CH301138A - Verbrennungseinrichtung mit Zyklonbrennkammer. - Google Patents

Description

  Verbrennungseinrichtung mit Zyklonbrennkammer.    Es sind Verbrennungseinrichtungen mit  Zyklonbrennkammern, z. B. für     Gasturbinen-          Kraftanlagen,    bekannt,     in    welchen Brennstoff  in Luft verbrannt wird, welche Luft wenig  stens annähernd tangential in die Kammer  eintritt, in einer Wirbelbewegung gegen die  Kammeraehse strömt und dann die Kammer  durch einen axialgelegenen Zentralauslass für  die Verbrennungsgase verlässt.  



  In einer solchen     Brennkammer    können  sowohl pulverisierter     fester        Brennstoff    wie  auch gewisse schwere Heizöle verbrannt wer  den. Zufolge der hohen Betriebstemperatur  musste aber eine solche Kampmer bis jetzt aus  feuerfestem Material hergestellt werden. Die  Brennkammer nach vorliegender Erfindung  soll nun ausreichend gekühlt werden, so dass  die Kammer somit aus Stahl hergestellt wer  den kann.  



  Die Verbrennungseinrichtung mit     Zyklon-          brennkammer,    nach vorliegender Erfindung  ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vor  gesehen sind, um einen Kühlluftstrom über die  Brennkammer zu leiten und zum Wegführen  dieser Kühlluft zusammen mit den     Verbren-          nungspr    odukten aus der Brennkammer.  Zweckmässig ist die Brennkamnmer in einem  Aussengehäuse angeordnet und an diesem  durch Haltemittel befestigt, die der Kammer  eine gewisse Expansion und Kontraktion.  gegenüber dem Aussengehäuse ermöglichen.  Ein zwischen dem Aussengehäuse lund der  Brennkammer geschaffener Ringraum ist in    diesem Fall für den Durchlass des genannten  Kühlluftstromes bestimmt.

   Die Brennkammer  kann doppelwandig ausgebildet sein, wobei  durch den     Zwischenraum    zwischen den beiden  Wänden Kühlluft strömen kann.  



  Bei einem bevorzugtem Ausführungsbei  spiel ist der Aussenmantel der doppelwan  digen Brennkammer mittels hohler Rippen  am Aussengehäuse abgestützt, welche Rippen  sowohl zur Versteifung als auch als Kanäle  für die zwischen beiden Mänteln durchströ  mende Kühlluft dienen. Der     Brennkammer-          innenmantel    kann in getrennte     Sektore    auf  geteilt sein, die ihrerseits so miteinander ver  bunden sein können, dass sie ein gewisses Mass  von relativer Expansion und Kontraktion  erlauben.  



  Die zur Verbrennung benötigte Luft kann  ganz oder     zlun    Teil vom     Kühlluftstrom.    ab  gezweigt werden.     Vorzugsweise    strömt die  Kühlluft im     Brennkammerauslass    in die Ver  brennungsgase und mischt sich     mit;    diesen.  Insbesondere wird die     Kühlluft    in zwei Strö  men in diesen     Auslass    abgeleitet,     in    einem  Innenstrom, der sich mit- den     Verbrennungs-          gasen    mischt und in einem ringförmigen  Aussenstrom, der die Innenwand des Auslasses  bespült und kühlt.

   Diesen beiden Kühlluft  strömen kann eine     Wirbelbewegung    in der  selben     Richtung    wie den     Verbrennlungsgasen          erteilt    werden.  



  Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeich  nung dargestellt,     -Lund    zwar zeigt      Fig. 1 schaubildlich eine Ansicht der Ver  brennungseinrichtung teilweise weggebrochen,  Fig. 2. einen Querschnitt,  Fig. 3 einen Axialschnitt und  Fig. 4 bis 6 Details.  



  Das äussere Druckgehäuse besteht, wie in  Fig. 1 bis 3 gezeigt, aus einem geflanschten,  zylindrischen Körper 1 mit drei Einlassstutzen  1a und aus zwei je mit einem Umfangsflansch  und einer zentralen Öffnung versehenen ge  wölbten Deckeln 2, die mittels die anein  anderstossenden Flanschen durchsetzender  Bolzen 3 an den beiden Enden des Körpers 1  festgeschraubt sind. Die im Druckgehäuse lie  gende Brennkammer weist drei wenigstens  annähernd tangentiale Einlässe auf, die in  gleichen Abständen am Kammerumfang an  geordnet sind, wie in Fig. 2 gezeigt ist.  



