DE2261596A1 - Brennkammer und verfahren zum verbrennen eines brennstoffes in dieser brennkammer - Google Patents

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Dr. F. Zumsteln sea - Dr. E. Assmann 2 Z 6 1 596 Dr. R. Koenigsberger - DIpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumsteln Jun.

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Case 22642-22203
4/th

PHILLIPS PEEEtOLEUM ÖOMPiHY Bartlesville, U.S.A.

Brennkammer und Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffes in dieser Brennkammer

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffes in einer Brennkammer und eine entsprechende Brennkammer.

Die Luftverschmutzung wurde in den letzten Jahren ein Hauptproblem in allen industrialisierten Ländern. Demzufolge wurde die Kontrolle und/oder die Verringerung dieser Luftverschmutzung Hauptziel der Forschung und Entwicklung durch staatliche und nicht-staatliche Unternehmen. Die Verbrennung von Erdölbrennstoffen ist eine Hauptquelle der Luftverschmutzung. Einen Hauptbeitrag zu dieser Luftverschmutzung liefern offensichtlich Kraftfahrzeuge, die herkömmliche Kolbenmaschinen verwenden, welche Kohlenwasserstoffbrennstoffe verbrennen. Durch die Umweltschutzbehörde der Vereinigten Staaten wurden Standardwerte für die Emission von Fahrzeugen festgesetzt, die ausreichend restriktiv sind, um zu bewirken, daß die Kraftfahrzeughersteller die Verwendung anderer Maschinen als der herkömmlichen Kolbenmaschinen

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in Betracht ziehen.

Die Gasturbinenmaschine wird als Alternative ernsthaft in Betracht gezogen. Es wurden jedoch bisher keine Informationen veröffentlicht, die realistische und/oder praktische Brennkammern ■beschreiben, die unter Bedingungen betrieben werden können, wie sie für Hochleistungsmaschinen typisch sind, und die Emissionswerte besitzen, die die von der Umweltschutzbehörde der Vereinigten Staaten festgesetzten Standardwerte erreichen oder ihnen einigermaßen nahe kommen. Dies trifft insbesondere für die Emission von Stickstoffoxyden zu.

Es "besteht daher ein Bedürfnis nach einer Brennkammer von praktischer und/oder realistischer Konstruktion, die in einer solchen Weise betrieben werden kann, daß ihre Emission den Standardwerten entspricht·

Die Erfindung löst dieses Problem, indem eine Brennkammer und ein Verfahren zu ihrem Betrieb geschaffen wird, die Emissionswerte liefern, die den bestehenden einschränkenden Standardwerten, die durch die Umweltschutzbehörde festgelegt wurden, entsprechen oder ausreichend nahe kommen. Dieses Verfahren besteht daraus, daß getrennte Luftströme primären und sekundären Verbrennungszonen einer Brennkammer zugeführt werden, daß die Wärme von der primären Verbrennungszone abgeführt wird und in die Brennkammer in einem Bereich wieder eingeführt wird, der von den primären und sekundären Zonen entfernt ist und stromab von diesen liegt.

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird erfindungsgemäß eine Brennkammer verwendet, die besteht aus einem äußeren Gehäuse, einem Flammrohr, das konzentrisch in diesem Gehäuse und von diesem entfernt angeordnet ist, um eine erste ringförmige Kammer zwischen diesem Flammrohr und dem Gehäuse zu bilden, aus einer Lufteinlaßeinrichtung zum Einleiten eines ersten Luftstroms in den stromauf liegenden Endabschnitt des Flammrohres, aus einer Brennstoffeinlaßeinrichtung zum Einführen eines Brennstoffs in den stromauf liegenden Endabschnitt des Flammrohres, aus wenigstens einer Öffnung, die in der Wand des Flammrohres an einer

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ersten Stelle vorgesehen ist, die sich zwischen dem stromauf -und dem stromab liegenden Ende des Flammrohres befindet, aus einer •ungelochten Leitung, die durch die erste ringförmige Kammer verläuft und mit dieser Öffnung an der ersten Stelle in Verbindung steht, um einen zweiten Luftstrom in das Innere des Flammrohres zu leiten, "und aus wenigstens einer anderen Öffnung, die in der Wand des Flammrohres an einer zweiten Stelle vorgesehen ist, die sich stromab von der ersten Stelle "befindet, um einen dritten Luftstrom von der ersten ringförmigen Kammer in das Innere des Flammrohres zu leiten.

Die Erfindung liefert auch ein Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffes in einer Brennkammer, das daraus besteht, daß ein erster Luftstrom in eine primäre Verbrennungszone der Brennkammer eingeleitet wird, daß ein Brennstoff in diese primäre Verbrennungszone eingeleitet wird, daß der Brennstoff verbrannt wird, daß. ein zweiter Luftstrom getrennt von dem ersten Luftstrom in eine sekundäre Zone der Brennkammer eingeführt wird, die sich stromab von der primären Verbrennungszone befindet, daß ein dritter Luftstrom getrennt von dem ersten und dem zweiten Luftstrom unter Wärmeaustausch mit einer Außenwand der primären Verbrennungszone so geführt wird, daß er die Wärme vom Inneren der primären Verbrenhungszone abführt und diese Luft erwärmt, und daß dieser so erwärmte dritte Luftstrom in eine dritte Zone der Brennkammer eingeführt wird, die sich stromab von der sekundären Zone befindet.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt teilweise geschnitten eine Brennkammer gemäß der Erfindung.

Fig. 2, 3 und 4 sind Querschnitte längs der Linien 2-2, 3-3 bzw. 4-4 der Fig. 1.

Fig. 5 zeigt bruchstückhaft eine perspektivische Ansicht eines Brennkammerflammrohres, die eine andere Art von Rippen oder sich nach außen erstreckenden Oberflächen zeigt, die bei

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diesem Flammrohr verwendet werden kann.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 6-6 der Fig. 1·

Eig. 7 zeigt teilweise geschnitten eine andere Ausführungsform der Brennkammer gemäß der Erfindung.

Fig. 8 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 8-8 der Fig.

Fig. 9 zeigt teilweise geschnitten eine v/eitere Ausführungsform der Brennkammer gemäß der Erfindung.

Fig. 10 und 11 sind Querschnitte längs der Linien 10-10 bzw. 11-11 der Fig. 9.

Fig. 12 zeigt im Schnitt eine andere Art des kuppelartigen Verschlußteils, das bei Brennkammern gemäß der Erfindung verwendet werden kann.

Fig. 13 land 14 sind schematische Darstellungen, teilweise im Schnitt, anderer Ausfuhrungsformen der Brennkammer gemäß der Erfindung.

Fig. 15 zeigt teilweise im Schnitt eine weitere Ausführungsform der Brennkammer gemäß der Erfindung.

Fig. 16 zeigt eine Frontansicht längs der Linie 16-16 der Fig. 15.

Fig. 17 zeigt im Schnitt eine Seitenansicht der Verwirberungsplatte des kuppeiförmigen Verschlußteils der Brennkammer der Fig. 15.

In Fig. 1 ist eine Brennkammer dargestellt, die insgesamt mit bezeichnet ist und ein langgestrecktes Flammrohr 12 umfaßt. Das Flammrohr 12 ist an seinem stromab liegenden Ende für die Verbindung mit einem Kanal offen, der zu einer Turbine oder einer anderen Verwendungsmöglichkeit der Verbrennungsgase führt. Ein kuppeiförmiges Verschlußteil, das insgesamt mit 14 bezeichnet ist, ist zum Verschließen des stromauf liegenden Endes des Flammrohres mit Ausnahme der Öffnungen in diesem Verschlußteil vorgesehen. Ein äußeres Gehäuse 16 ist konzentrisch um das Flammrohr 12 in einem Abstand von diesem angeordnet, um eine erste ringförmige Kammer 18 rings um das Flammrohr 12 und das Verschlußteil 14 zu bilden. Die ringförmige Kammer 18 ist an

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ihrem stromab liegenden Ende verschlossen. Geeignete Planschteile, wie sie dargestellt sind,' sind an dem stromab liegenden Ende des Flammrohres 12 und des äußeren Gehäuses 16 vorgesehen, um diese anzubringen und mit dem Kanal zu verbinden, der zu einer Turbine oder einer anderen Verwendungsmöglichkeit der Yerbrennungsgase von der Brennkammer führt. In gleicher Weise sind geeignete Flanschteile 15 und 17 an dem stromauf liegenden Ende des Flammrohres 12 und des Außengehäuses 16 vorgesehen, um diese anzubringen und sie mit einem Kanal zu verbinden, der von einem Kompressor oder einer anderen Luftquelle kommt.. Die stromauf liegenden Flanschteile umfassen einen Teil des Außengehäuses 16, das das Verschlußteil 14 umschließt und den stromauf liegenden Endabschnitt der Kammer 18 bildet. Wenn es erwünscht ist, kann das Außengehäuse 16 verlängert werden, um das Verschlußteil 14 zu umschließen, und die stromauf liegenden Flansche werden dann an sein stromauf liegendes Ende verlegt. Ficht gezeigte geeignete Halterungen werden verwendet, um das Flammrohr 12 und das Verschlußteil 14 in dem Außengehäuse 16 und den Flanschteilen zu halten.

Ein Lufteinlaß ist vorgesehen, um einen verwirbelten luftstrom in den stromauf liegenden Endabschnitt des Flammrohres 12 einzuleiten. Wie in den Fig. 1 und 4 dargestellt ist, umfaßt dieser Lufteinlaß eine im wesentlichen zylindrische Verwirbelungskammer 22, die in dem Verschlußteil 14 ausgebildet ist. Bas stromab liegende Ende der Kammer 22 steht offen mit dem stromauf liegenden Ende des Flammrohres 12 in Verbindung. Eine Vielzahl von Luftkanälen 24 verläuft von der Kammer 18 oder einer anderen geeigneten Luftquelle in die Verwirbelungskammer 22 tangential in Bezug auf deren Innenwand.

Ein Brennstoffeinlaß umfaßt einen Kanal 26 zum Einleiten eines Brennstoffstromes in das stromauf gelegene Ende der Verwirbelungskammer 22, der axial in Bezug auf den verwirbelten Luftstrom verläuft.

