DE1924867A1 - Einrichtung zur Flammenhaltung innerhalb von Gasstroemungskanaelen - Google Patents
Einrichtung zur Flammenhaltung innerhalb von GasstroemungskanaelenInfo
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- F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
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- F23R3/18—Flame stabilising means, e.g. flame holders for after-burners of jet-propulsion plants
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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
_ ~ _
BAD ORIGINAL SO 9848/0758
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
5r x-6
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
909848/0758 BAD
. 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-
9098%§/10758 BAD ORIGINAL
fr
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-
9Ö984870758
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
- 7 S09848/Q7 5Ö
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* ^
- 9 909848/0758
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-
909848^0758
M'
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
90984840158
A-.
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.
- 12 -
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Claims (1)
- /3Patent 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- 13 909848/0758zwei 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.- 14 909848/0 7 58US'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.- 15 90 9-8 48/0758Leerseite
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