  Die Brennkammer ist doppelwandig, ge  bildet durch einen Innen- und einen von die  sem durch einen engen Zwischenraum ge  trennten Aussenmantel, durch welchen Zwi  schenraum Kühlluft geleitet wird. Der Aussen  mantel besteht aus zwei je mit einer Zentral  öffnung versehenen Endplatten 4a, die mit  tels sechs Hohlrippen 4d versteift sind, wobei  die auf der einen     Endplatte    angeordneten  Rippen mit denen an der andern Endplatte  durch die gleiche Anzahl von sich in     Achs-          richtung        erstreckenden    Hohlrippen 4e ver  bunden     sind,    die in gleichen Abständen am  Kammerumfang angeordnet sind.

   Der Um  fang jeder Endplatte 4a besteht aus drei Teil  spiralen 4b (Fig. 2), die durch wenigstens  annähernd radiale Stufen 4c miteinander  verbunden sind. Die sechs, durch die hohlen  Versteifungsrippen 4d für jede Endplatte 4a  gebildeten Kanäle münden in ein un die  Zentralöffnung angeordnetes Ringgehäuse;  jede dieser Rippen erstreckt sich     wenigstens     annähernd tangential von diesem Gehäuse  zum Plattenumfang. Der Rand jeder Platte  4a ist zu einem Umfangsflanseh aufgebogen,  der die Fortsetzung von an den     Aussenenden     der Rippen     4d    vorgesehenen Umfangsflan  schen bildet, wie bei 4f angegeben ist.

   Zwecks  Vervollständigens des Aussenmantels ist eine  den Kammerumfang bildende Umhüllung 4g    vorgesehen, die aus drei getrennten, geboge  nen Teilen mit den Kanäle bildenden, in  Achsrichtung verlaufenden, hohlen Verstei  fungsrippen 4e besteht.  



  Die Ränder der gekrümmten Platten 4gl,  welche erweiterte Teile an den     Enden    der  Kanäle 4e umfassen, sind mittels Bolzen 14  mit den Umfangsflanschen der Endplatten  4a versehraubt. Der Innenmantel der     Brenn-          kammer,    weleher der Gestalt des Aussenman  tels entspricht, besteht aus einer Anzahl ge  trennter, mit Rippen versehener und durch       Expansionsverbindungen    miteinander verbun  dener Platten. Jede, mit Zentralöffnung ver  sehene     Endplatte    besteht aus einer Anzahl  Sektoren 5a, die durch Wegbrechen des  Aussenmantels teilweise in Fig. 1 gezeigt sind.

    Der Umfang des Innenmantels     besteht    aus  einer Anzahl     gekrümmter    Platten     5b,    die  auch aus Fig. 1 ersichtlich sind. Jede ge  krümmte Platte 5b ist beiderends all einem  Sektor 5a befestigt und bildet mit diesen den  in     Fig.    4 in 'Seitenansicht dargestellten Kör  per, wobei der Umfangsrand der Platte 5a  umgebogen ist, zwecks     Bildens    eines     Flansehes,     an dem die Platte 5b, z.

   B. durch Schweissen,  befestigt ist, wie in     Fig.    5 gezeigt-     ist.    Die  gegen den Aussenmantel     geriehteten    Flächen  des Innenmantels     sind    mit Kühlrippen     5c     versehen, deren Gestalt. am besten aus     Fig.    5  ersichtlich ist.

   Benachbarte Körper überlap  pen einander längs der     radialgeriehteten    Rän  der der Sektoren     5a    und     längs    der Ränder  der     gekrümmten    Platten     5b,    zwecks     Bildens     von Nut-     und    Federverbindungen, die eine  Expansion ermöglichen. Jeder Körper hat  eine längs diesen Rändern gebildete     Nut,    wie  in     Fig.    6 gezeigt, die einen     Schnitt    nach der  Linie     VI-VI    der     Fig.    4 darstellt, zur Auf  nahme der Ränder des nächsten Körpers.

