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Dosenbrenner für eine Gasturbinenbrennkammer Die Erfindung betrifft
einen Dosenbrenner für eine Gasturbinenbrennkammer mit einem Mantel kreisförmigen
Querschnitts und wenigstens einem Mittelrohr sowie mit Düsen zur Zuführung von Brennstoff
in die Verbrennungszone und mit Verbrennungsluftzugangslöchern im Mantel und in
dem oder den Mittelrohren zu den Brennzonen.
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Bei den bekannten Brennern dieser Art ist es nachteilig, daß das Verhältnis
von Brennerlänge zu Brennerdurchmesser durch die Art der Verbrennung weitgehend
festgelegt ist, da für die Größe der zur Verbrennung erforderlichen Turbulenz und
damit des Druckverlustes in dem Brenner dessen Länge maßgebend ist.
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Diese bekannten Anordnungen gestatten es also nicht, die Baulänge
des Brenners zu verkürzen und trotzdem gleiche oder erhöhte Triebswerkleistungen
zu erreichen.
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Andererseits sind Ringbrenner mit ringförmigen Mittelrohren bekannt,
bei welchen an sich Brennerlänge und Druckverlust gering gehalten werden können.
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Diese Ringbrenner haben jedoch den Nachteil, daß ihre äußeren Wandungen
infolge des starken Druckabfalls im Bereich der Wandung größeren Belastungen nicht
ausgesetzt werden können. Für große Brenneranlagen sind derartige Ringbrenner also
nicht brauchbar.
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Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, die Vorteile der hohen
Belastbarkeit von Dosenbrennern mit der günstigen Baulänge und dem geringen Druckverlust
von Ringbrennern zu verbinden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das oder die
Mittelrohre Verbrennungszonen umschließen und in an sich bekannter Weise ringförmig
mit je einer äußeren und einer inneren zylindrischen Wand ausgebildet sind, die
konzentrisch um die Mantelachse und in radialem Abstand von dieser angeordnet sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennerausbildung ist es möglich, Brenner
mit einer konstanten Länge zu bauen und trotzdem zur Erhöhung der Triebwerksleistung
ihren Durchmesser zu vergrößern. Bei gleicher Leistung ist mit der erfindungsgemäßen
Anordnung eine Reduzierung der Brennerlänge von etwa 30 % erreichbar.
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Dies wird insbesondere durch die bessere Kraftstoffluftvermischung
und. damit durch die bessere Verbrennung im ringförmigen Mittelrohr erreicht, wobei
die Luft zum Zwecke der Mischung mit dem zerstäubten Kraftstoff in der Verbrennungskammer
zwischen Wänden hindurchtreten kann, welche in geringem radialem Abstand zueinander
angeordnet sind, so daß der Mischraum verkleinert wird. Die Länge der Brennkammer
ist nämlich dem Abstand zwischen ihren Wänden direkt proportional. Das Bestreben
bei der Herstellung solcher Brennkammern muß also dahin gehen, den Abstand zwischen
den Innen- und Außenwandungen der Kammer möglichst klein zu halten. Damit können
Druckverlust und Brennerlänge verringert werden, während der Triebwerkswirkungsgrad
erhöht wird.
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Zweckmäßigerweise können die äußere Wand und die innere Wand an ihren
vorderen Enden divergieren, so daß sie allmählich in das vordere Ende des Mantels
übergehen und konvergieren, so daß sie sich an ihren hinteren Enden vor der Ausströmöffnung
allmählich vereinigen.
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Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Brenner kann also ein Verhältnis
von Länge zu Durchmesser haben, das kleiner als das Verhältnis für einen Brenner
ohne ein oder mehrere ringförmige Mittelrohre ist, und ferner kann er eine größere
Anzahl Brennstoffdüsen haben.
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Hinsichtlich der Verminderung der Abmessung zwischen den Dosenwänden
und den Mittelrohrwänden besteht jedoch insofern eine praktische Begrenzung, als
sich die Anzahl der Brennstoffdüsen gegebenenfalls so weit erhöht, daß die Größe
der einzelnen Düse so gering ist, daß sie leicht verstopft. Eine Löschwirkung tritt
außerdem dann auf, wenn die Kammerwände sich zu nahe aneinander befinden, wodurch
sowohl der Wirkungsgrad als auch die
Verbrennungsgrenzen des Brenners
verschlechtert werden.
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Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über eine Dosenbrennerkonstruktion,
bei der für eine bestimmte Brennergröße die Brennerlänge festgelegt ist.
| Anzahl Brennerlänge,' Brennstoff- |
| der Mittelrohre Brennerdurchmesser düsen/Dose |
| Kein Mittelrohr 1,0 1 |
| 1 normal ....... 0,50 6 |
| 1 ringförmig .... 0,33 9 |
| 1 ringförmig und |
| 1 normal ..... 0,25 19 |
| 2 ringförmig .... 0,20 24 |
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigt
F i g. 1 eine Umrißdarstellung eines Flugzeugtriebwerkes, wobei ein Teil zur Darstellung
der Erfindung weggebrochen ist, F i g. 2 eine Ansicht nach der Linie 2-2 der F i
g. 1, F i g. 3 eine vergrößerte Ansicht der in F i g. 1 gezeigten Brennerdose zur
Veranschaulichung eines Brenners in Dosenbauart, bei dem ein einziges ringförmiges
Mittelrohr verwendet wird, F i g. 4 einen Querschnitt eines Dosenbrenners, bei dem
ein normales Mittelrohr zusammen mit einem ringförmigen Rohr verwendet wird, und
F i g. 5 einen Querschnitt zur Veranschaulichung eines Dosenbrenners mit zwei konzentrischen
ringförmigen Mittelrohren.
