DE1924867A1 - Einrichtung zur Flammenhaltung innerhalb von Gasstroemungskanaelen - Google Patents

Description

Der Minister für Technologie in der Regierung Ihrer Majestät der Königin der Vereinigten Königreiche von Großbritannien und Nordirland, Millbank Tower, Millbank, London, S.W. 1,

England

Einrichtung zur Flammenhaltung innerhalb von Gasströmungskanälen

Die Erfindung betrifft -Brenneranordnungen, bei welchen eine Flaramenstabilisierungszone innerhalb der Gasströmung erzeugt wird.

Bei Gasturbinen-Strahltriebwerken von Flugzeugen kann bekanntlich eine zusätzliche Schubkraft dadurch erzeugt werden, daß in einem'sogenannten Nachbrenner zusätzlich Brennstoff

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verbrannt wird. Bei Einrichtungen dieser Art verwendet man seit langem feststehende Leitbleche, welche an ihren Ablaufkanten stabile Turbulenzζonen oder Rückstromzonen erzeugen, in welchen eine stabile Flamme unterhalten werden kann. Derartige Leitbleche stellen aber während der Zeiträume, in welchen der Nachbrenner nicht in Betrieb ist, einen unerwünschten Strömungswiderstand dar. Eine der gebräuchlicheren Formen feststehender Leitbleche besteht in einer im Querschnitt V-förmigen Rinne, deren Scheitel im Strömungsmittelstrom stromaufwärts weist, wobei die außerordentliche Einfachheit dieses Aufbaues gewisse Nachteile offenbar zurücktreten läßt. Durch Einstellen der beiden Schenkel des V-Profiles auf einen von ihnen eingeschlossenen Winkel von etwa ^5 oder je nach der Strömungsgeschwindigkeit etwas weniger, kann ein vernünftiger Kompromiß zwischen Strömungswiderstand und Schaffung einer geeigneten Rückströmungszone erzielt werden.

Dennoch kann der Leitbleehwiderstand für die Festlegung des überhaupt verwendbaren Nachverbrennungsgrades entscheidend sein.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei Nachbrennersystemen niedrigere Druckverluste bei Nichtbetrieb des Naclibrenners zu erzielen, ohne dadurch zu große Nachteile

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in anderer Hinsicht in Kauf nehmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Flammenhaltung innerhalb von GasStrömungskanälen gemäß der Erfindung durch mindestens ein sich temperaturabhängig verformendes Element gelöst, welches in der Weise befestigt und angeordnet ist, daß seine Verformung bei Temperaturanstiegen innerhalb eines bestimmten Bereiches stattfindet und hierbei in dem betreffenden Strömungskanal mindestens ein Teil einer stabilen Verbrennungszone festgelegt bzw. begrenzt wird.

Die temperaturabhängigen Elemente bestehen gemäß der Erfindung vorzugsweise aus zusammengesetzten Materialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Die Zeichnung zeigt im Längsschnitt schenatisch einen gemäß der Erfindung ausgebildeten Flammenstabilisator.

Der erfimunssgemäße 71ammen£tabilisator weist ein im Querschnitt allgemein V-förmi^es Kanalstüek mit einem Vorderteil 1 und zwei von diesem in Strömungsrichtung nach hinten abstehende Schenkel 2 auf, welch letztere vom Vorderteil 1 lieg derart nach innen gebogen sind, daß sie parallel

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zueinander verlaufen. An den Sehenkeln 2 sind Bimetallplatten j5, 4 festgenietet, die freitragende Verlängerungen der Schenkel 2 bilden, d.h. sie laufen von der Spitze des Vorderteiles weg* Die Platten J5, 4 bestehen jeweils aus einem Metallstreifen mit verhältnismäßig hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten und linearer Wärmedehnung und aus einem Metallstreifen mit einem bedeutend niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei diese beiden Plattenstreifen jeweils in an sich bekannter Weise an ihren Anlageflächen miteinander verbunden sind. Als Metall für den erstgenannten Plattenstreifen eignet sich beispielsweise eine Nickel als Grundmaterial enthaltende Legierung, während für den feuerfesten Plattenstreifen jeweils Niobium oder Molybdän geeignet sind. Eine typische Nickellegierung hat beispielsweise einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten

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in der Größenordnung von etwa 16 · 10" je ⁰C, während der Wärmeausdehnungskoeffizient von Niobium bei etwa 7*5 · 10 je ⁰C liegt. Die erstgenannten Plattenstreifen liegen einander gegenüber, während die feuerfesten Plattenstreifen die Außenflächen des erfindungsgemäßen Flammenstabilisators bilden. In manchen Fällen kann es außerdem zweckmäßig sein, die Plattenstreifen mit einem oxydationsfesten Überzug zu versehen.

Der Flammenstabilisator nach der Erfindung ist für die Verwendung in GasStrömungskanälen bestimmt und ist innerhalb eines solchen Gasströmungskanales so anzuordnen, daß die Spitze

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. des Vorderteiles 1 der betreffenden Gasströmung entgegengerichtet ist. Die Richtung einer solchen Gasströmung ist in der Zeichnung durch Pfeile B angedeutet.

Innerhalb des Vorderteiles 1 ist ein Rohr 5 angeordnet, welches innerhalb des von-diesem Vorderteil eingeschlossenen Spitzenwinkels parallel zu der durch diesen gebildeten Schneide verläuft. In dem Rohr 5 sind Durchtrittsöffnungen gebildet, von welchen in der Zeichnung eine bei 6 dargestellt· ist und welche in Form einer axial zum Rohr verlaufenden Reihe angeordnet sind. Diese Durchtrittsoffnungen 6 sind im wesentlichen zu dem von den. beiden Bimetallplatten ~j> und 4 eingeschlossenen Raum hin ausgerichtet. Nahe des Rohres 5 sind außerdem auch in den Kanalstückschenkeln 2 Durchtrittsöffnungen gebildet, welche in Form einer Reihe angeordnet sind und von Vielehen in den Zeichnungen eine bei 7 dargestellt ist. Die in dem Rohr 5 und im Vorderteil 1 vorgesehenen Durchtrittsöffnungen können selbstverständlich auch in anderer V/eise angeordnet sein, d.h. die vorstehend beschriebene Anordnung ist lediglich als -typische Anordnung anzusehen.

Das Rohr 5 ist an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Brennstoffquelle angeschlossen, so daß der Brennstoff durch dieses Rohr 5 hindurchströmen und in Richtung des Pfeiles C über die Durchtrittsöffnungen 6 austreten kann. Von der durch den Strömungskanal, in welchem der erfindungsgemäße Flammen-

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stabilisator angeordnet ist, hindurchströmenden Hauptströmung gelangt Luft in der durch den Pfeil Ά angegebenen Weise durch die Durchtrittsöffnung 7 hindurch und vermischt sich mit dem Brennstoff. Das sich hierdurch ergebende Brennstoffgemisch verbrennt, nachdem es in bekannter Weise gezündet wurde, im wesentlichen innerhalb der durch den Flammenstabilisator gegebenen Grenzen= Infolge der Verbrennungswärme steigt die Temperatur der Bimetallplatten 3* 4 an, so daß sich diese aufgrund der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Plattenstreifen von ihren Befestigungsstellen aus voneinander weg biegen und in die in der Zeichnung in strichpunktierten Linien eingezeichnete Stellung gelangen. Der Flammenstabilisafcor als Ganzes bekommt hierdurch, tatsächlich die Form einer V-förmigen Rinne, deren Schenkel einen Winkel von etwa J>0° einschließen.