         Wenn    die Platten     5a,        .5b    aus Blech bestehen,  so können die Rippen<B>5e,</B> z. B. durch Sehwei  ssen, an ihnen     befestigt    sein,     ebenso    wie die       Randstreifen    5d, die in.     Fig.    6 die Nuten bil  den, in -denen die überlappenden Ränder be  nachbarter Platten mit     Sehiebesitz    eingreifen.

    Das Schweissen der Rippen sollte möglichst  kontinuierlich     ausgeführt-        werden.    An den      Platten 5a, 5b sind auch die Warzen 7     fest-          geschw    eisst, mittels welchen der Innenmantel  vom Aussenmantel getrennt gehalten ist.

   An  den Warzen sind Stiftsehrauben 8 fest  geschweisst, die grosse Löcher in den Platten  4na und 4g des Aussenmantels durchsetzen  und an diesem mittels Muttern 9 (Fig. 1) be  festigt sind, die die Innenmantelkörper fest  legen, diesen aber bei der Expansion und  Kontraktion eine Relativbewegung     ermög-          lichen.    Wenn die Sektoren 5a und gebogenen  Teile 5b aus Guss bestehen, so sind die Rip  pen und Nuten mit     diesen    aus einem Stück  gegossen. Die Sektoren 5a können am Um  fang auch mit Feder- und Kammverbindun  gen unterteilt sein.  



  Zwischen den Hohlrippen 4d und 4e sind  in den Platten     4a    und     4g    des Aussenmantels  die Schlitze 47g angeordnet, die Lufteinlässe  in den Hohlraum zwischen den beiden Män  teln darstellen, welcher Hohlraum auch mit  dem Innern aller hohlen End- und Längsrip  pen 4d und 4e in Verbindung steht.  



  Eine Ringnut, ähnlich den Nuten längs der  Ränder der Sektoren 5a, ist um die Zentral  öffnung in jeder Endplatte des Innenmantels  gebildet, z. B. mittels gebogener Streifen 5e  ähnlich den stirnseitig an jedem Sektor befe  stigten Streifen 5d (Fig. 4). In diese, eine  Expansion erlaubende Nut in der einen End  platte des Innenmantels passt der Rand des  ausgeweiteten Endes des zylindrischen Roh  res 10 (Fig. 3), das den Axialauslass aus der       Brennkammer    bildet. Das ausgeweitete Ende  eines andern, das Rohr 10 umgebenden zylin  drischen Rohres 11, ist an den Innenenden  der Hohlrippen 4d der benachbarten     End-          platte    4a des Aussenmantels befestigt, zwecks  Bildeis eines ringförmigen Sammelkastens,  in den die Hohlrippen münden.

   Ein an der  andern Endplatte 4a des Aussenmantels bzw.  an dessen Hohlrippen 4d befestigtes Rohr 12  ragt in die Brennkammer gegen das Rohr 10  und bildet einen Kühllufteinlass. Das an der  andern Endplatte des     Innenmantels    ähnlich  dem Rohr 10 montierte Rohr 13 ist um das  Rohr 12 angeordnet und bildet mit diesem  einen weiteren ringförmigen Sammlerkasten.    Diese Rohre sind am besten aus Fig. 3 ersicht  lich, aber das ausgeweitete Ende des Rohres  12 ist in Fig. 1 gezeigt, wo auch die Doppel  wand der     Brennkammer    gezeigt ist, die teil  weise weggebrochen ist, zwecks Sichtbarma  chens des andern Endes des Rohres 12, das  wiederum teilweise weggebrochen ist,     um    das  Ende des Rohres 13 zu zeigen.

   Ein weiteres  Rohr kann die Brennkammer axial durch  setzen und zum direkten Durchleiten von wei  terer Kühlluft, z. B. aus der Atmosphäre,  dienen.  



  Die     Brennkammer    ist im Aussengehäuse  mit Abstand von diesem montiert, durch     wel-          ehen    Zwischenraum Kühlluft strömt. Die  Hohlrippen     4e    sind, wie aus     Fig.    1 bis 3  ersichtlich,     mittels    Paaren komplementärer       Glieder    an der zylindrischen Wand 1 des  Aussengehäuses abgestützt.

