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Brennkammer Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer, welche in Gasturbinen für Kraftstationen, in Düsentriebwerken für Flugzeuge und bei Öl- und Gasbrennern verwendet werden kann.
Brennkammern, welche in der Lage sind, pro Volumeneinheit grosse Wärmemengen freizugeben, sind hauptsächlich bei Gasturbinen und bei kleinen Brennern wünschenswert. Die hohen Geschwindigkeiten und Temperaturen, welche über einen grossen Bereich von Arbeitsbedingungen vorherrschen, bringen bezüglieh Stabilität und Vollständigkeit der Verbrennung innerhalb der Brennkammer, bezüglich Kühlung der Brennkammerwände grosse Probleme mit sieh. Wenn nämlich beispielsweise der Verbrennungsvorgang unstabil oder unvollständig ist, besteht die Gefahr des Ei- löschens der Flamme in der Brennkammer.
Die erfindungsgemässe Brennkammer besitzt einen äussern und einen innern einseitig gesehlossenen Mantel, welcher Löcher aufweist, wobei der zwischen dem innern und demn äussern Mantel gebildete Raum als Durchlass für den Durehfluss von Verbrennungsund Kühlluft zum innern Mantel dient und wobei dem innern Mantel Mittel zum Einlass von Brennstoff zugeordnet sind, und kenn- zeiehnet sich dadurch, dass das genannte ge- sehlossene Ende annähernd halblkugelförmig ausgebildet. ist und dass am äussern Umfang desselben Mittel zum Einlass von Primär- und Kühlluft vorgesehen sind, die der gegen das geschlossene Ende hin einströmenden Luft eine Drallbewegung erteilen.
In der Zeichnung sind mehrere beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsge- gemässen Brennkammer dargestellt. Es zeigen: Fig.1 einen Längsschnitt durch eine Brennkammer nach einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Brenn- kammer nach einer zweiten Ausführungsform, Fig. 3 einen Teilschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig.1, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des in Fig.2 gezeigten Ablenkstückes, Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Brenn- kammer nach einer weiteren Ausführungsform, Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine Brenn- kammer gemäss einer vierten Ausführungsform.
Die in Fig.1 und 3 gezeigte Brennkammer, welche allgemein mit 10 bezeichnet ist, kann in Gasturbinen verwendet werden und besitzt zwei koaxiale Wände, und zwar eine innere Wand 11 und eine äussere Wand 12. Die beiden Wände werden durch eine Anzahl nicht dargestellter Verbindungsstücke in koaxialer Lage gehalten. Die Verbindiurgissst.üeke können an einer oder beiden Wänden 11 bzw. 12 angeschweisst sein.
Die Wand 11 bildet einen angenähert zylindrischen Körper 13, der am Auslassende offen ist und an seinem Einlass- ende einen geschlossenen Kopfteil 14 aufweist.
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Der Brennstoffeinlass 15 erstreckt sich durch das Zentrum des Kopfteils 14 in der Form einer Zerstäuberdüse, welche den von einer nicht gezeigten Brennstoffpumpe gelieferten Brennstoff fein verteilt. Der Raum zwischen den Wänden 11 und 12 bildet einen Durchlass 16, welchem durch geeignete Mittel (nicht gezeigt) am linken Ende der Brennkammer Luft von gewünschtem Druck zugeführt wird.
Am Kopfteil 14 sind Öffnungen 17 vorgesehen, durch welche Primärluft in den Kopfteil einströmen kann. Die Öffnungen 17 sind auf einer Kreislinie angeordnet und weisen Drallschaufeln 18 auf, wobei dieselben so angeordnet sind, dass sie der einströmenden Luft eine Drallströmung erteilen, in welche der Brennstoff eingespritzt wird. Im Körper 13 ist eine Mehrzahl von Löchern 19 vorgesehen, die reihenweise angeordnet und über dem Umfang desselben verteilt sind. Durch diese Löcher wird dem innerhalb der Wand 11 gelegenen länglichen Raum aus dem Durchlass 16 zusätzliche Verbrennungsluft zugeführt. Im vorliegenden Fall sind die Löcher in vier Längsreihen angeordnet, wobei die Mittelpunkte einander entsprechender Löcher in den Reihen je in einer gemeinsamen senkrecht zur Längsachse der Brennkammer stehenden Ebene liegen.
Die durch die Öffnungen 17 und zwischen den Drallschaufeln 18 einströmende Primärduft, die eine sehr intensive Drallströmung bildet, ist durch die Pfeile 20 bezeichnet. Die Strömungsrichtung der die Drallbewegung ausführenden Primärluft wird, wie durch die Pfeile 21 und 22 angedeutet, unngekehrt. Der durch die Pfeile 21 bezeichnete Teil der Luft dient zur Kühlung des Kopfteils 14. Da der Teilluftstrom 21 in seiner der Wandung des Kopfteils benachbarten Bahn erwärmt wird, steigt die Geschwindigkeit, so dass sich ein Wärmeaustausch mit dieser Wandung ergibt. Infolge des natürlichen Abflusses aus der Drallströmung wirkt der mit 23 bezeichnete Teil der Primärluft als Kühlung für einen Teil des Körpers 13 bzw. der Wand 11.