Das Abbiegen der Bimetallplatten 3, 4 führt dazu, daß die über den Flammenstabilisator strömende Gasströmung, welche bis dahin im wesentlichen laminar verlief, abreißt und zwischen den Bimetallplatten 2, 4 eine Turbulenzzone bildet.

In die Hauptströmung, beispielsweise über stromauf des Flammenstabilisators angeordnete Düsen 8 eingebrachter Brennstoff, wird ebenfalls entsprechend gezündet und verbrennt in der genannten Turbulenzzone zwischen den beiden Platten 3 und 4, in welcher die hervorgerufene Gegenströmung die Ver-

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mischung der heißen verbrannten Produkte mit dem zuströmenden Brennstoffgemisch im Sinne einer stabilen Verbrennung.begünstigt,

Die durch den vorstehend beschriebenen Vorgang hervorgerufene Wärme reicht möglicherweise dazu aus, die Verbiegung der Bimetallplatten J, 4- aufrechtzuerhalten oder diese Bimetall-, platten sogar noch .weiter auszulenken. Bei Erreichen dieses Betriebszustandes kann der Zündbrenner, gegebenenfalls abgeschaltet werden, wobei dies selbstverständlich von den jeweils herrschenden Betriebsbedingungen und anderen wichtigen Paktoren abhängt.

In gleicher Weise ist es möglich, daß unter bestimmten Umständen bereits die Wärme des durch die Verbrennung des von den Düsen 8 abgegebenen Brennstoffes die Platten 3* 4 auslenkt, so daß in einem solchen Falle keine zur Zündung dienende Verbrennung, d.h. keine Verbrennung von Brennstoff, welcher von dem Rohr 5 abgegeben wird, erforderlich ist. Im allgemeinen können jedoch so lange unstabile Verbrennungszustände auftreten, bis die Bimetallplatten 3, 4 etwa ihre vorgesehene ausgelenkte Stellung einnehmen. Der Gefahr, daß sich unstabile Verbrennungszustände einstellen, kann anderweitig nur noch dadurch Rechnung getragen werden, daß man das Zünden des von den Düsen 8 abgegebenen Brennstoffes sehr genau überwacht und entsprechend

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steuert. Infolge der allen Bime.tallkonstrukt ionen allgemein eigenen, verhältnismäßig langen Ansprechzeiten bzw. Zeitkonstanten würde^: dies jedoch in den meisten Fällen dazu führen, daß -die Bimetallplatten 3, 4 ihre vorgesehenen Stellungen nicht erreichen. Solche Unsicherheiten sind selbstverständlich nicht annehmbar und deshalb ist die ständige Erwärmung, die man bei Verwendung eines Zündbrenners erreicht, für einen zuverlässigen Betrieb zumindestens erwünscht.

Bei einem Flammenstabilisator der vorstehend beschriebenen Art nach der Erfindung, welcher eine der Hauptströmung entgegenstehende Gesamtweite von 6,35 mm und Bimetallplatten mit einer Stärke von 1,27 mm und einer in-Strömungsrichtung verlaufenden Länge von 71*12 mm aufweist, werden die freien Enden der Bimetallplatten bei einem Temperaturanstieg von 400° C um 9*53 mm nach außen abgebogen, so daß der Strömungsstabilisator dann eine Gesamtweite von 95*4 mm hat. Demzufolge beträgt der Widerstand und damit der resultierende Druckverlust, wenn der Strömungsstabilisator außer Betrieb ist, nur etwa ein Viertel desjenigen einer starren V-förmigen Rinne vergleichbarer Ausführungsform. Die Auslenkung der aus den genannten Materialien bestehenden Platten 3, 4 ist normalerweise proportional zu dem Quadrat der Länge dieser Platten, geteilt durch deren Dicke. Eine Verringerung der Plattendicke hat für eine bestimmte Plattenauslenkung eine kürzere Plattenlänge

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und damit auch eine Gewichtseinsparung zur Folge, jedoch muß hierbei in Betracht gezogen werden, daß auch das Gas als solches auf die Platten 5, 4 eine sie auslenkende Kraft ausübt. Ferner müssen die Möglichkeit unerwünschter Verformungen und sich ergebende Materialbeanspruchungsgrenzen sowie Herstellungsfragen berücksichtigt werden.

