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Brenn- oder Mischkammer mit Rückströmung, insbesondere für Strahltriebwerke
und Gasturbinen Die Erfindung betrifft eine Brenn- oder Mischkammer mit Rückströmung,
insbesondere für Strahltriebwerke und Gasturbinen, in welcher eine starke Turbulenz
in der Mischzone erzeugt wird.
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Kammern mit Rückströmung zwecks Erzeugung einer die Durchmischung
fördernden Turbulenz sind bereits bekannt. Jedoch weisen die bekannten Konstruktionen
erhebliche Druckverluste auf, so daß die gesamte Energieausnutzung eher verschlechtert
denn verbessert wurde. Die Brennkammern, die heute für Strahltriebwerke und Gasturbinen
verwendet werden, sind daher unter Ausnutzung einer hinter sogenannten Flammenhaltern
entstehenden Nachlaufströmung konstruiert. Hierdurch wird die am turbulenten Austausch
beteiligte Gasmasse verhältnismäßig klein gehalten, so daß der Druckverlust, bezogen
auf den gesamten Energiehaushalt, ebenfalls in Grenzen bleibt. Jedoch findet hierbei
die Verbrennung des überwiegenden Teiles des Kraftstoffes außerhalb der Turbulenzzone
statt. Dies hat zur Folge, daß die Einspritzdüsen mit sehr breiten Einspritzwinkeln
ausgebildet werden müssen und meistens Dralleinsätze aufweisen, die ihrerseits wieder
einen hohen Kraftstoffdruck benötigen, um einwandfrei zu arbeiten. Mithin hat man
zwar eine Beschränkung des Druckverlustes erreicht, dies aber mit einer fühlbaren
Einengung des Funktionsbereiches hinsichtlich der Armreichgrenzen und der Teildrehzahl
der Pumpe erkauft, wobei zu bedenken ist, daß die Teildrehzahl der Pumpe mit der
Teildrehzahl des gesamten Aggregates identisch ist. Indem die Verbrennung eines
großen Kraftstoffanteils außerhalb der Turbulenzzone stattfindet, wird ein Teil
des in die Hauptströmung eingespritzten Kraftstoffes nicht mehr zur Verbrennung
gelangen. Mithin wird der Ausbrenngrad (auch Verbrennungswirkungsgrad genannt) sehr
variabel. Dies ist zu einem erheblichen Teil der Grund dafür, daß die Ergebnisse
an Ringbrennkammern und Einzelkammern (Einrohrkammern) die bekannten Schwankungen
zeigen. In der Ringbrennkammer löst sich die Turbulenzzone in einzelne Nachlaufzentren
auf. Dadurch wird die in der Kammer herrschende Temperatur nicht nur in radialer
Richtung, sondern ebenfalls in Umfangsrichtung ungleichmäßig verteilt. Diese Ungleichmäßigkeit
der Temperaturverteilung gleicht sich erst dann aus, wenn eine lange Mischstreclze
durchlaufen ist, was aber wiederum untragbar große Baulängen solcher Kammern erfordert.
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Es ist eine Brennkammer bekanntgeworden, die zwecks Verbesserung der
Turbulenz Mittel für die Herstellung eines breiten Turbulenzgebietes im Gasstrom
enthält und Einrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff in mindestens einem Strahl
gegen den Gasstrom aufweist. Ferner ist ein entgegengesetzter Gas-Strom vorgesehen,
der den Kraftstoff zu einem Abweichen von der Strömungsrichtung veranlaßt und ihn
gegen das Turbulenzgebiet hinbiegt. Die Brennkammer ist halbkonisch ausgebildet
und weist anschließend an einem zylindrischen Teil einseitig eine schräge Wand auf.
Die Schräge dient dazu, über Abweisringe, Schlitze und sonstige Aufbauten die Verwirbelung
zu begünstigen. Hierdurch entsteht der Nachteil einer ungleichmäßigen Erhitzung,
die zu stellenweise außerordentlich hohen Temperaturbereichen führt. Hauptdüse und
Lufteinlaß sind bei dieser Erfindung getrennt und befinden sich in der Mitte der
Brennkammer. Die Einspritzung findet an der Kammerwand statt.
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Bei dieser bekannten Vorrichtung wird die Verwirbelung dadurch erreicht,
daß einmal die Kraftstoffeinspritzung an der zylindrischen Kammerseite gegen die
Abweisplatte und ebenfalls gegen die Richtung der eintretenden Luft um die Abweisplatte
herum in die Kammer hineintritt. Die Verwirbelung findet in der Hauptsache im zylindrischen
Teil der Kammer statt und wird lediglich an der engsten Stelle des halbkonischen
Kammerteiles und am Rand des Hauptgasstromes durch eine seitliche Kraftstoffeinspritzung
unterstützt.
