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Brennkammer für flüssige Brennstoffe für Brennkraftturbinen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Brennkammer für flüssige Brennstoffe für Brennkraftturbinen.
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Die britische Patentschrift 577 865 beschreibt eine solche
Brennkammer, mit der eine zufriedenstellende Arbeitsweise erzielt werden kann.
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Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Brennkammer,
die wenigstens ebenso leistungsfähig ist wie die der genannten Patentschrift, die
aber gedrängter gebaut ist, d. h. in der trotz axial kürzerer Baulänge der Kammer
eine vollständige oder nahezu vollständige Verbrennung erzielt werden kann.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Erzielung einer schnellen
Mischung der Verbrennungsprodukte mit Mischluft zur Herabkühlung dieser Produkte
bei geringer Einbuße an Gesamtdruck.
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Während außerdem die Brennkammer nach der zitierten Patentschrift
im wesentlichen eine Einheit in sich selbst bildet, kann die Brennkammer nach der
vorliegenden Erfindung erforderlichenfalls mit Kammern gleicher Bauart zur Bildung
einer zusammenhängenden ringförmigen Kammer zusammengefaßt werden.
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Nach der Erfindung besitzt eine Brennkammer für flüssigen Brennstoff,
innerhalb und längs welcher verdichtete Luft, vom Verdichterteil der Turbinenanlage,
zugeführt wird, in Abständen voneinander eine Mehrzahl von Rohren mit Einlaßöffnungen,
in die der Brennstoff eingeführt wird und die gegen die zutretende Luft gerichtet
sind, während die anderen Enden dieser Rohre um Winkel von mehr als go° gekrümmt
sind und für das Brennstott-Luft-Gemisch als Auslässe dienen, die seitlich gegen
die Einlässe versetzt liegen; Prallwände liegen im direkten Weg der zutretenden
Luft zu diesen Auslässen; doch bleiben Strömungswege zwischen den Rohren, durch
die die zuströmende Luft hindurchtreten kann, um sich in der Umgebung der Rohre
mit
dem brennbaren Gemisch zu mischen und dadurch im wesentlichen die Verbrennung zu
Ende zu führen.
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Auf den Zeichnungen ist Fig. i ein schematischer Schnitt durch eine
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkammer im wesentlichen nach der Linie
1-I in Fig. 2; Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie 2-2 in Fig. i ; Fig.3 ist
ein schematischer Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung nach der
Linie, 3-3 in Fig. 4, die ihrerseits einen Querschnitt im wesentlichen nach
der Linie 4-4 in Fig.3 wiedergibt.
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Die Fig.5 und 6 endlich veranschaulichen in gleicher Darstellungsweise
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkammer.
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In allen Figuren veranschaulichen nach Möglichkeit gleiche Bezugsziffern
gleiche oder entsprechende Teile.
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Im allgemeinen wird die vom Verdichter gelieferte Preßluft zum Teil
als Verbrennungsluft und zum Teil als Mischluft benutzt. Die Verbrennungsluft ist
für die Einleitung und Durchführung der Verbrennung erforderlich, während die Misch-
oder Verdünnungsluft den Verbrennungsprodukten zur Herabsetzung der Temperatur auf
einen Wert beigemischt wird, der für die nachgeschaltete Turbine tragbar ist.
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Die Verbrennungsluft ihrerseits besteht im wesentlichen aus der sog.
Primärluft, in die der Brennstoff eingespritzt wird, um die Verbrennung einzuleiten,
und der Sekundärluft, die anschließend zugeführt wird, um die Verbrennung zu beenden.
Unter normalen Verhältnissen ist es nicht praktisch, die gesamte Verbrennungsluft
in Form von Primärluft zuzusetzen.
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Bei den Bauarten nach Fig. i und 3 ist keine sehr scharfe Trennlinie
zwischen der Zuführung von Sekundärluft und Mischluft eingehalten; bei der Bauart
nach Fig.5 und 6 jedoch erfolgt die Zuführung der Verdünnungsluft völlig unabhängig
von der Sekundärluft.
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In Fig. i und 2 ist 12 das Hauptgehäuse, in dem die verdichtete Luft
von der Eintrittsseite 13 nach der Austrittsseite 14 strömt. Im Innern befindet
sich, durch Klötze 15 in einem Abstand von der Innenwandung gehalten, ein Innengehäuse
16, das die eigentliche Verbrennungskammer bildet. An der dem Lufteintritt zugewandten
Seite dieses Gehäuses befindet sich eine Prallwand 17, in der in einem inneren Kreis
Öffnungen zur Aufnahme der vorderen Enden J-förmiger Rohre 18, 18 angeordnet sind.
