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Gekühlte Brennkammer für höchste Temperaturen Die Erfindung betrifft
eine gekühlte Brennkammer für höchste, mit Brennstoffen erreichbare Temperaturen,
insbesondere Brennkammer für magnetogasdynamische Maschinen mit mindestens teilweise
aus Keramikmaterial bestehenden, unter sich getrennten, mittels Haltezapfen befestigten
Auskleidungsplatten.
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Bei der Gestaltung der Wände von Feuerräumen werden, entsprechend
deren Verwendungszweck und Temperaturbereich, sowohl metallische als auch keramische
Werkstoffe verwendet. Muß die Flamme vor allzu hohen Strahlungsverlusten geschützt
werden oder ist eine hinreichende Kühlung der Wand nicht erwünscht oder kann sie
nicht gewährleistet werden, so kann vorteilhafterweise eine keramische Wand Verwendung
finden. Bei sehr hohen Temperaturen und relativ hohen Emissionskoeffizienten der
Flamme wird an eine gekühlte, metallische Wand ein sehr großer Anteil der entwickelten
Wärme abgegeben. Die Verbrennung erfolgt dann nicht adiabatisch, und die Flammentemperatur
bleibt wesentlich unter dem theoretisch erreichbaren stöchiometrischen Maximum.
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Bei hohen Temperaturen, wie sie mit stöchiometrischen Gemischen erreicht
werden können, besteht die Gefahr, daß sehr gut isolierende, keramische Wände an
der flammenseitigen Oberfläche schmelzen. Dieses Schmelzen kann so weit fortschreiten,
daß es die Festigkeit der Wände gefährdet.
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Für das Erreichen höchster Temperaturen, wie sie beispielsweise in
magnetogasdynamischen Maschinen notwendig sind, ist es wichtig, daß die Wärmeverluste
der Flamme an die Brennkammerwand möglichst niedrig gehalten werden, da sonst, trotz
Rekuperationsmöglichkeiten, die gewünschte Flammentemperatur nicht erreicht wird.
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Der Sprung zwischen Flammentemperatur und der noch zulässigen Betriebstemperatur
der Wand ist trotzdem derart groß, daß mit beträchtlichen Wärmeflüssen zu rechnen
ist. Diese auf die Wand einfallende Wärme wird mit Vorteil mit Hilfe einer Wasserkühlung
abgeführt. Die technische Realisierung einer wassergekühlten, kompakten, keramischen
Wand stößt aber auf beträchtliche Schwierigkeiten, vor allem infolge von Wärmespannungen.
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Es wurde daher schon eine Brennkammer ausgeführt, die mit einem innen
von der Flamme bestrahlten, außen durch Luft gekühlten Einsatz versehen ist. Dieser
ist auf der der Flamme zugekehrten Seite mit einer durchgehenden keramischen Schicht
ausgekleidet, die von Stiften getragen wird, welche sowohl zur Befestigung der keramischen
Schicht am Einsatz als auch zur Kühlung des ganzen Bauelementes dienen. Diese Brennkammer
ist für so hohe Temperaturen, wie sie erfindungsgemäß vorgesehen sind, nicht verwendbar,
weil die Keramikschicht wegen des hohen Temperaturunterschiedes, der während des
Betriebes gegenüber dem Einsatz besteht, und wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
bald rissig wird und abbröckelt. Auch ist der Wärmeübergang zwischen der Keramikschicht
und den Stiften ungenügend, so daß sich auch dadurch schwere Schäden in der Schicht
ergeben würden.
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Es ist auch eine Brennkammer mit einer Innenwandung bekannt, welche
aus einer Vielzahl von in gegenseitigem Abstand liegenden flachen Teilstücken besteht.
Sie werden durch Luft gekühlt, die durch die zwischen ihnen gebildeten Spalte in
den Verbrennungsraum austritt. Diese Luft bildet einen Teil der Verbrennungsluft,
so daß die der stöchiometrischen Verbrennung entsprechende Flammentemperatur nicht
erreicht wird. Eine Erhöhung der Verbrennungstemperatur wäre nur durch Drosselung
der kühlenden Sekundärluft möglich, wodurch aber die Kühlung der Teilstücke ungenügend
würde und diese rasch zu Schaden kämen.
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Die dem Gegenstand der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist wie
folgt zu umreißen: Es ist eine Brennkammer zu schaffen, deren Auskleidungsplatten
verläßlich und in dem bei der vorgesehenen Höchsttemperatur gerade notwendigen Maß
gekühlt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch kühlmitteldurchströmte
Bauteile gelöst, die derart angeordnet
sind, daß sie mit der Außenseite
der Auskleidungsplatten in Strahlungsaustausch stehen und die mit den mindestens
gut wärmeleitend ausgebildeten Haltezapfen verbunden sind.