Ein sich erweiternder Expansionskanal 28 ist an dem stromab liegenden Endabschnitt des Verschlußteils 14 ausgebildet, der

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eich von dem stromab liegenden Ende der Verwirbelungskammer 22 zu einem Punkt an der Innenwand des Flammrohr es 12 nach außen erweitert.

Eine undurchbrochene Hülse 30 umgibt einen stromauf liegenden Abschnitt des Flammrohres 12. Die Außenwand der Hülse 30 kann isoliert sein, falls dies erwünscht ist. Die Hülse 30 befindet sich so in einem Abstand von dem Flammrohr 12_t daß sie in Längsrichtung einen stromauf liegenden Abschnitt 18* der ersten ringförmigen Kammer 18 einschließt und eine zweite ringförmige Kammer 19 zwischen der Hülse 30 und dem Außengehäuse 16 bildet. Eine ringförmige Wand 32, die an dem Innenumfang des Gehäuses 16 befestigt ist, ist für den Verschluß des stromab liegenden Ender der Kammer 19 vorgesehen. Zumindest eine Öffnung 34 ist in der Wand des Flammrohres 12 an einer ersten Stelle vorgesehen, die sich zwischen den Enden des Flammrohres befindet. Eine Vielzahl von öffnungen 34 wird normalerweise bevorzugt. Ein Kanal 36, der sich von der zweiten ringförmigen Kammer 19 erstreckt, steht mit der Öffnung 34 in Verbindung, um einen zweiten Luftstrom von der zweiten ringförmigen Kammer 19 in das Innere des Flammrohres 12 zu leiten. Wenn mehrere Öffnungen 34 vorgesehen sind, sind ebenfalls mehrere röhrenförmige Kanäle 36 vorgesehen, wobei jeder einzelne Kanal 36 gesondert mit einer bestimmten Öffnung 34 verbunden ist. Dieser beschriebene Aufbau ergibt so einen undurchbrochenen Kanal, der die zweite ringförmige Kammer 19 und den röhrenförmigen Kanal (oder die Kanäle) 36 umfaßt, um einen zweiten Luftstrom in das Innere des Flammrohres 12 zu leiten.

Wenigstens eine andere Öffnung 38 ist in der Wand des Flammrohres 12 an einer zweiten Stelle vorgesehen, die sich stromab und in einem Abstand von der ersten Stelle befindet, um einen dritten Luftstrom von der ersten ringförmigen Kammer 18 in das Innere des Flammrohres 12 zu leiten. In den meisten Fällen wird es bevorzugt, mehrere Öffnungen 38 vorzusehen, die rings um den Umfang des Flammrohres in einem Abstand voneinander angeordnet sind, wie es in Fig. I dargestellt ist.

Die Oberfläche der Außenwand des Flammrohres 12 ist vorzugsweise

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mit Vorsprüngen in der Form von Rippen oder Streifen versehen, die an diesem in dem Bereich angebracht sind, der durch die Hülse 30 umgeben ist, tmd die sich in den Bereich 18¹ der ersten ringförmigen Kammer erstrecken, der durch diese Hülse eingeschlossen ist. Wie in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt' ist, können diese Rippen oder Streifen 40 und 42 in Reihen angeordnet sein, die sich ?ings xiiE. den Umfang des Flammrohres 12 erstrecken und die in einem Abstand voneinander in Längsrichtung an dem Flammrohr angeordnet sind. Die Rippen oder Streifen 40 in jeder dieser Reihen können in Umfangsrichtung voneinander getrennt sein, um Durchgänge 41 zwischen ihnen zu bilden, wie Fig. 2 zeigt. In gleicher Weise können Durchgänge 43 zwischen den Rippen oder Streifen 42 vorgesehen sein, wie Fig. 3 zeigt. Fig. 5 zeigt eine andere Art von Rippen, die verwendet werden können. Die Rippen 44 verlaufen in Längsrichtung des Flammrohres 12. Die Rippen 40, 42 und 44 können sich irgendeine gewünschte Strecke in den geschlossenen Abschnitt 18· hinein erstrecken.

Fig. 6 stellt eine Bauweise dar, die verwendet werden kann, um die röhrenförmigen Kanäle 36 zu bilden. Mehrere Vorsprungteile 37, die voneinander getrennt in Umfangsrichtung in einer Reihe rings um das Flammrohr 12 angeordnet sind, sind stromab von der letzten Reihe der Rippen 42 vorgesehen. Die Vorsprungteile 37 haben im allgemeinen die Form der Rippen 40 und 42 und Durchgänge 45 sind zwischen ihnen vorgesehen ähnlich wie die Durchgänge 41 und 43 in den Reihen der Rippen 40 und 42. Die ungelochte Hülse 30 erstreckt sich über die Vorsprungteile 37 in gleicher Weise wie bei den Rippen 40 und 42, und die Kanäle 36 können hergestellt werden, indem die Hülse 30 und die Vorsprungteile 37 durchbohrt v/erden, so daß sie in Verbindung mit den Öffnungen 34 in dem Flammrohr 12 stehen. Die Durchgänge 41, 43 und 45 liefern auf diese Weise eine Verbindung von dem stromauf liegenden Ende der ersten ringförmigen Kammer 18 durch den eingeschlossenen Abschnitt 18¹ um die Kanäle 36 herum und in den stromab liegenden Abschnitt der ersten ringförmigen Kammer 18.

Fig. 7 zeigt den stromauf liegenden Abschnitt einer anderen Au₁S-führungsform der Brennkammer. Der stromab liegende. Abschnitt, der

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nicht gezeigt ist, ist dem der Brennkammer der Fig. 1 gleich. In Fig. 7 ist ein Verschlußteil vorgesehen, das insgesamt mit 46 "bezeichnet ist, um das stromauf liegende Ende des Flammrohres 12 mit Ausnahme der Öffnungen in diesem Verschlußteil zu verschliessen. Dieses Verschlußteil kann als ein Stück hergestellt v/erden, aber vorzugsweise umfaßt es zwei oder mehr Elemente, zum Beispiel ein stromauf liegendes Element 48 und ein stromab liegendes Element 50. Eine im wesentlichen zylindrische Verwirbelungskamraer 52 ist in dem stromauf liegenden Element 48 des Verschlußteiles 46 ausgebildet. Das stromab liegende Ende der Verwirbelungskammer 52 steht mit dem stromauf liegenden Ende des Flammrohres 12 in offener Verbindung. Ein Lufteinlaß ist vorgesehen, um eine Verwirbelungs luftmenge in das stromauf liegende Ende der Kammer 52 und dann in das stromauf liegende Ende des Flammrohres einzuleiten. Wie in den Fig. 7 und 8 dargestellt ist, umfaßt dieser lüfteinlaß tangentiale Luftkanäle 54, die von der ersten ringförmigen Kammer 18 in die Verwirbelungskammer 52 verlaufen.

Brennst of flcanäle 56, die von einer Brennst off quelle kommen, stehen mit einem Durchgang 58 in Verbindung, der wiederum mit dem Brennstoffdurchgang 60 verbunden ist, der durch die Innenwand des stromab liegenden Elements 50 des Verschlußteils 46 und die stromab liegenden Endwand des stromauf liegenden Elements 48 des Verschlußteils 46 gebildet wird. Die Innenwand des stromab liegenden Elements befindet sich in einem Abstand von der stromab liegenden Endwand des stromauf liegenden Elements 48 und ist in der Form komplementär zu dieser. Die Richtung des Austrittsabschnitts des Brennstoffdurchgangs 60 kann über einen Bereich variieren, der zvn.schen tangential und senkrecht, aber nicht parallel, zu den Umfang des Luftstroms ist, der von der Verwirbelungskanmer 52 austritt. Die Änderung der Richtung des Aiistrittsabschnitts des Brennst of fdurchgangs 60 liefert ein Verfahren zur Steuerung des Vermischungsgrades zwischen dem Brennstoffstrom und dem Luftstrom an der Grenzschicht zwischen diesen. Wie in Fig. 7 dargestellt ist, bildet die Richtung des Austrittsabschnitts des Brennstoffdurchnang3 60 einen v/inkel von etwa 45 in Bezug auf die Umfangslinie der Luft, die von der Verwirbel.ungskamner 52 austritt. Im allgemeinen ist es erwünscht, daß

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der Austrittsabschnitt des Brennst of fdurehgangs 60 einen Winkel von etwa 15° Ms etwa 75°, Vorzugs weise von etwa 30° Ms etwa 60° in Bezug auf die Umfangslinie des Luftstroms, der von der Verwirbelungskammer 52 austritt, bildet. In den meisten Fällen wird es bevorzugt, daß der Brennstoff in einer im wesentlichen stromab gerichteten Richtung eingeführt wird. Es ist jedoch auch möglich, den Brennstoff in einer stromauf gerichteten Richtung einzuführen. Eine Unterlegscheibe 62 bildet ein Mittel, um die Breite des Brennstoffdurchganges 60 zu ändern. Andere geeignete Mittel können für die Änderung der Breite des Brennstoffdurchgangs 60 "vorgesehen werden, wie zum Beispiel Gewinde, die an der Wand des stromauf liegenden Elements 48 und des stromab liegenden Elements 50 vorgesehen sind. Die Form der stromauf liegenden Innenwand des stromab liegenden Elements 50 und die Form der stromab liegenden Endwand des stromauf liegenden Elements 48 können geändert werden, aber sie werden komplementär zueinander gehalten, um so die oben beschriebenen Änderungen in der Richtung und der Breite des Brennstoffdurchgangs 60 zu erreichen.