Ein darumliegender äußerer Kreis von Öffnungen nimmt mit Spiel die Enden verhältnismäßig
kurzer Rohre i9, i9 von größerem Querschnitt auf. An den Austrittsenden dieser Rohre
i9 sind weitere Rohre 2o befestigt, die einen ringförmigen Zwischenraum 21 zwischen
sich und der Innenwandung der Rohre i9 lassen. Die Austrittsenden 22 der J-förmigen
Rohre, die dem Eintrittsende 13 des Gehäuses zugewandt sind, sind gegen die einströmende
Luft durch die N-1'and 17 abgeschirmt, die zwischen benachbarten Paaren der
Rohre 2o, wie gezeichnet, angeordnet ist.
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Brennstoff wird den Eintrittsöffnungen jedes der J-förrriigen Rohre
durch Brennstoffleitungen 23 zugeleitet, die mit Brennstoff in geeigneter Weise
versorgt werden. Es mag an dieser Stelle erwähnt werden, daß hohe Brennstoffdrücke
für die Zerstäubung des Brennstoffes bei Brennkammern nach der Erfindung nicht nötig
sind, wie sie für Zerstäuberbrenner erforderlich sind; die Möglichkeit verhältnismäßig
niedriger Brennstoffdrücke schont selbstverständlich die Brennstoffpumpe und das
Brennstoffsystem im allgemeinen.
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Die Eintrittsöffnungen der J-förmigen Rohre 18 nehmen die Primärluft
auf, die sich dabei mit dem durch die Leitungen 23 eingespritzten Brennstoff mischt.
Das brennende Gemisch aus Primärluft und Brennstoff tritt aus den Enden 22 dieser
Rohre aus, strömt nach vorn gegen die Prallwand und erhitzt dadurch die Außenwände
der Rohre i8; dadurch wird der darin befindliche Brennstoff unmittelbar nach Inbetriebnahme
der Brennkammer vollständig verdampft. Die Sekundärluft zur Beendigung der Verbrennung
tritt durch die ringförmigen Öffnungen 21 zwischen jedem der Rohre i9 und dem zugehörigen
Rohr 20 in das brennende Gemisch, während weitere Sekundärluft durch die ringförmigen
Spaltöffnungen 24 zutritt, die die Einlaßenden der Rohre icg umgeben und dadurch
gleichzeitig auch die Rohre i9 kühlen. Die Rohre r9 werden von der Prallwand 17
durch einen oder mehrere nicht gezeichnete Ansätze getragen.
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Ein Teil der Mischluft strömt durch die Rohre 20, um sich dann mit
den Verbrennungsprodukten zu mischen; die Verbrennung kann im wesentlichen als vollständig
beendigt angesehen werden, wenn die Verbrennungsprodukte den Auslaß aus dein Brennkammergehäuse
16 erreichen. An dieser Stelle jedoch mischt sich weitere Mischluft mit den schon
zum Teil verdünnten Verbrennungsprodukten und setzt ihre Temperatur so weit herab,
wie es mit Rücksicht auf den Turbinenwerkstoff notwendig ist; diese zusätzliche
Mischluft strömt durch den ringförmigen Zwischenraum 25, kühlt dabei gleichzeitig
das Brennkammergehäuse 16 und isoliert das Gehäuse 12 gegen die Hitze der Brennkammer.
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Die Bauart nach Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von der eben beschriebenen
hauptsächlich durch die Anordnung für die Zuleitung der Sekundärluft und des Hauptteiles
der Mischluft. Das Gehäuse 16a (Fig.3 und 4) ist nicht mehr zylindrisch wie in Fig.
i und 2, sondern hat an seinem ganzen Umfang eingezogene Teile, die längs gerichtete
kanalartige Vertiefungen iga bilden und vom Hauptteil der Verdünnungsluft durchströmt
werden. Diese kanalartigen Vertiefungen stehen in direkter Verbindung mit dem Ringraum
25, durch den der übrige Teil der Verdünnungsluft strömt. Die Sekundärluft strömt
in der Nachbarschaft der J-förmigen Rohre 18 durch Löcher 21a in den eingezogenen
Wandungsteilen iga zu.