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Der bedeutendste Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist die ungleichmäßige
Temperaturverteilung. Da die Brennkammer an der halbkegelförmigen Seite nicht glatt
ist, besteht jederzeit die Möglichkeit einer Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit
des Luftstromes über die Eintrittsgeschwindigkeit hinaus, indem an den Aufbauten
nicht nur eine Verwirbelung, sondern ebenfalls Überdruckbereiche entstehen. Durch
die
Ungleichmäßigkeit der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperaturverhältnisse wird
ein optimaler Ausbrand in Frage gestellt.
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Eine andere bekannte Konstruktion bezieht sich auf eine um die Strömungsachse
kegelförmig ausgebildete Brennkammer, deren Innenwand vollständig glatt und ohne
Aufbauten ist. Die Hauptverbrennungsluft strömt an dem engsten Querschnitt der kegelförmigen
Kammer in diese hinein, wobei die Kraftstoffeinführung sich außerhalb der kegelförmigen
Kammer in deren Achse befindet und gegen den Hauptluftstrom gerichtet ist. Bei dieser
bekannten Konstruktion wird die Verwirbelung vornehmlich dadurch erreicht, daß die
Hauptverbrennungsluft seitlich eingeführt wird und in der Verbrennungskammer einen
Drall aufweist. Hier ist jedoch keine Abweisplatte vorgesehen, so daß der Kraftstoff
entlang der Kammerachse und gleichzeitig entlang der Achse des spiralig drehenden
Luftstromes eingespritzt wird. Hier ist keine Garantie einer guten Vermischung gegeben,
da naturgemäß die achsnahen Teile des Luftstromes mehr Brennstoff aufnehmen werden
als die wandnahen Teile. Diese unzureichende Vermischung führt wiederum zu ungleichen
Temperaturen. Eine durchgreifende Turbulenz ist bei dieser Erfindung nicht gegeben.
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Die in der Folge beschriebene Erfindung hat zum Ziel, die Verbrennungswege
durch Intensivierung und Steuerung der Turbulenz zu verkürzen. Der Frischluftaustausch
wird vergrößert und der Einspritzwinkel eng gestaltet, derart, daß der Verbrennungsvorgang
im wesentlichen innerhalb des Gebietes der Rückströmung vor sich geht, wo die für
eine Verbrennung mit gutem Wirkungsgrad erforderlichen Bedingungen praktisch konstant
bleiben und fast unabhängig vom Lastfall des gesamten Aggregates sind. Hierdurch
wird ein großer Spielraum erreicht. Der enge Spritzwinkel der Einspritzdüse bedingt
lediglich einen kleinen Einspritzdruck und verlangt mithin nur eine einfache Pumpanlage,
die folglich unkompliziert und billig in der Herstellung ist. Die radikale Verkürzung
der Verbrennungszone erfordert eine Ausweitung der Mischzone, so daß am Ende der
Kammer eine gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht wird.
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Eine Brenn- oder Mischkammer mit Rückströmung, insbesondere für Strahltriebwerke
und Gasturbinen, in welcher die Mischung zweier Gas- bzw. Luftströme durch Turbulenz
erfolgt, weist gemäß der Erfindung eine Brenn- oder :Mischkammer auf, die um die
Strömungsachse kegelförmig ausgebildet ist und am Eintritt des einen Gas- bzw. Luftstromes
an der engsten Stelle der kegelförmigen Kammer einen quer zur Strömungsachse angeordneten
Verdrängungskörper mit Saugkante besitzt, der derart ausgebildet und angeordnet
ist, daß er die eintretende Strömung gegen die Kammerwand heranführt, während hinter
dem Verdrängungskörper ein Rückströmung erzeugender Unterdruck entsteht. Der quer
zur Strömungsachse angeordnete Verdrängungskörper kann in an sich bekannter Weise
aus einer scharfkantigen Platte bestehen. Bei der Verwendung in einer Ringbrennkammer
wird der Verdrängungskörper vorzugsweise als Ring ausgebildet. Der zweite Gas- bzw.
Luftstrom wird vorzugsweise in an sich bekannter Weise an der breitesten Stelle
der kegelförmigen Kammer, etwa an der Strömungsachse, im Gegenstrom eingeführt und
in bezug auf Geschwindigkeit derart abgestimmt, daß die Rückströmung des ersten
Gas- bzw. Luftstromes unterstützt wird. Die Einführung von Kraftstoff kann durch
-mehrere Einspritzdüsen erfolgen, die um ein zentrales Rohr derart angeordnet sind,
daß der zweite Gas- bzw. Luftstrom aus mehreren aus den Einspritzdüsen heraustretenden
Kraftstoffnebelstrahlen besteht, die die durch das Rohr ausströmende Sekundärluft
umgeben. Die Einspritzdüsen weisen vorzugsweise einen dem niedrigen Einspritzdruck
entsprechenden, an sich bekannten kleinen Einspritzwinkel auf. Der Verdrängungskörper
kann auch in an sich bekannter Weise gegen die Hauptströmungsrichtung konkav ausgebildet
sein.