   Das eine Glied 16  jedes Paares     ist    an der Wand 1 des     Aussen-          gehäwses        befestigt    und besitzt in bezug auf  die     zylindrische    Form der Wand     eine    radiale  Zunge. Das andere Glied 15 ist an der Rippe  4c     befestigt    und besitzt einen Kanal, in dem  die Zunge 16 mit Schiebesitz liegt. In einem  solchen Paar 15, 16 von denen für jede Rippe  4e     wenigstens    eines vorgesehen ist, verläuft  der Kanal axial.     Diese    Paare erlauben eine  Expansion und Kontraktion, halten aber die  Brennkammer gegen radiales und umfängli  ches Verschieben fest.

   Andere, ähnliche Paare  17, 18, von denen wiederum für jede Rippe  4e     wenigstens    ein Paar vorgesehen ist, weisen  einen sich im Umfangssinn erstreckenden Ka  nal auf, um die     Brennkammer    an einer     Längs-          verschiebung    zu hindern.  



  Ein geflanschtes     Einlassrohr        2a    mündet in  die Zentralöffnung im einen der Enddeckel  2, neben den Rohren 12     und    13     (Fig.    1 und 3)       und    ist z. B. am Deckel 2     festgeschweisst.    Ein  geflanschtes     Auslassrohr    2b ist auf ähnliche  Weise am andern     Enddeckel    2 montiert. Die       Auslassröhren    10, 11 an der     Brennkammer     münden in das     Auslassrohr    2b.  



  Gegenüber jedem der drei abgestuften  Teile des     Brennkammerumfanges,    an der  Stelle, wo die     Einlassöffnungen    für Verbren  nungsluft und Brennstoff gebildet sind, be-      findet sich eine Öffnung im     zylindrischen     Teil 1 des Aussengehäuses, von welcher ein  geflanschter Stutzen la wenigstens annä  hernd tangential zum Gehäuse vorspringt. An  diesem Stutzen la ist mittels die Flanschen  durchsetzende Bolzen 20 der geflanschte Ein  lasskopf 19 festgeschraubt, der einen     recht-          wvinkligen    Rohrkrümmer bildet, an dem die  Zuleitung für die Verbrennungsluft befestigt  werden kann.

   Der Kopf 19 ist mittels der mit  Öffnungen versehenen Einlassdeckplatte 21  abgeschlossen, die von den Bolzen 20 zwi  schen den Flanschen des Kopfes 19 und des  Stutzens la des Aussengehäuses festgehalten  ist. Der Stutzen 1a und das benachbarte Ende  des Kopfes 19 sind im Querschnitt oval  zvecks Aufnahme von drei nebeneinanderlie  genden Brennern. Jeder Brenner ist von  einem Rohr 22 eingeschlossen, welches als  Flammrohr dient. Das eine Ende des Rohres  22 ist an der Deckplatte 27 befestigt und  passt in eine der in dieser vorgesehenen Öff  nungen. Somit kann keine Kühlluft vom  Aussengehäuse in das Flammrohr gelangen  und überdies schliesst die Deckplatte 21 die  Kühlluft im Aussengehäuse von der Luft im  Einlasskopf 19 ab.

   Diese Rohre 22 sind am  genannten Ende zylindrisch, gehen aber gegen  ihr anderes Ende hin allmählich in eine  Rechteckform über, so dass sie zusammen den  Einlassteil der Brennkammer, der durch die  Stufenteile 4c     und    die Enden der gebogenen  Umhüllungsplatten 4g bestimmt ist, ausfül  len. Diese Gestalt der Rohre 22 geht aus Fig. 1  hervor. Damit sich die Rohre ausdehnen und  zusammenziehen können und zwecks Verhin  derns einer Störung durch die Expansion  und Kontraktion der Brennkammer, sind die  reehteekigen Enden der Rohre 22 nicht an  der Brennkammer befestigt, sondern mit  Schiebesitz im Einlass gelagert, den sie genü  gend ausfüllen, unm einnennenswertes Durch  sickern von Kühlluft vom Aussengehäuse in  die Brennkammer zu verhindern.  