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Man sieht aus Fig.4, daß die Querschnitte der durch die Wandungsteile
ig° gebildeten kanalartigen
Vertiefungen am Austrittsende etwas
kleiner sind als am Eintrittsende, da die Wandungsteile jeder solchen Vertiefung
etwas konvergieren; auf diese Weise wird die erforderliche Druckdifferenz erzeugt,
die für ausreichende Versorgung mit Sekundärluft erforderlich ist.
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Wie man sieht, sind die abgebogenen Austrittsenden der J-förmigen
Rohre bei diesem Ausführungsbeispiel sternartig radial nach außen gerichtet, sodaßdieAustrittsenden
22 jeweils zwischen zwei durch die Wandungsteile 19° gebildeten kanalartigen Vertiefungen
liegen. Außerdem besitzt die Prallwand 17 in diesem Fall noch eine weitere Mittelöffnung
27 für die Zuführung zusätzlicher Sekundärluft.
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Bei der Bauart nach Fig. 5 und 6 wird die Gesamtmenge der Mischluft
durch den Ringraum 25b zwischen Außengehäuse 12 und Innengehäuse 16 geführt. Das
Innengehäuse besitzt eine Verlängerung 28 an seinem Austrittsende mit einer Anzahl
Öffnungen 29, durch die die -Mischluft hindurchtreten kann, um sich mit den ausgebrannten
Gasen zu mischen, die aus der Austrittsöffnung 1:f der eigentlichen Verbrennungskammer
herausströmen.
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Die Sekundärluft wird durch Rohre 19b zugeführt, die in Abständen
voneinander zwischen benachbarten Paaren von Austrittsenden 22 der J-förmigen Rohre
angeordnet sind. Die Enden 30 dieser Rohre icgb sind geschlossen; die Sekundärluft
strömt infolgedessen durch Öffnungen 21b in den Wänden der Rohre 19b aus. Die Öffnungen
21''. welche schematisch in Fig. - angedeutet sind, werden so verteilt, daß der
Ausflußquerschnitt für die Sekundärluft längs der Rohre 19b ständig zunimmt. Zweckmäßig
können die Öffnungen so angeordnet werden, daß die Summe ihrer Querschnittsflächen
von dem Eintrittsende des Rohres bis zu jedem Punkt seiner Länge der vierten Potenz
dieser Länge proportional ist. Die Rohre igb sind gegen Cberhitzung geschützt durch
Luft, die durch ringförmige Zwischenräume 2q um ihre Eintrittsenden zuströmt.
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Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen sind die Enden der J-förinigen
Rohre iiii ganzen um i8o@ gekrümmt. Es ist jedoch selbstverständlich, daß sie nicht
uni diesen Betrag gekrümmt zu sein brauchen; beispielsweise könnten die umgebogenen
Enden sozusagen etwas zurückgedrückt werden, so daß die Gesamtform des Rohres mehr
einem Fragezeichen oder einer Sichel ähnelt.
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Das brennende Gemisch, das aus den Enden 22 in die Zwischenräume zwischen
den J-förmigen Rohren eintritt, dient dazu, die Rohre auf hohe Temperaturen zu bringen
und dadurch die Verdampfung des in die Eintrittsöffnungen eingespritzten Brennstoffes
zu unterstützen. Auf diese Weise wird bei einem verhältnismäßig kurzen Strömungsweg
der komprimierten Luft eine sehr vollständige Verbrennung gewährleistet. .
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Bei jeder der beschriebenen Ausführungsformen können die Austrittsöffnungen
22 durch Gaze abgedeckt werden.
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Für Brennkraftturbinen entspräche es bei Anordnung einer Mehrzahl
solcher Verbrennungskammern, z. B. fünf oder sechs, der üblichen Praxis, diese Kammern
in einem Kreis in Abständen voneinander mit etwa parallel liegenden Achsen anzuordnen.
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Die Erfindung ermöglicht demgegenüber die Ausbildung in Form einer
einzigen zusammenhängenden ringförmigen Verbrennungskammer. Diese könnte dann z.
B. in ihrem mittleren Bereich einen Kreis axial gerichteter Luftrohre und J-förmige
Rohre in der vorbeschriebenen Weise zwischen je zwei solchen Luftrohren aufweisen;
die Haupteintrittsöffnungen der J-förmigen Röhre liegen dabei ab-"vechselnd außerhalb
und innerhalb der Luftrohre, während ihre entsprechenden Auslaßenden natürlich innerhalb
und außerhalb liegen.