Pig. 9 stellt den stromauf liegenden Abschnitt einer anderen Ausführungsform der Brennkammer dar. Der stromab liegende Abschnitt der Brennkammer der Pig. 9 ist der gleiche wie bei der Brennkammer der Fig· 1. Ein Versehlußteil 64 ist an dem stromauf liegenden Ende des Flammrohres 12 in irgendeiner geeigneten Weise angebracht, um das stromauf liegende Ende des Flammrohres mit Ausnahme der in diesem Verschlußteil vorgesehenen Öffnungen zu verschließen. Eine im allgemeinen zylindrische Verwirbelungskammer 66 ist in dem Verschlußteil 64 ausgebildet. Das stromab liegende Ende der Verwirbelungskammer. steht offen mit dem stromauf liegenden Ende des Flammrohres in Verbindung. Ein iufteinlaß ist vorgesehen, um eine Verwirbe lungs luftmenge in das stromauf liegende Ende der Verwirbelungskammer 66 und dann in das stromauf liegende Ende des Flammrohres 12 einzuleiten« Wie in den Fig. 9 und IO dargestellt ist, umfaßt der Lufteinlaß eine Vielzahl von tangentialen Luftkanälen 68, die sich von dem ringförmigen Raum 74 her erstrecken. Der Brennsboffeinlaß in den Brennraum der Fig. 9 umfaßt einen Brennstoffzufuhrkanal 70, der mit drei Brennstoff durchgängen 72 in Verbindung steht, die mit dem ring-

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förmigen Durchgang 74 verbunden sind, der wiederum mit einer Vielzahl von Brennstoffkanälen 76 in Verbindung steht, die tangential durch den stromab liegenden Endabschnitt des Verschlußteils 64 in eine Ausnehmung 78 verlaufen, die in dem stromab liegenden Endabschnitt des Verschlußteils ausgebildet ist. Kanäle 68 aind vorgesehen, um Luft tangential in die Verwirbelungkammer 66 im Uhrzeigersinn (strömungsabwärts gesehen) einzuleiten, und Brennstoffeinlaßkanäle 76 (Fig. 11) sind vorgesehen, um Brennstoff tangential in die Ausnehmung 78 in Gegenuhrzeigerrichtung einzuleiten. Dies ist eine gegenwärtig bevorzugte Anordnung bei dieser Ausführungsform der Erfindung. Es ist jedoch auch möglicl, die Richtungen der Lufteinlaßkanäle 68 und der Brennstoffeinlaßkanäle 76 umzukehren oder sowohl die Lüfteinlaßkanäle als auch die Brennstoffeinlaßkanäle in derselben Richtung anzubringen, zum Beispiel beide im Uhrzeigersinn oder beide im Gegenuhrzeigersinn·

Fig. 12 zeigt eine andere Ausführungsform des Verschlußteils, die bei den Flammrohren der hier beschriebenen Brennkammern verwendet werden kann. Das Verschlußteil 78 ist ähnlich dem Verschlußteil 64 der Fig. 9. Der Hauptunterschied besteht darin, daß bei dem Veraehlußteil 78 der Kanal 80 durch das Verschlußteil 78 so verläuft, daß er zum Beispiel mit dem stromauf liegenden Endabschnitt des Flammrohres 12 in Verbindung steht. Wenigstens eine Verwirbelungsschaufel 82 befindet sich in diesem Kanal 80, um der durch diesen Kanal 80 durchtretenden Luft eine Wirbelbewegung zu erteilen. Falls es erwünscht ist, kann der Kanal 80 einen ringförmigen Kanal anstelle des dargestellten röhrenförmigen Kanals aufweisen, wobei geeignete Verwirbelungsschaufeln in diesem angebracht sind.

Fig· 13 stellt eine Abwandlung der Brennkammer der Fig. 1 dar. In Fig. 13 sind undurchbrochene gesonderte röhrenförmige Kanäle 36' einzeln mit gesonderten Öffnungen 34' in der Wand des Flammrohres 12* verbunden. Die Kanäle 36^f erstrecken sich in Längsrichtung durch die ringförmige Kammer 18* zu deren stromauf liegendem Ende und sind vorgesehen, um einen sekundären Luftstrom in das Innere des Flammrohres zu leiten. Das Außengehäuse

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16» und das Yerschlußteil 14^f sind im wesentlichen die gleichen wie die entsprechenden Seile in Pig. 1. Ein dritter Luftstrom wird zu dem Inneren des Flammrohres 12^? über die Kammer 18' -und Öffnungen 38* geleitet.

14 stellt eine andere Abwandlung der Brennkammer der Pig. 1 dar, die ähnlich der Brennkammer der Pig. 13 ist. Der hauptsächliche unterschied besteht darin, daß in Pig. 14 die röhrenförmigen Kanäle 36' quer durch die. ringförmige Kammer 18¹ und durch das Außengehäuse 16^! und dann zu dem stromauf .liegenden Ende der Brennkammer verlaufen.

Pig. 15 zeigt den stromauf liegenden Abschnitt einer anderen Ausführungsform der Brennkammer. Der stromab liegende Teil der Brennkammer der Pig; 15 ist gleich dem der Brennkammer der Pig. 1· Ein insgesamt mit 85 bezeichnetes Verschlußteil ist an dem stromauf liegenden Ende des Plammrohres 12 angebracht, um das stromauf liegende Ende des Plammrohres mit Ausnahme der Öffnungen in diesem Verschlußteil zu verschließen. Das Verschlußteil kann als ein Stück hergestellt werden,, aber es umfaßt Vorzugs vie i'se ein stromauf liegendes Element 86, eine Verwirbelungsplatte 87 (Pig. 17) und ein stromab liegendes Element oder eine Strahlungsabschirmung 88. Ein Lufteinlaß ist vorgesehen, um eine Verwirbelungsluftmenge in die Verwirbelungskammer 89 einzuleiten, die zwischen der Verwirbelungsplatte 87 und der Strahlungsabschirmung 88 ausgebildet ist, und diese luft dann in das stromauf liegende Ende des Plammrohres 12 einzuleiten. Wie in den Pig. 15, 16 und 17 dargestellt ist, umfaßt der Lufteinlaß eine Vielzahl von Luftkanälen 90 und 90', die sich jeweils durch das stromauf liegende Seil 86 und die Verwirbelungsplatte 87 erstrecken. Eine Vielzahl von im Winkel angeordneten Leit- oder Prallflächen 91, eine für jeden Luftkanal 90, sind an der stromab liegenden Seite der Verwirbelungsplatte angrenzend an die Auslaßöffnungen dieser' Luftkanäle ausgebildet.

Der Brennstoffeinlaß (Pig. 15) umfaßt einen Brennstoffkanal 92, der von einer Brennstoffversorgung kommt und mit einem Durchgang 93, der in dem stromauf liegenden Element 86 ausgebildet ist,

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in Verbindung steht_f der wiederum mit einer Kammer 94 in Verbindung steht, die ebenfalls in dem Element 86 ausgebildet ist. Eine Sprühdüse 95 ist in einer geeigneten öffnung in der stromab liegenden Seite des Elements 86 angebracht und steht mit der Kammer 94 in Verbindung. Es kann natürlich im Rahmen der Erfindung auch eine andere Düsenart zum Zerstäuben des normalerweise flüssigen Brennstoffs verwendet werden, zum Beispiel eine Düse, bei der ein Luftstrom zusammen mit dem Brennstoff durch die Düse durchtritt.

Die erfindungsgemäße Brennkammer kann mit irgendeiner geeigneten Zündeinrichtung und, falls es erwünscht ist, mit einer Einrichtung zum Einleiten eines Pilotbrennstoffs,um das Brennen in Gang zubringen, versehen sein.

Bei einem Verfahren zum Betreiben der Brennkammer der Fig. 1 wird ein Luftstrom von einem nicht-gezeigten Kompressor über einen mit dem Plansch 17 verbundenen Kanal in das stromauf liegende Ende des ringförmigen Baumes 18 geleitet. Ein erster Luftstrom wird von dem ringförmigen Raum 18 durch die tangentialen Kanäle 24 in die Verwirbelungskammer 22 geführt. Diese tangentialen Kanäle erteilen der in die Verwirbelungskammer eintretenden und aus dieser austretenden Luft eine schraubenförmige oder wirbelnde Bewegung. Diese wirbelnde Bewegung erzeugt eine starke Wirbelwirkung, die eine umgekehrte Zirkulation der heißen Gase in dem Flammrohr 12 zur Folge hat. Dieser erste Luftstrom kann als Primärluft bezeichnet werden.

Ein Strom von Brennstoff, der vorzugsweise vorverdampft ist, wird über den Kanal 26 axial zu dem wirbelnden Luftstrom zugeführt. Der Brennstoff und die Luft treten aus der Verwirbelungskanmer 22 über den Expansionsdurchgang 28 aus, indem sie sich von dem Volumen in dem Bereich der anfänglichen Berührung zu dem Volumen des stromauf liegenden Abschnitts des Flammrohres 12 ausdehnen.

Ein von dem ersten Luftstrom getrennter zweiter Luftstrom wird von dem stromauf liegenden Ende der ringförmigen Kammer 18 über die zweite ringförmige Kammer 19, die röhrenförmigen Kanäle 36

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und die Öffnungen 34 in eine zweite Zone der Brennkammer eingeleitet, die stromab von der primären Verbrennungszone liegt. Dieser zweite Luftstrom kann als Sekundärluft bezeichnet werden.