  Die Brenner 24 brauchen nicht detailliert  dargestellt und beschrieben zu werden, da  ihre Konstruktion keinen Teil vorliegender  Erfindung bildet. Jeder Brenner kann z. B.    Mittel zum Aufrechthalten einer stabilen  Verbrennungszone, und einen Injektor für  flüssigen Brennstoff aufweisen. Der Injektor  kann z. B. mit Druckluft arbeiten, wobei der  Brennstoff und die Drackluft durch einen  rohrförmigen, die Wand des Einlasskopfes 19  durchsetzenden Schaft zugeführt werden.  Weiter kann dieser Injektor so ausgebildet  sein, dass er von der Aussenseite des Kopfes  19 her ab- und herausgenommen werden kann.  



  Im Betrieb wird z. B. vom Verdichter  einer Gasturbinenanlage Verbrennungsluft in  die Einlassköpfe 19 geleitet, die zwecks Ver  brennens des Brennstoffes durch die tangen  tialen Einlässe ins Innere der Brennkammer  strömt. Kühlluft, die z. B. vom gleichen Ver  dichter geliefert wird, strömt durch das Ein  lassrohr 2a in das äussere Druekgehäuse und  bespült das Äussere der doppelwandigen       Brennkammer.    Ein Teil der Luft strömt  cdureh jeden der Sehlitze 4k am Umfang und  in jeder Endplatte 4a des Aussenmantels und  somit in den Hohlraum zwischen die beiden  Mäntel über die Kühlrippen und in die  Hohlrippen. Von dort aus kann die Kühlluft  über die Hohlrippen 4rd auf beiden Stirn  seiten des Aussenmantels in die  gelangen.

   Der tangentiale Anschluss  der durch die Hohlrippen 4d gebildeten Ka  näle an die ringförmigen Sammelkästen zwi  schen den Rohren 10, 11 und 12, 13 erteilt der  in diese Kästen einströmenden Luft eine Wir  belbewegung, in der gleichen Riehtung, wie  die     der    Verbrennungsluft durch die taugen  tialen Einlässe     aufgedriiekte    Wirbelbewegung.  Dadurch verringert sieh der Druckverlust,  wenn sieh die Kühlluft     sehlu        ssendlieh    mit     den          Verbrennungsgasen    mischt.

   Der ringförmige  Sammelkasten am     Auslassende,    zwischen den  Rohren 10     und    11, ist verlängert und passt in  den     Auslass        2b    des     Aussengehäuses        und        bildet     längs der     Wandinnenseite    des     Auslassrohres     einen Luftring. Der andere,     zwischen    den  Rohren 12 und 13 befindliche     Sammelkasten          durchsetzt:    die Brennkammer und bildet. einen  ringförmigen Luftkern in die Mitte des Aus  lassrohres.

   Die     Verbrennuir-sgase    strömen       sehlussendlieh    aus der     Brennkammer    durch      dlas Auslassrohr 10 und dann durch den Aus  lass 2b, zusammen mit den beiden Kühlluft  strömen, von denen der eine die heissen Gase  umhüllt und der andere einen Kern im     Heiss-          gasstrom    bildet.  



  Wird eine solche Verbrennungseinrichtung  m einer Gasturbinenkraftanlage verwendet,  wobei Luft aus dem Verdichter in die Ver  brennungseinrichtung gefördert wird und  heisse Gase an die Turbine abgegeben werden,  und axial zum Verdrehter und zur Turbine  montiert, so kann ein weiteres Rohr den zen  tralen Raum in der     Brennkammer    innerhalb  der Rohre 10 und 12 durchsetzen und vom  äussern Druckgehäuse abgestützt sein. Durch  dieses weitere Rohr wird ein zusätzlicher,  separater Kühlluftstrom auf das benach  barte Turbinen- bzw. Verdichterende gelei  tet,     um    die benachbarten Lager gegen  die heisse Brennkammer abzuschirmen. Die  ses innerste Rohr kann auch zum Durch  führen von Ölleitungs- und Instrumenten  anschlüssen an die Lager dienen.