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Eine Brenn- oder Mischkammer gemäß der Erfindung ist bei nichtaxialer
Führung der Hauptströmung, d. h. bei Richtungsänderung, besonders günstig, weil
dadurch die erforderliche Rückströmung mittels geringen Energieaufwandes und somit
ohne wesentlichen Druckverlust erzeugt wird. Ein entscheidender Vorteil der Erfindung
besteht darin, daß die naturgemäß bei jeder Konstruktion zu erwartenden Druckverluste
durch entsprechende Abstimmung aller Querschnitte auf ein erträgliches Maß reduziert
werden können.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt
und erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Brenn- oder Mischkammer gemäß der Erfindung,
schematisch im Schnitt, und Fig. 2 bis 4 drei verschiedene Ausführungsformen des
Verdrängungskörpers.
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Die Brenn- oder Mischkammer 1 wird mit zwei Gas- bzw. Luftströmen
2, 3 beschickt und ist in der Richtung von 2 bis 3 um die gemeinsame Strömungsachse
4 kegelförmig ausgebildet. Am Eintritt 5 des Gas- bzw. Luftstromes 2 ist einVerdrängungskörper
6 angeordnet, der in Fig. 1 als eine quer zur Strömungsachse 4 angebrachte scharfkantige
Platte erscheint. Der Kraftstoff wird durch eine Düse 7 eingespritzt. Die Kraftstoffnebelstrahlen
8 stellen einen Kegel mit einem engen Konuswinkel dar. Die Düsen 7 sind um ein Rohr
9 angeordnet, durch welches Sekundärluft eingeführt wird, die zusammen mit den Kraftstoffnebelstrahlen
8 den Gas- bzw. Luftstrom 3 bilden.
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In Abänderung des Ausführungsbeispiels zeigen die Fig.2 bis 4 im Schnitt
verschiedene Ausführungsformen des Verdrängungskörpers. Falls der Verdrängungskörper
in einer Ringbrennkammer verwendet wird, ist er selbst ringförmig ausgebildet.
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Erfindungsgemäß arbeitet diese Anordnung wie folgt: Der Luftstrom
2 wird in die Kammer 1 eingeführt und wird vom Verdrängungskörper 6 gegen die Wände
10 der Kammer 1 herangeleitet. Hierbei entsteht hinter dem Verdrängungskörper eine
Unterdruckzone 11.
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Sodann wird im Gegenstrom die Sekundärluft durch das Rohr 9 in die
Kammer 1 eingeführt, zugleich mit den aus den Düsen 7 austretenden KraftstoffnebelstrahlenB.
Sekundärluft und Kraftstoffnebelstrahlen bilden zusammen den zweiten (schwächeren)
Gas- bzw. Luftstrom 3. Dieser Luftstrom dringt jedoch nicht bis zur Unterdruckzone
11 vor, sondern wird unterwegs vom Luftstrom 2 gefaßt und zur Richtungsänderung
veranlaßt. Hierdurch entsteht einerseits eine starke Turbulenz, die sich über den
gesamten Kammerdurchschnitt verbreitet; zum anderen wird eine fast vollständige
und gleichmäßig verteilte Durchmischung von Kraftstoffnebelstrahlen und Luft erreicht.
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Die kegelförmige Ausbildung der Kammer 1 verhindert eine Vergrößerung
der Strömungsgeschwindigkeit .des Luftstromes 2 über die Eintrittsgeschwindigkeit
hinaus. Ferner besitzt die Rückströmung des Luftstromes 2 hinter dem Verdrängungskörper
6 eine relative Geschwindigkeit, die größer ist als diejenige
der
Hauptströmung. Diese Tatsache unterstütät die Turbulenz und gewährleistet einen
guten Ausbränd im gesamten Arbeitsbereich. Diie radiale Tzmperatur-Verteilung weist
hierbei im Diagramm eine dreieckige Form auf, derart, daß die von der Luft bzw.
vom Gas bespülte Außenwand 10 der Kammer 1 verhältnismäßig kühlt bleibt. Erfolgt
nunmehr eine Richtungsänderung der Strömung durch eine die Kammer 1 quer zur Strömungsachse
abschließende Wand 12, dann wird die Rückströmung unterstützt und die Turbul-enz
erhöht mit dem Ergebnis, daß der Verdrängungskörper nur einen kleinen Durchmesser
aufzuweisen braucht. Ferner entsteht am Austritt der Kammer eine Flechtströmung,
die eine gute Mischung der Abgase und mithin eine fast homogene Temperaturverteilung
am Austritt zur Folge hat. Die durch die Richtungsänderung entstehenden Druckverluste
können durch Abstimmung der verschiedenen Querschnitte auf einem Mindestmaß gehalten
werden. Die Geschwindigkeitsverteilung gestaltet sich durch den hohen Energieaustausch
besonders günstig.