Der Flammenstabilisator nach der Erfindung kann beispielsweise in einem Nachbrennerkanal zwischen dem Auslaß einer Gasturbine und einer Rückstoßdüse oder im Nebenstromkanal der Maschine eines Turbogebläses oder in anderen ähnlichen Anordnungen angeordnet werden, in welchen eine im allgemeinen verhältnismäßig kurzzeitige Schuberhöhung erforderlich ist.

In solchen Fällen, insbesondere bei Anwendung des erfindungsgemäßen Flammenstabilisators in einem Nachbrenner, ist der Flammenstabilisator vermutlich beträchtlichen Temperaturen ausgesetzt, wenn er nicht selbst in Betrieb ist.

Um sicherzustellen, daß die Platten J3, 4 stets dann im wesentlichen in Gasströmungsriehtung verlaufen, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, wenn Betriebsjsustände herrschen, wie sie beispielsweise auftreten, wenn eine zugehörige Maschine ' ohne Nachverbrennung betrieben wird, werden die Platten 3* ^

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anfänglich in kaltem Zustand so eingestellt, daß sie zunächst etwas gegeneinander zulaufend gebogen sind und sich dann durch die unterschiedliche· Ausdehnung, welche durch den vorstehend genannten Temperaturanstieg hervorgerufen wird, strecken. Erforderlichenfalls können Abstandsstücke oder andere Anordnungen vorgesehen sein, die verhindern, daß die Platten j5, 4 um mehr als einen bestimmten Betrag ausgebogen werden, so daß hierdurch beispielsweise auch übermäßige Materialbeanspruchungen vermieden werden.

Vorzugsweise sollte, ebenfalls aus Materialbeanspruchungsgründen, die Verbindung der einzelnen Plattenstreifen, aus welch letzteren sich die Platten 3, 4 zusammensetzen, in der Weise beeinflußbar sein, daß keine Wärmespannungen auftreten, wenn die Platten 3, H- ihre unverformte Stellung einnehmen, d.h. bei der Gasstromtemperatur, welcher der Flammenstabilisator ausgesetzt ist, wenn er nicht in Betrieb ist. Das Aufwalzen oder Explosionsnieten der einzelnen Plattenstreifen kann unter normalen Werkstattbedingungen ausgeführt werden und diese so hergestellten "Platten können dann bei derjenigen Temperatur gerollt bzw. gebogen werden, bei welcher eine Spannungsentlastung erwünscht ist. Da Platten, deren einzelne Plattenstreifen zusammengenietet sind, in der Praxis nicht ohne weiteres gerollt werden können, ist eine solche Konstruktion weniger vorteilhaft.

Die sich durch Spannungskonzentration und durch Wärme-

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ausdehnungskoeffizienten der Nieten ergebenden Wirkungen bewirken außerdem, daß diese Konstruktion im allgemeinen weniger zufriedenstellende Eigenschaften aufweist.

Die Geometrie eines Bimetall-Flammenstabilisators gemäß der vorstehend beschriebenen Art nach der Erfindung eignet sich nicht besonders gut für gekrümmt verlaufende Formen, ' beispielsweise für ringförmig verlaufende Stabilisatoranordnungen, jedoch kann eine solche gekrümmt verlaufende Form durch eine Anzahl gerader Stabilisatorsegmente sehr gut angenähert erreicht werden. Abweichend hiervon, können solche geradlinig begrenzte Flammenstabilisatoren auch parallel zueinander oder in Radialoder Gitterformation angeordnet sein, um hierdurch jeweils notwendige Kanalüberdeckungen zu erzielen.