Ein dritter Luftstrom,^vder von dem ersten und dem -zweiten Luftstrom getrennt ist, wird von dem stromauf liegenden Ende der ringförmigen Kammer 18 über den eingeschlossenen Abschnitt 18' rings um die röhrenförmigen Kanäle 36 in den stromab liegenden Abschnitt der ringförmigen Kammer 18 und dann über die Öffnungen 38 in eine dritte Zone der Brennkammer geleitet, die sich stromab von der zweiten Zone befindet. Dieser dritte Luftstrom kann als Abschreckluft bezeichnet werden»

Bei diesem Betriebsverfahren wird die Verbrennung des-Brennstoffs zumindest in der primären Verbrennungszone mit dem ersten Luftstrom (Primärluft) begonnen und, falls erforderlich, in der Sekundärzone mit dem zweiten Luftstrom im wesentlichen beendet. Die entstehenden Verbrennungsgase werden in der dritten Zone abgeschreckt und die abgeschreckten Gase treten aus dem stromab liegenden Ende des Flammrohres zu einer Turbine oder einer anderen Verwendungsvorrichtung aus, zum Beispiel zu einem Ofen, einem Boiler usw. Bei dem obigen Verfahren führt der dritte Luftstrom, während er durch den eingeschlossenen Abschnitt 18· strömt, Wärme von der Wand der primären Verbrennungszone ab» so daß deren Temperatur erniedrigt wird, wodurch der Wärmeverlust von den Verbrennungsgasen anwächst und dadurch die 3?lammentemperatur in der primären Verbrennungszone abnimmt. Vorzugsweise ist die Außenwand der primären Verbrennungszone mit einer sich nach außen erstreckenden Oberfläche versehen, zum Beispiel mit den in Fig. 1 gezeigten Rippen, um so die Wärmeabführung von der primären Verbrennungszone zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der durch die ringförmige Kammer 19 fließende zweite Luftstrom von der heißen Wand der Brennkammer, abgeschirmt wird- und relativ kalt ist. Dies unterstützt ebenfalls die Verringerung der Plammentemperatur in der primären Verbrennungszone. Die Luft, die durch die Wärmeabgabe von der Brennkammerwand erwärmt wird, wird nur in der Abschreckzone der Brennkammer verwendet. Dies ist eine weitere Unterstützung, bei

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der Verringerung der Flammentemperätur, indem diese erhitzte Luft aus der primären Verbrennungszone ferngehalten wird ι wc ->ei aber der gesamte Wirkungsgrad erhalten bleibt, indem die erhitzte Luft in die Abschreckzone eingeleitet wird. Wie später durch die Beispiele gezeigt wird, werden hervorragende Ergebnisse bei der Verringerung des Gehalts der Verbrennungsgase an Emissionsstoffen erhalten, insbesondere in Bezug auf eine Abnahme der Emission von Stickstoffoxyden.

Bei dem obigen Verfahren können die relativen Volumina des ersten, zweiten und dritten Luftstroms gesteuert werden, indem die Größen der Öffnungen in Bezug aufeinander geändert v/erden, durch die diese Luftströme dem Flammrohr 12 zugeführt werden. Irgendein anderes geeignetes Verfahren zur Steuerung der Luftvolumina kann verwendet werden. Zum Beispiel können Strömungsmeßgeräte oder kalibrierte Öffnungen in den Kanälen verwendet werden, durch die die Luftströme zugeführt werden.

Bei dem Verfahren zum Betreiben der Brennkammer der Pig. 7 wird ein Luftstrom von einem nicht-gezeigten Kompressor über einen mit dem Plansch 17 verbundenen Kanal in den ringförmigen Baum geleitet. Ein erster Luftstrom tritt von dem ringförmigen Raum durch die tangentialen Kanäle 54 in die Verwirbelungskammer Die tangentialen Kanäle 54- erteilen der in die Verwirbelungskammer eintretenden und aus dieser austretenden Luft eine schraubenförmige oder wirbelnde Bewegung. Diese wirbelnde Bewegung erzeugt eine starke Wirbelwirkung, die eine umgekehrte Zirkulation der heißen Gase in dem Flammrohr 12 stromaufwärts auf die Verwirbelungskammer 52 während des Betriebs der Brennkammer zur Folge hat.

Ein Strom von Brennstoff, der vorzugsweise vorverdampft ist, wird über den Kanal 56, den Durchgang 58 und den Brennstoffdurchgang 60 zugeführt. Der Brennstoff, der au3 dem Brennstoffdurchgang 60 austritt, bildet eine ringförmige Schicht rings um den wirbelnden Luftstrom, der aus der Verv/irbelungskamiaer austritt. Dieses Verfahren zum Einleiten von Brennstoff und Luft bewirkt ein kontrolliertes Vermischen des Brennstoffα und der

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Luft an der Grenzschicht zwischen ihnen« Unmittelbar nach der anfänglichen Berührung werden die Ströme des Brennstoffs und der Luft, die teilweise an der Grenzschicht vermischt sind, in einer einheitlichen und abgestuften Weise während des Durchgangs durch den sich erweiternden Abschnitt des Teils 50 von ihrem Volumen in dem Bereich der anfänglichen Berührung zu dem Volumen der Verbrennungskammer expandiert. Die Expansion des Brennstoffs und 3er Luft findet auf diese V/eise zumindest während eines Seils der' Durchmischung statt. Das entstehende Gemisch von Brennstoff und Luft wird verbrannt und die Verbrennungsgase treten an dem stromab liegenden Ende des Flammrohres 12 aus. Ein zweiter Luftstrom wird dem Inneren des !Flammrohres 12 von dem stromauf liegenden Ende der ringförmigen Kammer 18'über die zweite ringförmige Kammer 19, die röhrenförmigen Kanäle 36 und die Öffnungen 34 zugeführt, wie im Zusammenhang mit Pig. 1 beschrieben wurde. Ein dritter Luftstrom wird dem Inneren des Flammrohres 12 über die öffnungen 38 zugeführt, wie in Verbindung· mit Pig» 1 oben beschrieben wurde.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Betreiben der Brennkammer der Fig«, ist ähnlich dem Verfahren, das oben für die Brennkammern der Pig. 1 und 7 beschrieben wurde. Ein erster Luftstrom wird über tangentiale Einlaßkanäle 38 der Verwirbelungskammer 66 zugeführt, wobei der Luft eine schraubenförmige oder wirbelnde Bewegung erteilt wird. Ein Strom von Brennstoff, der vorzugsweise vorverdampft ist, wird über den Kanal 70, die Brennstoffdurchgänge 72 und die tangentialen Brennstoffkanäle 76 in die Ausnehmung 78 zugeführt. Dieser Brennstoff bildet auf diese Weise eine ringförmige Schicht rings um den wirbelnden Luftstrom, der von der Verwirbelungskammer 66 austritt. Die zweiten und dritten Luftströme werden dem Inneren des Flammrohres 12 in der Weise zugeführt, wie sie oben im Zusammenhang mit den Brennkammern der Fig. 1 und 7 beschrieben wurde.·

Das Verfahren zum Betrieb der Brennkammern der Fig. 13 und 14 kann im wesentlichen das gleiche sein, wie es oben für die Brennkammern der Fig. 1, 7 und 9 beschrieben wurde, wenn die Art des Verschlußteiles berücksichtigt wird, das an dem stromauf liegenden Ende des Flammrohres 12* verwendet wirdi, Beiden

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Brennkammern der Fig. 13 und 14 wird der zweite Luftstrom dem Flammrohr 12· über die röhrenförmigen Kanäle 36' zugeführt. Der dritte Luftstrom wird über die Öffnungen 38* zugeführt. In Fig. 14 können die röhrenförmigen Kanäle 36' mit einer gemeinsamen Luftquelle (sum Beispiel einem Sammelkanal) verbunden sein_f die ebenfalls den ersten und dritten Luftstrom zuführt, oder die röhrenförmigen Kanäle können mit einer getrennten Luftquelle verbunden sein. Die Brennkammer der Fig. 14 ist insbesondere dafür geeignet, bei den Ausführungsformen verwendet zu werden, bei denen der Strom der Sekundärluft, der durch die Öffnungen 34* zugeführt wird, eine Temperatur größer als die Temperatur der Primärluft, die durch das Verschlußteil 14' zugeführt wird, haben kann. Wenn die röhrenförmigen Kanäle 36' mit derselben Luftquelle verbunden sind, wie die Kammer 18, kann die Temperatur der Sekundärluft im wesentlichen gleich oder größer als die Temperatur der Primärluft sein. Wenn die Kanäle 36' mit einer anderen Luftquelle verbunden sind als der, die die Kammer 18 versorgt, kann in gleicher V/eise die Temperatur der Sekundärluft im wesentlichen gleich oder größer als die Temperatur der Primärluft sein.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb der Brennkammer der Fig. ist ähnlich dem oben beschriebenen Betrieb der Brennkammer der Fig. 1. Der Hauptunterschied besteht im Betrieb des Verschlußteils 85 (Fig. 15) und des Verschlußteils 14 (Fig. 1). In Fig. 15 tritt die Primärluft durch die Öffnungen 90 und 90', trifft auf die Leitflächen 91 und bekommt in der Kammer 89 eine Wirbelbewegung erteilt. Ein wirbelnder Luftstrom tritt von der Wirbelkammer 89 durch die Öffnung in der Strahlungsabschirmung 88 aus, die die Düse 95 umgibt. Ein Strom von flüssigem Brennstoff tritt durch den Kanal 92, den Durchgang 93 und die Kammer 94 und tritt aus der Düse 95 in einer im wesentlichen konischen Form aus. Dieser Brennstoff kommt mit dem Luftstrom in Berührung, v/obei der Luftstrom die Wirkung der Düse 95 bei der Zerstäubung des Brennstoffs unterstützt.

Die erfindungsgenäßen Brennkammern, bei denen Wärme von der Verbrennungssone abgeführt und in die Abschreckzone wieder ein-

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2281596

geführt wird, sind insbesondere für die Verwendung von Brennstoffen mit einem hohen Gehalt an aromatischen Bestandteilen ~ geeignet. Dies ist vollständig entgegengesetzt zu der herkömmlichen Praxis. Die ASTM-Bestimmungen für Luftfahrtturbinenbrennstoffe (Aviation Turbine !Fuels D 1655) beschränken die ^: Konzentration von aromatischen Bestandteilen sowohl für den JetA- als auch für den Jet B-Turbinenbrennstoff auf maximal 20$. Solche Brennstoffe haben einen Wasserstoffgehalt im Bereich von etwa 13»5 bis 14 Gewichtsprozent. Ein Grund für diese Einschränkung besteht in der Verringerung der Flammenabstrahlung und der Wärmeabgabe an die Wände der Brennkammer. Bei den Brennkammern gemäß der Erfindung ist dieses Problem jedoch durch das oben beschriebene Verfahren des Einleitens von drei getrennten Luftströmen zu der Brennkammer gelöst. Auf diese Weise ist die Verwendung von Brennstoffen mit hohem Gehalt an aromatischen Bestandteilen, die eine hohe Plammenabstrahlung besitzen, wünschenswert und vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, da die Emission von Stickstoffoxyden weiter verringert werden kann. Solche Brennstoffe haben einen Wasserstoffgehalt von weniger als 13,5 Gewichtsprozent, vorzugsweise von weniger als etwa 12 Gewichtsprozent.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung und ihre Vorteile weiter erläutern:

Beispiel I

Eine Seihe von Untersuchungen wurde mit Brennkammern gemäß der Erfindung und mit einer typischen herkömmlichen Brennkammer als Vergleichsbrennkammer durchgeführt. Bei allen diesen Untersuchungen wurde der gleiche Brennstoff verwendet. Die Eigenschaften des Brennstoffs sind in Tabelle I angegeben. Konstruktionseinzelheiten der Brennkammer gemäß der Erfindung sind in Tabelle II angegeben. Die Bildung von Stickstoffoxyden in einer Verbrennungζone ist eine Gleichgewichtsreaktion. Daher sollte bei der Konstruktion einer Verbrennungszone besondere Aufmerk-= samkeit auf deren Größe gerichtet werden,, .um ein unzulässiges Anwachsen der Aufenthaltsdauer in dieser Zone zu vermeiden.

