geschlossenem Zu stande dargestellt. Der Kegel des Ventils 23 liegt gerade auf seinem Sitz 38 auf. Das Schieberventil 25 besteht im wesentlichen aus einem kreisförmigen Ring, der nach der Hauptbrennkammer 22 zu mit einem durch zwei ringförmige Teile 39 und 40 gebildeten, im Querschnitt U-förmigen Ansatz versehen ist.
Den mittleren Teil der Ventilvorrich tung 23, 25 durchsetzt eine Bohrung 41, durch welche die Kühlung verbessert werden soll.
Der ringförmige Ansatz 40 taucht in eine ihm Führung verleihende Ringnut 42 des Ge häuses ein, in der ein Ring 43 mit einem Kopf vorgesehen ist, der nach beiden Seiten sägezahnartig ausgebildet ist und so mit den angrenzenden Ringflächen der beiden Teile 39 und 40 Labyrinthdichtungen bildet. In gleicher Weise ist eine Labyrinthdichtung 44 in der Dichtungsfläche des Schieberventils 25 vorgesehen.
Die in dem zwischen der Vorbrennkam- mer 20 und der Hauptbrennkammer 22 be findlichen Kanal 21 strömenden Verbren nungsgase haben eine derartig hohe Tem peratur, dass die diesen Gasen ummittelbar ausgesetzten Teile nicht geschmiert werden können. Aus diesem Grunde ist zwischen der innern Fläche des ringförmigen Teils 39 und der Fläche 45 ein beträchtliches Spiel vorge sehen, während zwischen der innern Ring fläche des ringförmigen Teils 40 und den Labyrinthzähnen des Ringes 43 nur ein ge ringes Spiel vorhanden ist.
Die Grösse des Spiels zwischen der äussern Ringfläche des ringförmigen Teils 39 und den Labyrinth- zähnen liegt zwischen derjenigen der beiden soeben genannten Spiele. Eine Reibungs berührung ist nur zwischen der äussern Ring fläche des ringförmigen Teils 40 und dem Gehäuse vorhanden, so dass nur diese Fläche geschmiert zu werden braucht.
Der Teil des ringförmigen Raumes 42, der zwischen seiner äussern ringförmigen Begrenzungswand und der nach aussen gekehrten Wandfläche des Ringes 43 liegt, steht ausserdem durch Schlitze 46 mit der Aussenluft in Kommuni- kation. Sobald die Ventile 23, (Fug. 7) von ihren Dichtungsflächen abgehoben werden, strömt das Gasgemisch aus der Vorbrenn- kammer 20 in die Hauptbrennkammer 22, in dem es durch den ringförmigen Teil 47 ge führt wird.
Hierbei wird reichlich Luft in die Hauptbrennkammer mitgerissen. Gleich nach Beginn der Öffnungsbewe gung der Ventile 23, 25 werden die Schlitze 46 durch den ringförmigen Teil 40 geschlos sen. Es erfolgt dann eine Verdichtung in der Ringnut 42, während Verbrennungsgas bezw. Luft durch die Labyrinthdichtungen des Ringes 43 in den Raum zwischen den ring förmigen Teilen 40 und 39 strömt. Die bei den Strömungen sind einander entgegen ge richtet, so dass hierdurch die Dichtung ver bessert wird.
Device for increasing the pressure of combustion gases by lowering their temperature and flow rate. The invention relates to a device for combustion gases of low pressure, but high temperature and speed by mixing with a flowing coolant to higher pressure and lower temperature and speed, in particular for use in gas turbines to bring.
In order to cool the combustion gases and make them usable for use in gas turbines, it is known to cool them by injecting a gaseous or liquid coolant. However, only a cooling of the combustion gases was achieved in this way without it being possible to simultaneously increase the pressure of the gases, although the coolant in and of itself experienced a considerable increase in volume as a result of the heating.
For the transfer of part of the heat of the combustion gases to the coolant, a certain time is necessary, which corresponds to a certain distance depending on the speed of the gas flow. In the case of the known devices, this reaction path necessary for the transfer of heat to the coolant resulted in such a large volume that the increase in volume caused by the heating of the cooler did not result in any significant pressure increase in the mixture.
According to the invention, the above-mentioned deficiencies are remedied in that a conversion disc is rotatably arranged, on one surface of which the at least partially burned fuel-air mixture is inflated through at least one nozzle so that the direction of movement of the mixture is at the point at which it strikes the surface, runs essentially tangential to the direction of movement of this point, and furthermore by
that the flowing coolant is added to the gas flow shortly after it hits the conversion disc at the latest.