Der in die Brennkammer bzw. in den durch die Wand 11 umgebenen Raum eingespritzte Brennstoff wird durch die der Drallbewegung unterliegenden Primärluft mitgenommen, wie durch die Pfeile 24 angedeutet, nachdem diese Primärluft ihre Strömungsrichtung geändert hat. Die sich mit dem Brennstoff zuerst mischende Luft wird während ihrem Weg von den Schaufenn weg infolge der Drallströmung vorgewärmt, wobei die genannte Strömungsart eine längere Heizzeit für die Luft ergibt. An der durch die Pfeile 24 angedeuteten Stelle erfolgt die Entzündung des Gemisches durch bekannte, nicht dargestellte Mittel. Infolge der Drallströmung der eintretenden Luft wie auch des Brennstoff-Luft- Gemisches tritt eine vollständige und stabile Verbrennung ein.
Die durch die Schaufeln erzeugte Drallströmung bewirkt, dass sieh im Zentrum des innern Mantels eine Unterdruckzone bildet. Dadurch wird zusätzliche Luft in das Flammenzentrum angesogen, wie durch die Pfeile 25 angedeutet. Die so gebildete Strömung ist für die Stabilität, der Flamme von Bedeutung und dient auch zur Vergrösserung der wirksamen Verbrennungszone. Die zusätzliche Luft, wel- ehe die durch die Pfeile 25 angedeutete Strömung bildet, fliesst durch die erste Umfang & - lochreihe der in der Wand 11 vorgesehenen Löcher 19 ein.. Die Luft. wird bei der Dureh- strömung der Verbrennungsgase, welche teilweise mitgenommen werden, vorgewärmt.
Der Luftstrom 25 ändert darauf seine Richtung gemäss den Pfeilen 2.6, vereinigt sich mit den Gasströmen 24 und fliesst darauf entlang der Innenseite der Wand 11 ab, wie dies durch die Pfeile 28 angedeutet ist, wobei diese vereinigten Ströme zwischen Luftströmen 27 hindurch fliessen.
Weitere Luft für die Verbrennung und die Kühlung der Verbrennungsgase auf eine bestimmte Temperatur wird durch die Löcher 19 in der Wand 11 zugeführt, welche in R.ieh- tung der Pfeile 27 strömt. Die Kühlung der äussern Wand 12 und der Aussenseite der Wand 11 geschieht ebenfalls durch die den Durehl.ass 16 durchströmende Luft.
Im vorliegenden Fall sind die an das Brennstoffeinspritzsistem zu stellenden An-
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forderungen nicht so hoch, wie dies sonst meist der Fall ist, da die Drallströmung die Zerstäubung des eingespritzten Brennstoffes und dessen Mischung mit der Luft unterstützt und die beiden Mischungsteile während der maximal möglichen Zeitdauer miteinander in Kontakt hält. In Fig. 2 ist eine Brennkammer dargestellt, welche mehrere Brennstoffeinspritzdüsen aufweist. Im übrigen ist die Konstruktion und Funktionsweise der Ausführungsform gemäss Fig. 2 ähnlich wie diejenige nach Fig.1.
Im Zusammenhang mit der ersten Ringreihe von Löchern 19 in der Wand 11 sind bei der Ausführungsform der Brennkammer gemäss Fig. 2 zwei zusätzliche Brenns toffein- spritzdüsen 15' vorgesehen, durch welche Brennstoff in den geschlossenen Endteil der Brennkammer eingespritzt werden kann. Die beiden zusätzlichen Brennstoffeinspritzdüsen sind einander diametral entgegengesetzt angeordnet.
Es ist dadurch möglich, eine sehr grosse Menge von Brennstoff zuzuführen, welcher die primäre Verbrennungsflamme nicht aus- löscht. Zudem erlaubt diese Anordnung die Verdampfung und Überführung des Brennstoffes in den gasförmigen Zustand und da- mnit eine sehr intensive Verbrennung. Ein Ab- lenkstüek 29 (siehe Fig. 4) ist an den beiden die Brenustoffeinspritzdüsen aufweisenden Löcher 19 des ersten Lochringes vorgesehen. hin Teil der durch den Durchlass 16 strömenden Luft wird durch die Ablenkbleche 29 umgelenkt und tritt dureh die Öffnungen 19 in der Wand 11, an welchen die Einspritzdüsen vorgesehen sind, in die Brennkammer ein.
Der zerstäubte Brennstoff 40' wird zurammen mit der durch diese Öffnungen 19 eintretenden Luft eingespritzt. Die Brenn- stoff-Luft-llischung, die durch die Pfeile 30 angedeutet ist, tritt in den hohlen Kern der Drallströmung ein, wodurch die Temperatur der Mischung stark erhöht wird. Die Brennstoff-Luft-Mischung ändert ihre Strömungsrichtung im Sinne der Pfeile 31 und fliesst zusammen mit der durch die Pfeile 24 angedeuteten Mischung entlang der Innenseite der Wand 11 zurück, wie dies durch die Pfeile 32 dargestellt ist. Die Brennstoffmenge, welche dem geschlossenen Endteil bzw. dem Kopfteil 14 der Kammer zugeführt wird, kann konstant sein, wobei nur die durch die Düsen 15 zugeführte Menge variiert wird.