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ist erwünscht, daß die Aufenthaltsdauer nicht lang genug : ε, um die bei der Bildung von Stickstoffoxyden auftretenden Reaktionen einen Gleichgewichtszustand erreichen zu lassen. In Tabelle II sind die Brennkammern durch eine Zahl gekennzeichnet, die dieselbe ist wie die Kummer der Figur der Zeichnung, in der diese dargestellt sind. Brennkammer Rr. 1 war im wesentlichen die in Fig. 1 dargestellte. Brennkammer Hr. i(a) war gleich der Brennkammer Kr. 1 mit der Ausnahme, daß die Rippen an dem Flammrohr abgewandelt waren, indem 3 mm Stäbe in Längsrichtung durch jede Reihe von Rippen 40 und jede Reihe von Rippen 42 angeordnet waren. Dies ergab einen geradlinigeren Weg durch den eingeschlossenen Bereich 18'. Brennkammer Nr. i(b) war gleich der Brennkammer ITr. 1(a) mit der Ausnahme, daß das Verschlußteil abgewandelt war, um einen flüssigen zerstäubten Brennstoff zu verwenden, und daß Verwirbelungsschaufeln verwendet wurden, um der durch dieses Yerschlußteil 14 zugeführten Luft eine schraubenförmige Verwirbelung zu erteilen. Brennkammer Hr. 7(a) war gleich der Brennkammer, die in Fig. 7 dargestellt ist, mit der Ausnahme, daß die Rippen an dem Flammrohr in der gleichen Weise abgewandelt waren wie bei den Brennkammern i(a) und i(b).

Die Vergleichsbrennkammer verkörpert im wesentlichen die grundsätzlichen Her lana Ie von Brennkammern, wie sie bei modernen Turbotriebwerken verwendet werden. Es ist eine dosenförmige GIeichstrorabrennkamner (straight-through can-type), die Brennstoffzerstäubimg durch eine einzige Simplex-Düse verwendet. Die Brennkammerauskleidung war aus einem 5 cm-Rohr hergestellt, an dem innere Ablenkrandstreifen angebracht waren, um eine Kühlung der der Flamme ausgesetzten Oberflächen durch einen Luftfilm zu erreichen. Die Abgasomission von dieser Brennkammer war bei Betrieb bei vergleichbaren Verbrennungsbedingungen im allgemeinen in Übereinstimmung mit iiessungen bei gegenwärtig erhältlichen Gasturbotriebwerken von verschiedener Bauart. Diese Vergleichsbrennkammer hatte Abmessungen, die im allgemeinen vergleichbar waren mit denen der oben beschriebenen Brennkammern gemäß der Erfindung.

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Jede dieser Brennkammern gemäß der Erfindung und die Vergleiehsbrennkaramer wurde bei zwölf Testpunkten oder Tesfbedingungen betrieben, das heißt bei zwölf verschiedenen Kombinationen von Einlaßlufttemperatur, Brennkammerdruck, Strömungsgeschwindigkeit und Wärmezuführmenge. Die Testpunkte oder Testbedingungen 1 bis simulierten Leerlaufbedingungen und die Testpunkte 7 bis 12 simulierten Bedingungen mit maximaler Leistung. Die Brennkammern gemäß der Erfindung wurden unter Verwendung eines vorverdampften Brennstoffs betrieben. Die Vergleichsbrennkammer wurde unter Verwendung eines zerstäubten Brennstoffs betriebene Bei allen Testläufen wurde der Luftstrom zu den Brennkammern durch herkömmliche Maßnahmen vorerhitzt. Analysen des Gehaltes an Stickstoffoxyden (als ITO bezeichnet), Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffen (als Kohlenstoff bezeichnet) in den Brennkammerabgasen wurden bei jeder Versuchsbedingung für jede Brennkammer durchgeführt. Die Stickstoffoxyde wurden durch das Saltzman-Verfahren bestimmt (Anal.Chem.26, Hr. 12, 1954? Seiten 1949 bis 1955). Das Kohlenmonoxyd wurde durch ein chromatographisches Verfahren gemessen. Die Kohlenwasserstoffe wurden durch das Verfahren von Lee und Wimmer (SAE Paper 680679) gemessen. Jeder gemessene, in die Luft abgegebene Stoff wird als kg/1000 kg der Brennkammer zugeführter Brennstoff angegeben. Die Ergebnisse aus den Testbedingungen 1 bis 6 sind in Tabelle III und die Ergebnisse von den Testbedingungen 7 bis 12 in Tabelle IV angegeben. Die in den Tabellen III und IV angegebenen Werte sind Mittelwerte von zwei Testläufen bei jeden Versuchsbedingungen.

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Tabelle I

Physikalische und chemische Eigenschaften	des Testbrennstoffs	0C
	Philjet A-50	171
ASTM Destillation		182
An fangs siede punkt		183
5 Vol.$ verdampft		188
10 VoI.# verdampft		191
20 VoI.^ verdampft		197
30 ΥόΙ,Ϋο verdampft		203
40 Vol.$ verdampft		209
50 YoI.<fo verdampft		218
60 Vol.$ verdampft		228 ,
70 Vol.# verdampft		238
80 Vol.# verdampft		246
90 YoI.fo verdampft		258
95 YoI.°/o verdampft
Endpunkt
Rest YoI.fo	0,8
Verlust Vol,#	0,0
Gewicht (API-Grad)	46,6
Dichte (g/cm5)	0,792
Nettοverbrennungswärme (cal/g)	10,370
Wasoerstoffgehalt Gew.$	14,2
Rauchpunkt mm	27,2
Schwefel Gew.c/	0,001
Harzrückstand mg/100 ml	0,0
Zusammensetzung Vol.?6
Paraffine	52,8
Oycloparaffine	34,5
Olefine	0,1
Aromatische Bestandteile	12,6
Formel (berechnet) (C14	Hoo)

Stöchiometrisches Verhältnis Brennstoff/Luft kg/kg

0,0676

309Θ26/03Β9

{Tabelle II Konstruktion der Brennkammer

Brennkammer-FTimmer

1 Ka) 7(a)

Verschlußteil — ——— ————

Lüfte inlaß,Durch-

messer(cm) 2.22 2.22 2.22 1*59

.Einlaßart Tangential langent. langent. Wirbel

Lochdurchmesser (mm) 4.88 4,88 6.35 '6.35

Anzahl d.Löcher 6 6 6

gesamte Lochfläche 1.07 1.07 1.91 1*91 (^)

i> ges.Brennkammer- 3.213 3.213 5.571 5.571

lochfläche

Brennstoffschlitz(mm) - - 0.127' Brennstoffdüse - - - ' Simplex

Sprühwinkel(Grad) - -

Brennstoffrohr 6.35 6_O35 - Durchmesser(mm)

Flammrohr

I.Stelle(34) ■ #

Lochdurchmesser 0.79x2.54 0.79x2.54 0.79x2.54 0„79x2.54 cm Gesamtzahl d.Löcher 8 8 8 Gesamtfläche der 16.1 I6.I 16.1 16*1 Löcher (cm2) ·

$> gesamte Brenn- _ 48.393 48.393 47.214 47.214 kammerlochfläche 2.Steile(38)

Lochdurchmesser, 0.79x2.54 0.79x2.54 0.79x2*54 0.79x2.54 cm Gesamtzahl d.Löcher Gesamtfläche der Löcher(em²) ^ io gesamte Brennkammerlochflache Brennkammerquer- ρ schnittsfläche (cm ) gesamte Brennkammerlochfläche (cm²) $> Querschnittsfläche

Brennkammerinnendurchmesser (cm) Primärζone Länge (cm)

Volumen (cm5) Brennkammerlänge(cm) Volumen (cm3)

* Die Löcher haben am Ende einen Durchmesser von O„79 cm» die Schlitze sind 2.54 cm lang_e

309 826/0359

8 16.1	8 16.1	8 16.1	8 16.1
48.393	48.393	47.214	47.214
21.6	21.6	21e6	21e6
33.4	33.4	34.2	34« 2
153.933	153.933	157.777	157*777
5.25	5.25	5.25	5.25
18.7 405 46.9 1015	18.7 405 46.9 1015	18.7 405 46.9 1015	18.7 405 46·9 1015

Tabelle III Vergleich der Emissionen der Brennkammern im Leerlauf

Brennkammer-Betriebsgrößen

Temperatur,Primäre Einlaßluft (⁰C)
Druck (mm Hg)
Geschwindigkeit,Kaltstrom (m/sec)

Eingangswärmemenge cal/g Luft

Stickstoffoxyde

Brennkammern Fr. Vergleichsbrennkammer ö Brennkammer 1(aj Brennkammer 7^ Brennkammer i(b, Brennkammer 1

Kohlenmonoxyde Brennkammern Nr,

Vergleichsbrennkammer C Brennkammer 1fa Brennkammer 7(a_< Brennkammer 1("b_d Brennkammer 1

Kohlenwasserstoffe

Brennkammern" Nr. Vergleichsbrennkammer C

Brennkammer (}

Brennkammer ,

Brennkammer i(b.