In principle, any flowing, gaseous or liquid medium can be used as a coolant: however, air, water or steam are expediently used for this purpose.
Thanks. the drive according to the invention has enough time available in a relatively small space to transfer part of the heat of the gas jet to the coolant. To the extent that the coolant absorbs heat from the combustion gases. will increase in volume.
This increase in volume is particularly great when using a liquid (water) as a coolant: accordingly, a correspondingly strong increase in pressure is to be expected here. However, this advantage is offset by the disadvantage that the heat of evaporation of a liquid is comparatively large: for this reason, better heat extraction results when a gas, in particular air, is used as a coolant.
The accompanying drawings show two embodiments of the subject matter of the invention in a simplified representation and a variant of one example, namely, Fig. 1 shows a longitudinal section through the first embodiment, in which a liquid speed, for. B.
Water is used as a coolant, FIG. 2 is an associated end view, FIG. 3 is a longitudinal section through the other exemplary embodiment in which air is used as the coolant, FIG. 4 is an associated partial view in the direction of the axis of the conversion disk, FIG. 5 shows an associated control valve, seen from the front; Fig. 6 is a section through this control valve along the line VI-VI of FIG. 5;
7 shows a longitudinal section through a variant of the second exemplary embodiment, in which in particular the control valve is shown more precisely than in FIG. 3.
Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
In the embodiment according to FIGS. 1 and 2, the fuel, which has been atomized in some way, is pressurized by the pump device 1 together with part of the combustion air. The Ven valve 48 regulates the exit of this fuel air mixture into the line 2, through which a mixing chamber 3 flows. The mixed flow entrains the rest of the combustion air with it in a known manner. In the mixing chamber, the fuel ignites either through the inherent heat of the mixture or with the aid of an ignition device.
The hot, at least partially burned, fuel-air mixture now flows at high speed, converting part of its pressure. through the line 4 and the nozzle 11 on the upper surface of the conversion disk 5.
For the sake of simplicity, only one such nozzle device is shown; In general, however, it will be advisable to assign several nozzle devices to a conversion disk, and advantageously so that they are evenly distributed over the circumference of the disk at the same distance from the axis of rotation and are independent of each other by having a separate nozzle for each nozzle Pump device with a mixing chamber and the associated parts provided eats. The ignition and combustion in the individual iliac chambers of the individual nozzles are effected one after the other. Such an arrangement is also assumed in the following explanation.
The conversion disk 5 is in the areas where the combustion jet occurs on it, with a rough surface be seated annular disk 6, z. B. made of carbon all around, reinforced. The axial part of the conversion disk 5 formed by the pivot pin 8 is freely rotatable in the end walls of the housing 9 and is provided with a central, but not continuous, longitudinal bore 10 which has a space 14 recessed in the hub of one end wall of the housing 'Is in connection, in which a line 14 opens for the supply tion of the coolant.
Approximately at the radial distance from the axis of rotation at which, according to FIG. 2, the combustion gas nozzle 11 respectively. a number of such nozzles are arranged, several (not shown) nozzles (not shown) are arranged in the conversion disk on their end face facing them, which are in connection with the aforementioned axial bore 10 through essentially radially extending bores 13.
The conversion disk 5 is BEZW by the gas jets of the nozzle impinging on it. the nozzle 11 is set in rapid rotation, since the gas jets at the points 12 at which they impinge on the disk 5 are essentially tangential to the direction of movement of these points. The cooling liquid flowing in through the bore 10 is thrown outward through the channels 13 as a result of the centrifugal force, put under pressure and thus injected into the gas flow of the nozzles 11, at the latest shortly after it hits the disk 5.
The cooling liquid is vaporized by absorbing heat from the gas stream, whereupon the mixture consisting of the gas and the vapor is led outwards in spiral paths and here as a result of the increase in volume of the coolant and the fuel in the manner described, with a simultaneous lowering of its temperature increased pressure is applied.
On the outer circumference of the converting disc 5 and the outer annular surface of its end facing away from the nozzles (11, 12) blades 15 are provided, which are arranged here similar to the blades of a turbo compressor. However, since the blades do not have the task of compressing the gas, it is also possible to form them in some other way; for example, they can be arranged purely radially.