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In den F i g. 1 und 2 ist ein modernes Flugzeug-oder Raumfahrzeugtriebwerk
10 dargestellt, das durch Schub infolge Ausstoß von Abgasen Vortrieb liefert.
Obwohl ein Strahltriebwerk veranschaulicht ist, ist die Erfindung auch auf andere
Triebwerke mit dem gleichen Verbrennungsprinzip anwendbar.
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Der Düsenmotor 10 hat einen Lufteinströmabschnitt 12, einen
Kompressorabschnitt 14, einen Brennerabschnitt 16, einen Turbinenabschnitt 18 und
eine Abgasausströmöffnung 20, die hintereinander konzentrisch zur Achse
22 liegen und von einem Gehäuse 24 umschlossen sind.
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Im Betrieb strömt Luft in den Motor 10 durch den Einströmabschnitt
12 ein, wird im Kompressorabschnitt 14 verdichtet und infolge der Verbrennung im
Brennerabschnitt 16 aufgeheizt. Im Turbinenabschnitt 18 wird der Luft zum Antrieb
des Kompressors 14 Energie entzogen, und von dort wird sie nach außen durch die
Abgasausströmöffnung 20 zwecks Erzeugung von Schub ausgestoßen.
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Der Brennerabschnitt 16 weist eine ringförmige Brennkammer 26 auf,
die konzentrisch zu der Achse 22 liegt und von einer äußeren Wand
28 und einer inneren Wand 30 begrenzt wird. Eine Anzahl dosenförmiger
Brenner 32 ist am Umfang der Brennkammer 26 angeordnet, wobei jeder Brenner konzentrisch
zu seiner eigenen Achse 34 liegt, die radial zu der Motor- und Brennkammerachse
22 versetzt ist.
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Nach F i g. 3 umfaßt der Dosenbrenner 32 einen äußeren Mantel
36, der zylindrisch ausgebildet ist und konzentrisch zu der Achse 34 liegt,
und ein ringförmiges Mittelrohr 38. Dieses weist eine äußere und eine innere zylindrische
Wand 40 bzw. 42 auf, die in radialem Abstand voneinander und konzentrisch
zu der Achse 34 angeordnet sind. Die Wände 40 und 42 divergieren an ihren vorderen
Enden 44 und 46, so daß sie allmählich in das vordere Ende 48 des Mantels 36 übergehen,
und konvergieren an ihren hinteren Enden 50 und 52, so daß sie sich vereinigen und
hinter dem Ende 54 ein Mittelrohr bilden. Der zylindrische Mantel 36 und die Wände
40
und 42 haben jeweils radialen Abstand zu der Achse 34 und sind konzentrisch
zu dieser angeordnet. Ferner haben sie eine Anzahl von in axialem Abstand zueinander
befindlichen primären Löchern, wie z. B. 56' und 59', durch welche
die durch die Brennkammer 26 strömende Luft als Primärluft in die umschlossene Verbrennungszone
58 strömen kann, die von dem Mantel 36 und dem ringförmigen Mittelrohr 38 gebildet
wird. Die Kühlung erfolgt durch Kühlrippen 56 und 59 am Mantel 36 und den Wänden
40 und 42 und wird durch das Hindurchströmen der Luft bewirkt. Das
hintere Ende des Mantels 36
nimmt im Querschnitt ab, so daß eine Ausströmöffnung
60 gebildet wird, durch welche die heißen, in der Verbrennungszone 58 entstandenen
Verbrennungsgase in den Turbinenabschnitt 18 strömen. Sekundäre Luftschlitze oder
Öffnungen 62, durch die sekundäre Luft aus dem Kompressor 14 in das Innere des Mantels
36 strömungsabwärts von der Verbrennungszone 58 strömen kann, vermischt sich mit
dem sehr heißen Gas aus der primären Verbrennung und kühlt dieses auf die gewünschte
Ausströmtemperatur ab.
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Brennstoffdüsen 64 sind in dem vorderen Ende 48 des Mantels
36 angeordnet und nehmen unter Druck stehenden Brennstoff aus der Sammelleitung
66 und den Brennstoffleitungen 68 auf, so daß zerstäubter Brennstoff in die Brennkammer
58 eingespritzt wird, um sich mit der in diese durch die primären Löcher 56' und
59' einströmenden Primärluft zu vermischen und mit dieser Luft zu verbrennen.
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In F i g. 4 ist ein Brenner 32 in Dosenbauart der gleichen
Konstruktion wie in F i g. 3 dargestellt. Er weist jedoch zusätzlich ein normales,
zentral angeordnetes und im wesentlichen zylindrisches Mittelrohr 70 auf, zu welchem
ein äußeres ringförmiges Mittelrohr 38' konzentrisch angeordnet ist.
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In F i g. 5 ist ein Dosenbrenner 32 dargestellt, der zwei ringförmige
Mittelrohre 38' und 38" aufweist, wobei jedes dieser Rohre die Brennerachse 34 konzentrisch
umgibt und dem Mittelrohr 38 nach F i g. 3 entspricht.