Brennkammer 1

Test-Bedingung

482 482 482 482 482

1270 1270 1270 1270 1270

76 76 122 122 122

153 195 111 153 195

kg/1000 kg Brennstoff

3.4	3.4	3.	2	2.2	2.1	9	2	.3
1.8	1.2	2.	2	1.6	1.2	9	1	.7
2.0	1.4	2.	4	1.4	1.4	6	1	.6
1.2	1.3	1.	0	1.0	0.7	15	1	.4
0.0	0.5	2.	,0	0.0	0.2	1.5	0	.2
	kg/K	300	kß	Brennstoff	Brennstoff
10	2	0		17		0
26.5	0	1.	.5	33.5		3
14	0	0		17		0
28	5.5	4,	.5	34		7
2	0	0		6		0
	kg/1000	kg

0.6 0.2 0.2 1.0 0.4 0.7
0.1
0.2
1.6
0.2

0.4
0.0
0.1
0.2
3.5

0.9
0.2
0.2
0.6
0.2

0.4 0.1 0.2 0.6 0.1

309826/0359

-23- !abelle IY

Vergleich, der Emissionen der Brennkammern "bei maxiisaler Leistung .

Br ennkammer-Be tri ebs großen

Temperatur, Primäre Einlaßluft (⁰C) Druck ( atm ) Geschwindigkeit,Kaltstrom (m/sec)

Eingangswärmemenge cal/g Luft

76 83

Test-Bedingung

11

1^ß7

122 83

122 125

593 593 593 593 3.67 3.67 3*67 3.67 3.67 3.67

76 -ιοί Ann -ino

Stickstoffoxyde

Brennkammern Nr.

Vergleichsbrennkammer C Brennkammer 1 (a) Brennkammer Brennkammer Brennkammer

Kohlenmonoxyde

Brennkammern Nr. Vergle ichsbrennkammer C

Brennkammer 1 (a]

Brennkammer 7(

Brennkammer 1(b] Brennkammer

Kohlenwasserstoffe

Brennkammern Nr, Vergle ichsbrennkanmier "TT" Brennkammer i(a' Brennkammer Brennkammer Brennkammer -kg/1000 kg Brennstoff

10.7	11.	2 10.0	9.	,9	8.0	7.4	0	0
2.9	2e	6 3.0	2«	,6	2e2	2.4	0	0
14.5	2«	6 2.8	19-,	,4	2.3	2.5	2.5	0
1.4	2.	0 2.5	2,	,0	1.8	2*2	6.5	1.5
0,0	0.	6 2»2	' 0,	,0	0.0	1.4	0	0
		kg/1000	k£	Brennstoff	Brennstoff
0	0	0	0
10	0	5	18
0	0	0	12,	.5
13.5	8	7	36
0	0	0	3
		te?/1000

0.1
0.1
0.2
0.2
0.3

0.2
0.1
0.1
0.2
0.2

0.2 0.2 0.2

0,4 0.6

0.2 0.2 0.2 0.2 0.9

0.2 0.1 0.1 0.2 0.5

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Die Ergebnisse zeigen klar, daß alle Brennkammern gemäß der Erfindung deutlich bessere Ergebnisse liefern als sie mit der Vergleichsbrennkammer erhalten werden. Insbesondere die Brennkammer ITr. 1 liefert hervorragende Ergebnisse bei praktisch allen Testbedingungen in Bezug auf die Stickstoffoxydemission, die der am schwierigsten zu kontrollierende Luftverschmutzungsstoff ist. Die Ergebnisse zeigen ebenso, daß alle erfindungsgemäßen Brennkammern im Leerlauf betrieben werden können, wobei sie nicht mehr als etwa 2 kg Stickstoffoxyde pro 100 kg verbranntem Brennstoff abgeben, und daß sie nicht mehr als etwa 3,5 kg Stickstoffoxyde pro 1000 kg verbranntem Brennstoff bei maximaler Leistung abgeben. Solche Betriebsbedingungen sind sehr vorteilhaft.

Beispiel II

Eine weitere Reihe von Testläufen wurde durchgeführt, wobei die Brennkammern 1 und i(b) des Beispiels I verwendet wurden. Bei diesen Läufen wurde die Eingangswärme (Brennstoffstrom)bei festbleibendem Luftstrom bei verschiedenen Kombinationen von Brennkammerdruck, Bezugsluftströmungsgeschwindigkeit und Einlaßlufttemperatur variiert. Jede Brennkammer wurde bei den Testbedingungen betrieben, die in !Tabelle V angegeben sind. Die Brennkammer Fr. 1 wurde unter Verwendung eines vorverdampften Brennstoffs betrieben. Die Brennkammer Nr. i(b) wurde unter Verwendung eines zerstäubten flüssigen Brennstoffs betrieben. Die Eigenschaften des in beiden Brennkammern verwendeten Brennstoffs sind in Tabelle I angegeben. Die Analysen für die Emissionsgehalte der Brennkammerabgase wurden wie in Beispiel I ausgeführt. Die Emissionadaten für diese Testläufe sind in den Tabellen VI und VII angegeben. Die Emissionsdaten in den Tabellen VI und VII sind Mittelwerte von zwei Läufen bei jeder Versuchsbedingung.

309826/0359

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cf

Hj Hj

ro ro

H VJl

Test-

Tabelle VI

Zusammenfassung der Emissionswerte von Brennkammer 1
Primär-Zone

"bedingung Aufenthalts- Äquivalenz Emissionen kf*/iöQO kg; Brennstoff

Nummer dauer msec verhältnis NO (als HO) CO HC(als G)

1 76.6 1.85 19.8 2 0.6

2 76.6 2.72 9.4 28 0.3

3 76.6 3.71 3.2 26 0.2

4 76.6 4.55 3.0 14 0.2

5 76.6 5.54 2.4 10 0.2

6 76.6 6.40 2.2 9 0·1

7 76.6 7.40 2.6 3 0.2

8 76.6 1.84 9.5 51 0.5

9 76.6 2.72 4.1 35 1.2

10 76.6 3.71 1.6 54 0.8

11 76.6 4.56 1.0 46 0.2

12 76.6 5.54 0.6 24 0.2

13 76.6 6.40 0.9 17 0.1 H 76.6 7.40 1.2 2 0.2

15 76.6 1.85 5.7 0 0.5

16 76.6 2.70 3.8 94 0.3

17 76.6 3.70 1.4 108 0.2

18 76.6 4.55 0.9 80 0.2

19 76.6 5.54 0.7 30 0.2

20 76.6 6.40 0.8 20 0·1

21 76.6 7.40 1.4 40 0.7

1.85	19.8
2.72	9.4
3.71	3.2
4.55	3.0
5.54	2.4
6.40	2.2
7.40	2.6
1.84	9.5
2.72	4.1
3.71	1.6
4.56	1.0
5.54	0.6
6.40	0.9
7.40	1.2
1.85	5.7
2.70	3.8
3.70	1.4
4.55	0.9
5.54	0.7
6.40	0.8
7.40	1.4
1.85	4.1
2.72	3.5
3.70	1.1
4.56	0.9
5.54	0.8
6.40	0.5
7.40	0.8
1.85	23.9
2.71	5.6
3.70	1.2
4.56	1.0
5.54	0.8
6.40	1.4
7.40	1.4
1.85	46.5
2.71	8.8
3.71	3.4
4.56	3.8
5.56	3.8
6.40	3.8
7.40	4.2

22 76.6 1.85 4.1 6 1.0

23 76.6 2.72 3.5 116 0.9

24 76.6 3.70 1.1 134 0.2

25 76.6 4.56 0.9 109 0.4

26 76.6 5.54 0.8 72 0.4

27 76.6 6.40 0.5 86 4.2

28 76.6 7.40 0.8 101 8.2

29 47.8 1.85 23.9 4 0.7

30 47.8 2.71 5.6 36 0.6

31 47.8 3.70 1.2 30 0.6

32 47.8 4.56 1.0 20 0.2

33 47.8 5.54 0.8 10 0.2

34 47.8 6.40 1.4 8 0.1

35 47.8 7.40 1.4 2 0.3

36 76.6 1.85 46.5 0 0.6

37 76.6 2.71 8.8 4 1.2

38 76.6 3.71 3.4 1 0.3

39 76.6 4.56 3.8 1 0.4

40 76.6 5.56 3.8 2 0.2

41 76.6 6.40 3.8 0 0.2

42 76.6 7.40 4.2 0 0.2

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Test-"be dingt
Ntuaraer

—' 27 —
gazelle VII 22o1596

Zusammenfassung der .Emissionswerte von Brennkammer 1 ("b) trimär-Zone

1 44.2

2 44.2

3 44.2

4 44.2

5 44.2

6 44.2

7 44.2

8 44.2

9 44.2

10 44.2

11 44.2

12 ^v 44.2

13 44.2

14 44.2

15 44.2

16 44.2

17 44.2

18 44.2

19 44.2

20 44.2

21 44.2

22 44.2

23 44.2

24 44.2

25 44.2

26 44.2

27 44.2

28 44.2

29 27.6

30 27.6

31 27.6

32 27.6

33 27.6

34 27.6

35 27.6

36 44.2

37 44.2

38 44.2

39 44.2

40 44.2 42 44.2 42 44.2

lältni 5	Ls M) (als NOJ	CO	O	7	HOCaIs C)
1*07	. 18.8	O'	112	0.5
1.57	7.0	32	122	0.3
2.14	5.7 .	14	76	0.4
2.63	2.1	6	28	0.1
3e19	1.9	2	10	0.1
3.70	2.2	2	4	0.2
4.26	2.0	1	10	0.0
1.06	9.4	4	191	0.5
1.57	3.9	77	232	0.3
2.14	1.4	53	153	0.1
2.63	1.4	22	107	0.5
3.20	1.5	7	50	0.2
3.70	1.6	2	26	0.2
4.27	1.8	7	Q.1
1.07	60?	50 -	0.5
1.56	2.8	22	0,3
2.13	1.6	1Ö	0.2
2.63	1.1	23	0.2
3.20	1.0	2	0.2
3.69	1.3	1	0.1
4.26	1.2	O	0.0
1.07	3.1	14	•1.4
1.57	1.4	10	0.5
2.13	1.1	4 '	0.3
2.63	1.2	1	0.2
3.20	0.9	2	Q.4
3.70	1.0	1	0.6
4.26	1.0	0.4
1.07	19.6	0.5
1.56	3.2	0.2
2.13	1.6	0.2
2.63	1.8	0.1
3.19	2.4	0.0
3.70	2.0	0.0
4.26	1.4	0.2
1.07	4.2	0.6
1.56	2.2	0.2
2.13	2.4	0.1
2.63	2.5	0.1
3.20	2.8	0.1
3.70	2.6	0.1
4.26	2.8	0,0

309826/0359

Die Ergebnisse zeigen, daß bei einer Abnahme der Temperatur der Einlaßluft zu der primären Verbrennungszone die Emission von KO abnimmt. Die Temperatur der Einlaßluft zu der zv/eiten Zone der Brennkammer (Einlaß an den Öffnungen 34) wurde nicht gemessen, aber sie näherte sich der Temperatur der Primärluft, die durch die Lufteinlaßkanäle 24 eingeleitet wurde. Die CO-Emission nahm bei einem Anwachsen der Temperatur der Einlaßluft zu der zv/eiten Zone der Brennkammer ab. Daher ist es, wie im folgenden diskutiert wird, bei einigen Ausftihrungsformen der Erfindung zu bevorzugen, daß die Temperatur der Sekundärluft, die der zweiten Zone der Brennkammer zugeführt wird, größer als die Temperatur xler Luft ist, die der primären Verbrennungszone zugeführt wird.