In the above-assumed use of a liquid as a coolant, the amount of gas available for use in a turbine consists of a mixture of combustion gas and more or less superheated liquid vapor. The utilization of such a mixture in a gas turbine is only possible with limited efficiency. If a condenser is connected behind a gas turbine using such a mixture and accordingly the gas turbine is allowed to operate at negative pressure, a great deal of work is necessary to pump the combustion gas from the condenser negative pressure to atmospheric pressure.
If, on the other hand, no condenser is connected downstream of this turbine, the liquid vapor contained in the gas mixture can only be used with very poor efficiency.
This disadvantage can be avoided in that the mixture compressed with the aid of the converting disk 5 is carried along by the blades 15 from the disk 5. As a result of the centrifugal force effect, the constituents of the gas mixture then separate from one another, so that the heavier substance collects on the outer circumference of the housing 9, the lighter substance more towards the middle. It is well known that many fuels have a certain content of sulfur, so that when they burn, sulfur dioxide (S02) is produced.
In the presence of water vapor, the sulfur dioxide is then dissolved in the condensation of the water vapor that occurs when the dew point is not reached, whereupon sulphurous acid (HZS03) is formed. The above-mentioned separation of the cooling liquid vapor from the gas has the further advantage, when using water as the cooling liquid, that no sulphurous acid can form during the downward expansion of the gases in a turbine, through which the turbine blades,
the capacitor and other parts would be destroyed.
In the housing 9, in which the expansion disk 5 is arranged, there is essentially the pressure resulting from the conversion, which only increases slightly outwards from the axis of rotation due to the effect of centrifugal force . This difference in pressure depends on the specific weight of the gas mixture and is therefore generally only small.
In order to improve the separation of the liquid vapor from the combustion gas, the rotational speed of the conversion disk 5 can be increased in a manner not shown. that the disk 5 is driven from the outside, for example by a motor or the like.
The two constituents of the mixture thus separated from one another can be fed to two different turbines via the outlet openings 16 and 11. The outlet openings 16 lie approximately on the outer circumference of the conversion disk 5, while the circle on which the outlet openings 17 are arranged, for example. is equal to the circle on which the inner ends of the blades 15 lie. It is advisable.
the outlet openings 16 a.bzuriicken somewhat from the outer circumference of the interior of the housing 9. in order to prevent fuel residues or water dust from passing through the outlet openings 16 and damaging the blades of one turbine. Therefore it is also beneficial. Provide filters or the like on the outer circumference of the interior of the housing 9, where the ejected solid or liquid parts (fuel residues) of the gas mixture can catch.
The housing 9 is expediently provided with a jacket 18 such that cooling spaces 19 are ent through which any coolant, for example water or air, can flow.
One shortcoming of known devices is that when a gas stream is mixed with a coolant, a considerable amount of shocks occur between the individual parts, which indeed reduce the flow velocity; the reduction in this speed is not, however, converted into pressure but into heat, which in turn increases the amount of coolant and increases the length of the reaction path.
In order to remedy this deficiency, according to FIGS. 1 and 2, the coolant nozzles at 12 are arranged and designed in such a way that the direction of the coolant flow emerging from them essentially corresponds to that of the gas flow. It is recommended that the channels 13 in the interior of the pane, through which the coolant is supplied to the outlet nozzles at 12, be arranged and formed in such a way that the heat transfer from the pane to the coolant is supported.
Due to the heating of the cooling liquid effected in this way, the time and thus the path are considerably reduced, which are necessary to transfer so much heat from the gas to the cooling liquid speed. da.ss it is made to evaporate and thus an increase in volume and pressure is achieved.
The liquid can be preheated to a relatively high temperature without having to fear premature evaporation inside the conversion disk, since the liquid is under considerable pressure due to the effect of centrifugal force. The reaction time and thus the reaction path -erden also reduced by preheating the liquid because the heat of vaporization decreases with increasing pressure.
The higher the liquid pressure and the closer the preheating temperature to the evaporation temperature of the liquid at the. be relevant pressures, the lower the heat that still has to be transferred from the gas jet to the cooling liquid up to evaporation and thus up to the pressure and volume increase.
When using a gas as a coolant, it is difficult due to its large volume to direct the coolant through the hollow interior of the conversion disk in the United combustion jet, as takes place in the previously described embodiment (with liquid coolant). For the case where a gas, preferably air, is to serve as the coolant, the exemplary embodiment according to FIGS. 3 to 6, as well as the variant according to FIG. 7, are initially correct which will be explained later.
According to Fig. 3 to 6 provided with blades 15 and a pivot 8 Um wa, ndlungsscheibe 5 in turn in a Ge housing 9 is arranged freely rotatable. The purpose of the blades 15 here is to unravel the gas mixture on the one hand and to maintain a constant rotation of the conversion disk on the other hand.