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Es ergibt sich aus dem vorhin dargelegten Stand der Technik, daß folgende
Einzelmerkmale der vorliegenden Erfindung bereits bekannt sind: a) die kegelförmige
Ausbildung der eigentlichen Brennkammer um die Strömungsachse, b) die glatte Ausbildung
der Innenwand der kegelförmigen Kammer und e) die Anordnung der Kraftstoffeinspritzdüse
außerhalb der kegelförmigen Kammer.
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Weiter ist es bekannt, einen Verdrängungskörper achsgleich anzuordnen.
Neu ist jedoch an unserem Merkmal c), diesen Verdrängungskörper an dem engsten Querschnitt
der kegelförmigen Kammer anzubringen. Ferner ist das Merkmal d) der vorliegenden
Erfindung neu, nach welchem die Hauptverbrennungsluft um den Verdrängungskörper
herum in die Kammer hineinströmt. Die bekannte Anwendung eines Verdrängungskörpers
sah vor, daß die Hauptverbrennungsluft um den Verdrängungskörper herum hinausströmte.
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Durch die Kombination der Merkmale a) bis e) mit der im Hauptanspruchsoberbegriff
bezeichneten bekannten Brennkammerausbildung wird ein technischer Fortschritt erreicht,
indem hier erstmals bei kontrollierter Luftgeschwindigkeit und ausgeglichenen Temperaturverhältnissen
eine durchgreifende Turbulenz und damit ein optimaler Ausbrand erreicht wird. Die
verdichtete Luft tritt ausschließlich an der engsten Stelle der kegelförmigen Brennkammer
ein, während die Einspritzung des Kraftstoffs und der Zerstäubungsluft im Gegenstrom
entlang der Kammerachse erfolgt, und zwar hinter der breitesten Stelle der kegelförmigen
Kammer, d. h. außerhalb des kegelförmigen Kammerteiles. Mithin bewegt sich die Gesamtmenge
der Hauptverbrennungsluft durch die Kammer. Die Verwirbelung erfolgt lediglich durch
den Aufprall der gegeneinander gerichteten Ströme, wobei an den glatten Kammerwänden
keine Beeinträchtigung der Strömungsverhältnisse und insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit
stattfindet. Durch die kegelförmige Ausbildung der Iiammmer, wobei der Kammerquerschnitt
in der Strömungsrichtung zunimmt, findet ein Ausgleich der Strömungsgeschwindigkeit
und des Druckes statt. Die Verbrennung erfolgt um die Kammerlängsachse, d. h. im
Kammerinnern, während die Kammerwände durch den Durchgang der Hauptverbrennungsluft
verhältnismäßig kühl bleiben. Die Verwirbelung geschieht lediglich am Verdrängungskörper,
der in der Hauptströmungsrichturig durch eine hier entstehende Unterdruckzone geschützt
wird. Hierzu kommt, daß der große Abstand zwischen Einspritzzonen und Verdrängungskörper
eine zu hohe Temperaturbelastung des Verdrän-L'ungSkörpers verhindert. I-Iieraus
ergibt sich ein weiterer technischer Fortschritt, indem durch diese Maßnahme die
praktische - Verwendung eines Verdrängungskörpers erstmals ermöglicht -wird. Selbst
-wenn der N-erdrängungskörper aus bestem Material bestand, -war er bisher durch
die außerordentlich hohe Temperatureinwirkung in kurzer Zeit zerstört.
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Ein weiterer Vorteil bei der kegelförmigen Ausbildung der Kammer ist,
daß eine Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit des Hauptluftstromes über die
Eintrittsgeschwindigkeit hinaus vermieden wird. Dadurch wird gewährleistet, daß
die Rückströmung des Luftstromes hinter dem Verdrängungskörper eine höhere relative
Geschwindigkeit erfährt als diejenige der Hauptströmung. Erst dadurch wird eine
wirklich durchgreifende Turbulenz möglich und ein guter Ausbrand im gesamten Arbeitsbereich
gesichert.