Die Ergebnisse zeigen ebenfalls, daß im allgemeinen ein Anwachsen des Brennkammerdruckes die Emission von FO erhöht, aber ein Anwachsen der Bezugsgeschwindigkeit die Emission von NO verringert. Im allgemeinen nimmt die NO -Emission mit einem Anwachsen des Äquivalenzverhältnisses in der primären Verbrennungszone (das heißt eine Anreicherung des Brennstoffgemisches) ab und läuft auf einen konstanten V/ert von geringer Höhe zu bei Anwachsen der zugeführten Eingangswärme. Die Äquivalenzverhältnisse wurden aus dem prozentualen Anteil der gesamten Brennkammerlochfläche für die Lufteinlaßkanäle 24 zu der primären Verbrennungszone berechnet. Dieser ist für die Brennkammern 1 und i(b) in Tabelle II angegeben. Im allgemeinen neigt die CO-Emission zu einem Spitzenwert bei mittleren Größen der zugeführten Eingangswärme, nimmt bei einem Anwachsen des Brennkammerdruckes ab und nimmt bei einem Anwachsen der Bezugsgeschwindigkeit zu.

Beispiel III

Eine weitere Reihe von Testläufen wurde durchgeführt, wobei die Brennkammer 1 des Beispiels I und fünf Abwandlungen hiervon, das heißt die Brennkammern i(c), i(d), i(e), i(f) und 1(g) verwendet wurden. Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 4 waren diese fünf abgewandelten Brennkammern im wesentlichen gleich der

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Brennkammer 1 mit Ausnahme des Durchmessers der Lufteinlaßkanäle 24. Die Konstruktionseinzelheiten dieser Brennkammern sind in Tabelle ¥111 angegeben.

Jede dieser Brennkammern wurde "bei zwölf Versuchsbedingimgen, das heißt bei zwölf verschiedenen Kombinationen von Einlaßlufttemperatur, Brennkammerdruck, Strömungsgeschwindigkeit und Eingangswärmemenge, betrieben wie im Beispiel I. Die Brennkammern wurden unter Verwendung des gleichen vorverdampften Brennstoffs betrieben wie in den Beispielen I und II. Die Betriebsbedingungen sind in der Tabelle IX aufgeführt. Die Analysen der Brennkammerabgase wurden wie in Beispiel I durchgeführt. Die Emissionswerte für diese Testläufe sind in Tabelle X aufgeführt. Diese Werte sind Mittelwerte von zwei Läufen für jede Testbedingung.

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Konstruktion der Brennkammer

Brennkammer-Hummer

4.	16	5.	35	5	.»5
6		6		6
0.	82	1.	35	1	.61

Kc) Kd) Ke) Kf)

Versohlußteil

Lufteinlaß.Durch-

messer (cm) 2.22 2.22 2.22 2.22

Einlaßart Tangential Tangential Tangential Tagential

Lochdurchmesser(mm) 3.17

Anzahl d.Löcher 6

gesamte Lochflache 0.48 (cm2)

% ges.Brennkammer-- 1.458 2.477 4.030 4.743

lochfläche
Brennstoffdüse - -

Sprühwinkel(Grad) - -

Brennstoffrohr, 6.35 6.35 6.35 6.35 Durchmesser mm

Flammrohr

I.Stelle (34)

Lochdurchmesser 0.79x2.54 cm 0.79x2.54 0.79x2.54 0.79x2.54 Gesamtzahl d.Löcher 8 88 8 Gesamtfläche der 16.1 16.1 .16.1 16.1

Löcher(cm2)

^gesamte Brenn- 49.271 48.761 47.985 47.628

kammerlochflache 2.Stelle(38)

Lochdurchmesser 0.79x2.54 cm 0.79x2.54 0.79x2.54 0.79x2.54

Gesamtzahl d.Löcher 8 Gesamtfläche der 16.1 Löcher (cm^)

56 gesamte Brenn- 49.271

kammerlochflache Brennkammerquer- ₂ 21.6 schnittsfläche(cm ) gesamte Brennkammer- 32.8 lochfläche (cm2)

$> Querschnittsfläche 151.119 Brennkammerinnendurch- 5.05 messer (cm)
Primärzone Länge (cm) 18.0

Volumen (cm3) 405 Brennkammerlänge(cm) 40.5

Volumen (cm3) 1015

8 16.1	8 16.1	8 16.1
48.761	47.985	47.628
21.6	21.6	21.6
33.1	33.6	33.9
152.771 5.05	155.244 5.05	156.406 5.05
18.0 405 40.5 1015	18.0 405 40.5 1015	18.0 405 40.5 1015

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- ZA -

Fortsetzung Tatelle VIII 2261596

Konstruktion der Brennkammer

Breimkammer-lTummer

Verschlußteil 1(g) 1(h). i(i) i(j)

Lufteinläß, Durch-

messer(cm) 2.22 2.22 2.22 1.59

Einlaßart Tangential Tangential Tangential Wirbel lochdurchmesser (mm)
Anzahl der Löcher
gesamte Lochflache
(^)

6. 6 1.	35 91	4. 6 1.	77 07	6. 6 1.	35 91	6.35 6 1.91
5.	571	3.	213	5.	571	5.571
-		-		-		Simplex 45

5& ges.Brennkammerlochfläche Brennstoffdüse Sprühwinkel(Grad)

Brennstoffrohr. . 6.35 6«35 6.35 Durchmesser(mm)

Flammrohr

I.Stelle(34)

lochdurchmesser 0.79x2.54 cm 0.79x2.54 0.79x2.54 0.79x2.54 Gesamtzahl d.Löcher 8 8 8 8 Gesamtfläche d. 16.1 16.1 16.1 16.1

Löcher (cm^)

$> gesamte Brenn- 47.214 48.393 47.214 47.214

kammerlochflache

2.Stelle(38)

Lochdurchmesser 0.79x2.54 cm 0.79x2.54 0.79x2.54 0.79x2.54

Gesamtzahl d.Löcher 8 8 8 8

Gesamtfläche d. 16.1 1.6.1 16.1 16.1

Löcher (cm²)

$ gesamte Brenn- 47.214 48.393 47.214 47.214

kammerlochiläche

Brennkamnerquer- 21,6 ^l 21.6 21.6 21.6 Bchnittsflache(cm²)

gesarate Brennkammer- 34.2 33.4 34.2 34.2 lochfläche(cm²) -

io Querschnittsfläche 157.777 153.933 157.777 157.777 Brennkammerinnendurch-

messer (cm) 5.05 5.05 ■ 5.05 5.05

Primärζone Länge(cm) 18.0 18.0 18.0 18.0

Volumen (cm/>) 405 405 405 405

Brennkammerlänge(cm) 40.5 40.5 40.5 40.5

Volumen (cm3) 1015 1015 1015 1015

30 9 826/0359

Tabelle IX

Tesfbedingungen

Brennkammern 1. i(o). 1(d), i(e)« i(f) und 1(*g)

Testbe- Primate Brenn- Kaltstrom Eingangs Luftstrom Brennstoff dingung Einlaß- kammer- bezugsge- wärme g/sec strom kg/h Nr. lufttem- druck pohwindig- cal/g peratur atm keitm/sec Luft ⁰C

1 2 3	482 482 482	1.67 1.67 1.67	76 76 > 76	111 153 195	129 129 129	4.95 6.80 8.66
4 5 6	482 482 482	1.67 1.67 1.67	122 122 122	111 153 195	206 206 206	7.94 10.9 13.9
7 8 9	593 593 593	3.67 3.67 3.67	76 76 76	83 125 167	248 248 248	7.12 10.7 14.3
10 11 12	593 593 593	3.67 3.67 3.67	122 122 122	83 125 167	396 396 396	11.44 17.2 22.8

309826/0359

..*.." "'■' ' /; Λ tabelle Σ ... ^: - $261596 : : -

• ■ . *

Zusammenfassung der.Emissionswerte der Brennkammern 1,1(c)...usw*

kammer
Hr.:

SCesfrbedingung Hummer

8. 9 Stickstoffoxyde, kg H0_v/lÖ0Q kg Brennstoff (als HO)

Kf)
Κθ)