The cooling is carried out by air using a pre-combustion chamber 20 and a main combustion chamber 22, of which several chambers can be present, advantageously at regular intervals from one another.
The pre-combustion chambers designated by 20 are each connected by a channel 21 to the main combustion chamber 22, which is connected downstream of them. In this channel 21, a valve 23 is arranged, which opens after the main combustion chamber. A slide valve 25 is firmly connected to valve 23 by means of the two taps 26 (FIGS. 5 and 6).
When the valve 23 is open, the slide valve 25 is also open, the channel 21 being in communication with the outside air via the opening 24.
Each main combustion chamber 22 is un indirectly with one or more nozzles 11 in connection. through which the gas mixture is inflated onto the conversion disk 5 in such a way that the direction of movement of the gas mixture at the point where it hits the disk 5 is essentially tangential to the direction of movement of this point. The ring-shaped coating 6 of the conversion disk 5, which is advantageously made of refractory material, is provided in the exemplary embodiment with flat radial grooves 7 (FIGS. 3 and 4).
The entire amount of fuel intended for a nozzle charge is expediently introduced into the pre-combustion chamber 20 before the combustion air is introduced in such a way that all of the fuel is gasified under the action of the heat of the combustion residues from the previous deflagration and only that amount of air is then pressed into the pre-combustion chamber 20 ,
than is neces sary for the combustion of part of the fuel quantity of a nozzle charge. As a result, the combustion takes place using the theoretical air requirement, whereby the maximum temperature and thus the maximum pressure is reached. The combustion in the main combustion chamber 22, but in particular an afterburning on the conversion disk 5 or in the housing 9 takes place with a large excess of air, which can go so far without damage for the purpose of sufficient cooling,
that the composition of the mixture is below the lower ignition limit, in which case the combustion would be "creeping", but the pressure increase would remain the same.
Shortly after a deflagration, fuel is again injected into the pre-combustion chamber 20 in a finely divided state with the aid of the atomizer nozzle 27.
After the fuel has been gasified by the heat of the combustion residues of the previous deflagration, part of the necessary combustion air is blown through the line 28 tangentially to the circumference of the gas mixture forming in the antechamber, namely at a point which is as close as possible is far from the place
at which the gas mixture jet emerges from the pre-combustion chamber. The mixture is caused to ignite either by its own heat or with the aid of an ignition device 49. By the Drucksteige tion as a result of the combustion of part of the fuel, the valve 23 together with the slide valve 25 is opened.
The gas mixture then flows under conversion of its pressure at speed into the main brake chamber 22, the rest of the combustion air and the cooling air being entrained through the exposed channels 24. In the upper half of Fig. 3, the Ven valve device 23, 25 is shown closed, while in the lower half of the figure this valve device is shown in the open position.
With 29 the gasified, smell unburned part of the mixture is indicated, while the already burned part of the charge mixture bears the reference number 30. The valve device 23, 25 is closed as soon as the pressure in the main combustion chamber? 2 exceeds the pressure in the pre-combustion chamber 20.
At this moment, the valve device not only establishes the connection between the pre-combustion chamber and the main combustion chamber. but also interrupted between the charge mixture on the one hand and the coolant and the outside air on the other hand, so that the pressure in the main combustion chamber 22 can now rise further.
In the manner described, the valve device 23, 5 works completely automatically without any external drive. Both valves are opened and closed essentially simultaneously.
In the case of particularly high revolutions of the converting disk and correspondingly rapidly overlapping combustions in the pre-combustion chamber and the main combustion chamber, the valve body 23 is to be designed as lightly as possible in order to reduce the release forces to a minimum.
Under certain circumstances it would also be advisable to install an additional drive for the valve device in order to avoid any inadmissible delays in the movement of the valves caused by negative forces.
As is well known, during the deflagration of the fuel, a pressure wave arises in general, in that the pressure initially rises to a very high ZVert as a result of the pre-combustion and then falls to a value below that of the initial pressure. Only then does the pressure return to an initial value. The deflagration in the pre-combustion chamber 20 is to be brought about in each case within the period in which the pressure wave in the main combustion chamber 2 2 has sunk below the starting point. Since this period is very short, means are expediently provided to extend it.