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Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden anschließend
an Hand von Figuren erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Schnitt gemäß Linie 1-I in
F i g. 2 durch-einen Ausschnitt aus einer Brennkammer, in vereinfachter Darstellung,
F i g. 2 eine Aufsicht auf den in F i g. 1 dargestellten Brennkammerausschnitt,
F i g. 3 ein Auskleidungselement von vorn und F i g. 4 einen Ausschnitt aus einer
weiteren Brennkammerkonstruktion, analog F i g. 1.
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Eine Brennkammer 1 einer magnetogasdynamischen Maschine ist mit plättchenartigen
Elementen 2 ausgekleidet, die aus feuerfestem Material bestehen, vorzugsweise aus
Keramikmaterial oder einem entsprechenden Material mit Keramikzusätzen. Diese Auskleidungselemente
2 sind mit einer konischen Bohrung 3 versehen. Auf der der Brennkammer 1 abgewandten
Seite der Elemente 2 befindet sich ein Kühlsystem, von welchem in den F i g. 1 und
2 ein Kühlrohr 5 dargestellt ist. Im Innern des Rohres 5 fließt ein Kühlmedium 6.
Das Rohr 5 ist Träger von als Zapfen 7 ausgebildeten Halteorganen, die der Aufnahme
der Auskleidungselemente 2 dienen. Die Elemente 2 sind unter Zwischenschaltung eines
konischen Aufziehringes 9 auf dem Zapfen 7 gelagert und mittels eines Auflageringes
8 und einer Mutter 10 befestigt. Sie können sich nach allen Richtungen frei ausdehnen,
womit das Auftreten von Wärmespannungen und die Bruchgefahr der Elemente verhütet
wird.
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Die Zapfen 7 können als Vollzapfen, wie aus F i g. 1 ersichtlich,
oder mit Ausnehmungen zur Zirkulation des Kühlmediums 6 vorgesehen werden.
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Die Zapfen 7 sind, wie aus F i g. 1 ersichtlich, mit dem Kühlrohr
5 durch Lötung oder Schweißung verbunden. Der Auflagering 8 und Aufziehring 9 bestehen
aus einem vorzugsweise keramischen Material mit geringem Wärmeleitkoeffizienten.
An Stelle der Mutter 10 kann ein Abschlußring verwendet werden, der mit dem
Zapfen 7 verlötet ist.
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In F i g. 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Brennkammerauskleidung
dargestellt, in welcher die Auskleidungselemente 2 auf in einer Kühlwand 16 eingetriebenen
Zapfen 15 befestigt sind, deren konisch ausgestaltetes Ende die Aufnahme der mit
der konischen Bohrung 3 versehenen Auskleidungselemente 2 ermöglicht, wobei eine
Schraube 18 das Auskleidungselement 2 auf dem Zapfen fixiert. Die Kühlwand 16 ist
mit Kühlmitteldurchlässen 17 versehen.
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Die Form der Kühlwand 16 richtet sich nach der Form der Brennkammer
1. Die Kühlwand 16 trägt so viele Zapfen 15 als nötig sind, um mit Hilfe der Auskleidungselemente
2 die Brennkammer 1 auszukleiden.
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Wie aus F i g. 2 hervorgeht, besitzen die benachbärten Auskleidungselemente
2 im kalten Zustand genügend Spiel, um sich im Betriebszustand der Brennkammer nicht
zu berühren.
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Dicke und Material der quaderförmigen Auskleidungselemente 2 sind
derart zu wählen, daß die Temperatur der der vorzugsweise wassergekühlten Wand 16
bzw. dem wassergekühlten Kühlrohr 5 zugekehrten Seite noch derart hoch bleibt, daß
die Wärme vom Auskleidungselement 2 an die gekühlten Stellen durch Strahlung abgeführt
werden kann.
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Es ist grundsätzlich auch möglich, größere Elemente zu verwenden und
sie mit mehreren gekühlten Zapfen abzustützen.
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Die Zapfen 7 bzw. 15 sind aus einem sehr gut wärmeleitenden Material,
beispielsweise Kupfer, hergestellt.
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Die Kühlung dieser Auskleidungselemente erfolgt durch Strahlung. an
die Kühlrohre bzw. Kühlwände, so daß diese Elemente frei von direkter Kontaktkühlung
sind, was das Risiko von Temperaturspannungen in diesen Elementen und ihren frühzeitigen
Zerfall bedeutend vermindert.
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Durch entsprechende Gestaltung der Auskleidungselemente und der Kühlwände
ist es möglich, die Wärmeübertragung durch Strahlung derart abzustimmen, daß die
durch das verwendete Material der Auskleidungselemente festgesetzte höchstzulässige
Temperatur eingehalten werden kann.
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Die beschriebene Konstruktion gestattet somit einen Betrieb der Brennkammer
mit geringsten Wärmeverlusten und hohen Flammentemperaturen.