Im Falle eines Nachbrenners, der in Verbindung mit einem gemischten Strömungsmittel einer Nebenstrommaschine betrieben wird, besteht normalerweise zwischen der Kern- und der Mangelströmung des durch den Nachbrennerkanal hindurchströmenden. Strömungsmittels ein beträchtliches Temperaturgefälle, da sich die heißen und die kalten Gasströme auch näherungsweise nur selten vollständig miteinander vermischen.

Um durchgehend die gleichen Bimetallmaterialien verwenden zu können, kann es erforderlich sein, die Geometrie des erfindungsgemäßen Plammenstabilisators in verschiedenen Teilen

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des Kanals etwas zu· ändern und möglicherweise an den in kühleren Bereichen gelegenen freien Enden der Platten 3* Anschläge anzubringen, die ein Schließen der Zündbrenner zonen um mehr als einen gewünschten Betrag verhindern.

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Claims (1)

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   Patent anSprüche:

   J^/Einrichtung zur Flammenhaltung innerhalb von Gasströmungskanälen, gekennzeichnet durch mindestens ein sich temperaturabhängig verformendes Element (3 bzw. 4), welches in der Weise befestigt (1, 2) und angeordnet ist, daß seine Verformung bei Temperaturanstiegen innerhalb eines bestimmten Bereiches stattfindet und hierbei in dem betreffenden Strömungskanal mindestens ein Teil einer stabilen Verbrennzungszone festgelegt bzw. begrenzt wird.

   2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zxvei sich temperaturabhängig verformende Elemente (3, 4) vorgesehen und derart angeordnet sind, daß sie die stabile Verbrennungsζone einschließen.

   3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die genannten temperaturabhängigen Elemente (3, 4) aus Metallen mit linearer Ausdehnung,, jedoch mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten zusammengesetzt sind.

   H-. Einrichtung' nach einem der Ansprüche 1 bis 3* .dadurch gekennzeichnet, daß als temperaturabhängige Elemente

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   zwei Bimetallelemente (3* 4) dienen, welche in der Weise freitragend angeordnet sind, daß sich ihre freien Enden bei Temperaturanstiegen voneinander weg nach außen biegen.

   5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die temperaturabhängigen Elemente (3, -4) aus Nickel und einem feuerfesten Metall oder aus diese Metalle enthaltenden Legierungen bestehen.

   6. Einrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß als feuerfestes Metall Niobium oder Molybdän dient.

   7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die temperaturabhängigen Elemente (3> 4) an einem weiteren Element abgestützt bzw. befestigt sind und zwischen sich einen Raum begrenzen, dessen Gesamtweite sich in Abhängigkeit von Temperaturänderungen verändert .

   8. Einrichtung nach Anspruch 7.» gekennzeichnet durch ein Kanalstück (1, 2) und zwei Bimetallplatten (3, 4), welch letztere mit ihren einen Enden jeweils an den stromab gelegenen Schenkeln (2) des Kanalstückes befestigt sind und hierdurch Verlängerungen dieser Kanalstückschenkel bilden.

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   9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine mit ihr ein gemeinsames Teil bildende Heizvorrichtung.

   10. Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der genannten Heizvorrichtung ,innerhalb des von den beiden temperaturabhängigen Elementen (3* begrenzten Raumes angeordnet ist (5, 6).

   11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem genannten Kanalstück (1, 2) Luftzufuhröffnungen (7) gebildet sind, die in den zwischen den beiden temperaturabhängigen Elementen bzw. zwischen den beiden Bimetallplatten (3> ²O gebildeten Raum mündei .

   12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Heizvorrichtung ein mit Durchtrittsöffnungen (6) versehenes Rohr (5) für dfe Brennstoff zufuhr zu dem zwischen den temperaturabhängigen Elementen (3, 4) gebildeten Raum aufweist.

   13. Kombination einer Einrichtung zur Flammenhaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einem Verbrennungssystem.

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