For this purpose, it is advisable to have the conversion disk 5 brushed as close as possible in front of the nozzles? 2 so that a suction effect is exerted on the gas jet. In this way, both the duration and the depth of the negative pressure caused by the deflagration in the main combustion chamber:
- Enlarged, so that there is enough time available for the cargo. in order to flow over from the pre-combustion chamber into the main combustion chamber at the lowest possible counter pressure. The Ver puffing in the pre-combustion chamber 20 takes place at the moment in which the negative pressure in the main combustion chamber has reached its maximum value.
The pressure increase of the mixture on the way along the conversion disk is also approximately in this embodiment just described. that is, as with the first described, achieved. Although in the example according to Fig. 3 to G the heat absorption of the coolant (air) is opposed to a corresponding heat emission of the combustion gases, the pressure increase of the mixture on the way along the conversion disk is also (that is, as in the example described first) reached,
despite the equality of the recorded resp. the amount of heat removed, the increase in volume of the relatively cool air is considerably greater than the decrease in volume of the combustion gases.
The combustion device described according to FIG. 3 can also be used in the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2. However, while in the exemplary embodiment according to FIG. 3, the combustion gas jet, as it flows over from the pre-combustion chamber 20 into the main combustion chamber 22, has to carry away the air serving as coolant and the combustion of the rest of a nozzle charge,
When using this combustion device in the example according to FIGS. 1 and 2, the combustion gas jet only has to carry that amount of air with it when it flows over that is necessary for the complete combustion of the amount of fuel that has not yet been burned in the pre-combustion chamber, but me was gassed.
The conversion disk 5 (Fug. 3) is slidable in the direction of its axis to be able to change the game between the disc 6 and the housing and thus the speed of the conversion disk.
The variant shown in. Fig. 7 corresponds essentially to the embodiment example according to FIG. 3. The differences are mainly due to the fact that the valve arrangement and training is here a little more constructive. The valve device 23, 25 is for the sake of simplicity only for a main combustion chamber 22 Darge provides.
Behind the conversion disk 5, the turbine is still shown, in which the gas mixture is used for work. The turbine here consists of a two-ring Curtis wheel 31, known per se, with nozzles 32, two blade rings 33 and a diversion blade ring 34.
The shaft 35 of the turbine wheel is rotatably mounted in some way. The performance is transmitted through the pinion 36 and the gear 37 to drive any power consuming machines. It is advisable to also operate the regulator device and the compressor from the shaft 35, which compresses the part of the combustion air that is introduced into the pre-combustion chamber 20.
In the variant of FIG. 7, the valve device 23, 25 is shown in the closed position. The cone of the valve 23 just rests on its seat 38. The slide valve 25 consists essentially of a circular ring which, after the main combustion chamber 22, is provided with a shoulder formed by two ring-shaped parts 39 and 40 and having a U-shaped cross-section.
The middle part of the Ventilvorrich device 23, 25 penetrates a bore 41 through which the cooling is to be improved.
The annular projection 40 dips into an annular groove 42 of the Ge housing which gives it guidance, in which a ring 43 is provided with a head which is sawtooth-like on both sides and thus forms labyrinth seals with the adjacent annular surfaces of the two parts 39 and 40. In the same way, a labyrinth seal 44 is provided in the sealing surface of the slide valve 25.
The combustion gases flowing in the channel 21 located between the pre-combustion chamber 20 and the main combustion chamber 22 have such a high temperature that the parts directly exposed to these gases cannot be lubricated. For this reason, a considerable game is easily seen between the inner surface of the annular part 39 and the surface 45, while between the inner ring surface of the annular part 40 and the labyrinth teeth of the ring 43 only a ge ring game is available.
The size of the play between the outer ring surface of the ring-shaped part 39 and the labyrinth teeth is between that of the two games just mentioned. Frictional contact is only present between the outer ring surface of the annular part 40 and the housing, so that only this surface needs to be lubricated.
The part of the annular space 42 which lies between its outer annular delimiting wall and the outwardly facing wall surface of the ring 43 is also in communication with the outside air through slots 46. As soon as the valves 23 (Fig. 7) are lifted from their sealing surfaces, the gas mixture flows out of the pre-combustion chamber 20 into the main combustion chamber 22, in which it is passed through the annular part 47.
Plenty of air is drawn into the main combustion chamber. Immediately after the opening movement of the valves 23, 25 begins, the slots 46 are closed through the annular part 40. There is then a compression in the annular groove 42, while combustion gas BEZW. Air flows through the labyrinth seals of the ring 43 into the space between the ring-shaped parts 40 and 39. The currents are directed against each other, so that the seal is improved.