Dies hat den Vorteil, dass keine komplizierte Brennstoffdüse benötigt wird, die mehr als eine Gruppe Brennstofföffnungen aufweist (Duplex).
Die Schwierigkeit bei Zerstäuberdüsen, eine wirkungsvolle Zerstäubung des Brennstoffes nur zu erhalten, wenn der Druckabfall innerhalb enger Grenzen variiert, kann dadurch umgangen werden, dass mit der Verringerung des Brennstoffverbrauches eine Düse nach der andern blockiert wird. Die Zerstäubung des aus den im Betrieb verbleibenden Düsen ausströmenden Brennstoffes wird demzufolge nicht beeinträchtigt.
Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist im übrigen gleich wie die derjenigen gemäss Fig.1.
In der Brennkammer gemäss Fig.2 wird die im geschlossenen Kopfteil freiwerdende Wärme zur Aufheizung und Verdampfung des Hauptteils der Verbrennungsluft bzw. des Brennstoffes verwendet. Im Unterschied zu den meisten Brennkammern dieses Typs wird hierbei keine heisse Metallplatte ad-er ein Wärrneaustauscher verwendet.
Durch geeignete Einspritzung und Mischung von Brennstoff und Luft werden vielmehr Bedingungen geschaffen, die erlauben, mittels der heissen Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungszone im Kopfteil 14 den grössere Teil des durch die Löcher 19 im ersten Lochring eintretenden Brennstoffes zu- verdampfen und in den gasförmigen Zustand überzuführen. Der restliche Teil der Verbrennungs- und Kühlluft wird durch die verbleibenden Löcher 19 in bekannter Weise eingeführt, - um eine bestimmte Temperatur zu erzeugen.
In Fig. 5 und 6 sind weitere Ausführungs- formen der Brennkammer dargestellt., welche derjenigen gemäss Fig. 2 ähnlich sind.
In Fig. 5 besitzt. der Kopfteil 14 in dessen Zentrum einen Hilfsbrenner 41, welcher eine
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Flammne 42 bildet. Der Hilfsbrenner 41 verhindert das Erlöschen der Flamme in der Brennkammer. Diese Brennkammer kann somit über einen grossen Bereich bezüglich Druck und zugeführter Brennstoffmenge verwendet werden. Die Einführung von Luft 30 und Brennstoff 40' geschieht in der gleichen Weise wie in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig.2 beschrieben. Dia Primärluft wird durch die Öffnungen 17 und zwischen den Schaufeln 18 hindurch in den Kopfteil 14 geleitet, wobei in diesem eine Drallhströmung 20 von hoher Geschwindigkeit erzeugt wird.
Die Strömung wird im Kopfteil umgelenkt, wie durch die Pfeile 21, 22 und 23 angedeutet. Der durch den Pfeil 21 angedeutete Teil der Luft dient zur Kühlung der Wand des Kopfteils. Die Kühlung der Innenseite der Wand 11 geschieht durch den mit 23 bezeichneten Teil der Luft. Der durch die erste Lochreihe einströmende Teil der Primärluft wird umgelenkt, wie dies durch die Pfeile 31 angedeutet ist und vereinigt sich darauf mit dem Strom 33, um d arauf entlang der Wand 11 als Strom 34 abzufliessen. Durch den Hilfsbrenner wird der in der Mischung enthaltene Brennstoffüberschuss verbrannt. Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform der Brennkammer ist der Kopfteil 14 vollkommen geschlossen, d. h. derselbe enthält weder eine Brennstoffeinspritzdüse noch einen Hilfsbrenner.
Die Einführung der Brennstoff-Luft-Mischung geschieht hier ausschliesslich durch die erste Lochreihe in der Wand 11. Durch die Öffnungen 17 und zwischen den Schaufeln 18 hindurch wird Luft in den Kopfteil 14 geleitet, wobei in diesem eine Drallströmung 20 von hoher Geschwindigkeit erzeugt wird. Die Drallströmung wird im Kopfteil 14 umgelenkt, wie durch die Pfeile 35 und 36 angedeutet, wobei diese beiden Teilströme die Innenwand des Kopfteils 14 kühlen. Der durch den Pfeil 23 angedeutete Teil der Luft dient zur Kühlung der Innenseite der Wand 11. Ein Teil der Brennstoff- Luft-Mischung wird gemäss den Pfeilen 31 ebenfalls umgelenkt und vereinigt sich darauf mnit dem Strom 37, um darauf entlang der Wand 11 als Strom 38 abzufliessen.
Bei allen Ausführungsformen kann bei spielsweise eine Zündkerze zur Entzündung der Mischung verwendet werden.