   Ist die  Brennkammer koaxial zwischen Verdichter  und Turbine angeordnet, so durchsetzt die  Welle dieses innerste Rohr und ist vom Kühl  luftstrom umgeben.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Verbrennungseinrichtung mit Zyklon brennkammer, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um einen Kühlluft strom über die Brennkammer zu leiten und zum. Wegführen dieser Kühlluft zusammen mit den Verbrennungsprodukten aus der Brennkammer. UNTERANSPRÜCHE: 1. Verbrennungseinrichtung nach Patent anspruch, gekennzeichnet durch ein die Brennkammer umschliessendes Aussengehäuse, wobei zwischen Kammer und Gehäuse ein zum Durchfluss von Kühlluft über die Kam meraussenwand bestimmter Zwischenraum vorhanden ist, und durch die Brennkammer im Aussengehäuse abstützende Haltemittel, die der Brennkammer eine thermische Expansion und Kontraktion relativ zum Aussengehäuse ermöglichen. 2.

   Verbrennungseinrichtung nach Patent- anspruch und Unteranspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kammer doppelwandig ausgebildet ist, wobei der Zwischenraum zwi schen beiden Wänden mit dem Kühlluftzwi- schenraum zwischen Aussengehäuse und Brennkammer in Verbindung steht, so dass Kühlluft durch den Hohlraum der Doppel wand strömen kann. 3. Verbrennungseinrichtung nach Patent anspruch und Unteransprüchen 1 und 2, ge kennzeichnet durch eine Anzahl von Ein- und Auslässen in den bzw. aus dem. Hohlraum der Doppelwand. 4.

   Verbrennungseinrichtung nach Patent anspruch und Unteransprüchen 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass die doppelwandige Brennkammer aus einem Innenmantel, der aus miteinander durch Expansionsstösse ver bundenen Abschnitten zusammengesetzt ist, und einem diesen Innenmantel umgebenden Aussenmantel gebildet ist. 5.

   Verbrennungseinrichtung nach Patent anspruch und Unteransprüchen 1 bis 4, deren Brennkammer am Umfang wenigstens einen annähernd tangentialen Einlass aufweist, in welchen ein Eintrittsrohr mündet, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Rohr am Aussen gehäuse befestigt ist, aber mit Schiebesitz in dem Brennkammereinlass abgestützt ist, so dass eine relative Expansion und Kontraktion möglich ist.

   6. Verbrennungseinrichtung nach Patent anspruch und Unteransprüchen 1 bis 5, ge kennzeichnet durch eine Anzahl um den Aussenmantel der doppelwandigen Brenn- kammer angeordneter hohler Versteifungsrip pen, und durch auf diesen Rippen angeord nete Haltemittel zum Abstützen der Kam mer im Aussengehäuse, so dass die Brennkam mer sich relativ zum Aussengehäuse unge hindert ausdehnen kann, wobei die Hohlrip pen auch Leitungen zwischen dem Hohlraum der Doppelwand und dem Auslass des Aussengehäuses darstellen. 7.

   Verbrennungseinrichtung nach Patent anspruch und Unteransprüchen 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, dass ein Teil jeder Endwand der Brennkammer einen ringförmi gen Luftsammelkasten bildet, in den die Hohlrippen wenigstens annähernd tangential einmünden, wobei jeder Sammelkasten in den Auslass mündet. B.

   Verbrennungseinrichtung nach Patent anspruch und Unteransprüchen 1 bis 7, ge kennzeichnet durch folgende Rohre: ein erstes Rohr, das am einen Ende der Brennkammer vom Aussenmantel axial nach aussen führt; ein zweites Rohr, das auf gleiche Weise in nerhalb des ersten Rohres vom Innenmantel aus nach aussen führt, zwecks Bildens eines Axialauslasses der Brennkammer, wobei zwi schen dem ersten und zweiten Rohr ein Luft auslass gebildet ist, in dem einige der Hohl rippen wenigstens annähernd tangential ein münden;

   ein drittes Rohr, das am andern Ende der Brennkammer vom Aussenmantel in die Brennkammer führt und einen Axial- durehlass für einen zentralen Kühlluftstromi bildet, der vom Zwischenraum zwischen Aussengehäuse und Brennkammer in letztere strömt, und ein viertes Rohr, das auf gleiche eise vom Innenmantel uni das dritte Rohr führt, um mit letzterem einen weiteren Luit- auslass zu bilden, in den die übrigen Hohlrip pen wenigstens annähernd tangential ein münden.