2.2	0.8
0.6	1.6
0.9	.1.6
1.2	1.6
0.8	1.2

2.\ 2.S 3.2 2.0 2.4

1.2
0.6

1.4
0.8
0.6

1.3
1.2
1.2

1.2
1.4

2.3 2.4 3.1 2.0 1,8 2.2

9.8 2.9 2.0

2.4 2.0 2.8

25 2.4 2.3 2.8 2.0 3.6

1.8

2.7

2.9

3.4

β'.Ο

13.0 2.6 2.4 2.5 2.0

2.5

2.2 •2.2 1.7 2.4 1.8

2.9

2.0 3.9 3.4 3.3 3.2 4.8

Kohlenmonoxyd, Teg CQ/1000 kg Brennstoff ·

Κε)	38	0.4	10	4	47	12	0.0	0.4	0.2	10	8	0.1	2 '	2	•12	Aufenthaltsdauer, msec	27.5	27.5	44.2	44.2	0.1	0.2	5	1	•	27.6
If Ko)	32	0.2	7	8	28	3Λ	0.1	0.2	0.1	d	8 ·	0.2	0	0	.12 '	27.5	32.3	32.3	51.9	51.9	0.1	0.2		ί 0-	32.4
1	60 .	0.4	18	6	47	33	0.0	0.2	0.8	12	9	.0.2	2	0	17	32.3	33.1	38.1	61.0	61.0	0.1	0.3	.· 2	0 .	38.2
Kd)	56	0.2	• 26	8	50	33	0.1	0.2	0.1	14	7	0.1	2	2	16	38.1	47.7	47.7	76.6	76.6	0.1	0.2	4	0	47.8
	32	0.2	24	•14	43	56	0.0	0.3	0.3	17 .	11	0.2	2	0.	17 .	47.7	61.9	61.9	99.3	99.3	0.1	0.2	4	O *	62.1
	. 48	1.1	24	20	77	76	0.6	1.8	0.8	12 ..	10	0.4.	2	0	20	61.9	105.2	105.2	168.7	168.7	0.1	0.2		1	1.05.5
Κε)	*		Kohlenwasserstoff,		kg HC/1000	kj* Brennstoff	105.2	Äquivalenzverhältnis,	t ß			(als	σ) .
Kf)	44.1	0.1	44.1	0.2	0.1	44.2	27.6	0.1	0.1
Ko)	51.8	0.1	51.8	0.0	0.1	51.9	32.4	0.1	0.1
	61.0	0.2	61.0	0.2	0.2	61.0	38.2	0.2	0.1
h	76.5	0.1	76.5	0.1	0.1	76.6	47.8	0.1	0.2
	99.2	0.2	99.2	0.0	0.5	99.3	62.1	0.1	0.1
	168.6	0.6	168.6	0.1	0.2	168.7	105.5	0.2	. 0.1
Ke)
	44.1	27.6
Kd)	51.8	32.4
	61.0	38.2
• *	76.5	47.8
99.2	62.1
168.6	105.5

2.83
3.32
3.92
4.91
6.38

3.89
4.58

5.38
6.75

4.96
5.82
6.85
8.60

8.75 11.20

2,84
3.33
3.92
4.91
6.38

3.90 4.59 5.40 6.78

8.80 11.20

2.12 2.49 2.93 3.68

4.77

3.19 3.75 4.42 5.54 7.18

4.26 5.01 5.89 7.40 9.60

2.13 2.50 2.95 3.70

4.79

3.19 3.75 4.42

5.54 7.18

4.26 5.01 5,89 7.40 9.60

10.80 14.94 18.96 10.88 14.94 18.96 8.13 12.22 16.25 8,13 12.22 16.25

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Die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen, daß praktisch alle erhaltenen Emissionswerte für Η0_χ bei den durchgeführten Läufen gute niedrige Werte waren. Sie Ergebnisse zeigen ebenfalls, daß im allgemeinen die CO-Emission abnimmt bei einem Anwachsen der züge führten Eingangswärme, wenn die Einlaßlufttemperatur, der Brennkammer druck und die Bezugsgeschwindigkeit festgehalten werden, daß die CO-Emission abnimmt mit einer Zunahme der Einlaßlufttemperatur und mit einer Zunahme des Brennkammerdrucks und daß die CO-Emission zunimmt mit einer Zunahme der Bezugsgeschwindigkeit·

Beispiel IV

Eine weitere Reihe von Testläufen wurde durchgeführt, wobei drei zusätzliche Brennkammern i(h), i(i) und 1(j) verwendet wurden· Bie Brennkammer 1(h) war im wesentlichen gleich der Brennkammer 1 des Beispiels I. Bie Brennkammer i(i) war eine Abwandlung der Brennkammer 1 und war im wesentlichen gleich der Brennkammer i(g) des Beispiels III. Bie Brennkammer 1(3) war eine Abwandlung der Brennkammer 1 und war im wesentlichen gleich der Brennkammer i(b) des Beispiels I.

Jede dieser Brennkammern wurde bei zwölf Testbedingungen betrieben, das heißt bei zwölf verschiedenen Kombinationen von Einlaßlufttemperatur, Brennkammerdruck, Strömungsgeschwindigkeit und Eingangswärmemenge, wie in Beispiel I. Die Brennkammern wurden unter Verwendung desselben Brennstoffs wie in den anderen Beispielen betrieben. Die Brennkammern i(h) und 1(i) wurden unter Verwendung eines vorverdampften Brennstoffs betrieben, während die Brennkammer 1(3) unter Verwendung eines zerstäubten flüssigen Brennstoffs betrieben wurde· Die Betriebsbedingungen waren die gleichen wie für die Versuchsläufe des Beispiels III und sind in der Tabelle IX angegeben. Die Analysen der Brennkammerabgase wurden in derselben Weise durchgeführt wie bei den übrigen Beispielen. Die Emissionswerte, die Mittelwerte von zwei Läufen bei jeder Testbedingung sind, sind in der Tabelle XI aufgeführt.

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Tabelle XI

Zusammenfassung der Emissionswerte der Brennkammern Kh), Ki) und Kd)

	Emission	Ki)	' Kd)	kg/1000 kg	Brennstoff	Ki)	Kd)	HC(als C)	Ki)	Kd)
	NOx(als NO)	0.8 1.2 1.0	1.3 0.6 1.0			112 23 3	104 16 3	Brennkammer Nr.	1.0 1.4 0.2	0.6 0.1 0.0
Bedingung	Brennkammer Nr·	0.3 Q.3 0.6	1.1 0.8 0.4	CO	Brennkammer Nr.	162 85 28	156 40 7	Kh)	0.6 1.4 0.2	CMCJCJ ... OOO
Nummer	Kh)	1.6 1.8 1.8	24.1 2.0 2.0	Kh)	50 10 4	CTkC-O CM	0.2 0.2 0.1	0.6 0.2 0.2	0.4 0.2 0.1
1 2 3	1.0 1.2 1.6	1.4 1.4 1.8	22.8 1.9 1.6	82 18 17	86 22 2	43 17 O	0.4 0.4 0.1	0.4 0.2 0.1	0.6 0.2 0.1
4 5 6	1.2 0.9 0.8	COOC- T-C-		0.2 0.2 0.1
7 8 9	3.2 2.9 2.4	35 6 2		0.2 0.2 0.1
10 11 12	3.2 2.2 2.8	32 12 3

Im allgemeinen "bestätigen die Werte der Tabelle XI die Werte, die in Tabelle X angegeben sind.

Bei den obigen Beispielen war der Brennstoff für die erfindungsgemäßen Brennkammern, außer bei den Brennkammern i(b) und Kd), vorverdämpft. Die Erfindung ist d eel och. nicht auf die Verwendung von vorverdampften Brennstoffen beschränkt. Es können ebenso im Eahmen der Erfindung zerstäubte flüssige Brennstoffe verwendet werden. Zu Vergleichszwecken wurden alle in dem obigen Beispiel I angegebenen Testläufe unter den Bedingungen der Einlaßlufttemperatur, des Brennkammerdrucks, der Strömungsgeschwindigkeit und der Eingangswärmemenge durchgeführt, die in den Tabellen III, IV, V und IX aufgeführt sind. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die angegebenen Werte dieser Größen beschränkt. Erfindungsgemäß können die Brennkammern unter irgendwelchen Bedingungen betrieben werden, die die erfindungsgemäßen

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verbesserten Ergebnisse liefern· Zum Beispiel können im Rahmen der Erfindung die Brennkammern bei Einlaßlufttemperaturen im Bereich, von der Umgebungstemperatur oder niedriger bis etwa 616⁰C oder höher betrieben werden. Die Brennkammerdrucke können im Bereich von etwa 1 bis etwa 40 Atmosphären oder höher liegen· Die Strömungsgeschwindigkeiten können im Bereich von etwa 0,3 bis 153 m/sec oder höher liegen. Weiter können die Eingangswärmemengen im Bereich von etwa 17 bis 670 cal/g Luft liegen. Allgemein werden die Betriebsbedingungen in den erfindungsgemäßen Brennkammern davon abhängen, wo die Brennkammer verwendet wird. Wenn die Brennkammer zum Beispiel in einer Hochdruckturbine verwendet wird, werden höhere-Drucke und höhere Einlaßlufttemperaturen in der Brennkammer verwendet werden. Die Erfindung ist daher nicht auf irgendwelche bestimmten Betriebsbedingungen beschränkt. Bei einem bevorzugten Betriebeverfahren der erfindungsgemäßen Brennkammern sind der erste und der zweite Luftstrom verhältnismäßig kühl (im Vergleich zu dem dritten Luftstrom) und haben im wesentlichen die gleiche Temperatur, Der dritte Luftstrom wird in vielen Fällen vorzugsweise auf eine Temperatur erwärmt, die im Bereich von etwa 55 bis 280⁰C größer ist als die Temperatur des ersten und des zweiten Luftstroms·

Bei einer anderen bevorzugten Betriebsweise der erfindungsgemäßen Brennkammern kann die Temperatur des zweiten Luftstroms etwa 55 bis 280⁰C größer sein als die Temperatur des ersten Luftstroms· Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann der dritte Luftstrom, falls dies für die günstigsten Ergebnisse erwünscht ist, eine Temperatur haben, die etwa 55 bis 28O⁰C größer als die Temperatur des ersten Luftstroms oder des zweiten Luftstroms ist.

Die relativen Volumina des ersten, zweiten und dritten Luftstroms hängen von den anderen Betriebsbedingungen ab. Im allgemeinen wird das gemeinsame Volumen des ersten Luftstroms und des zweiten Luftstroms einen kleineren Bruchteil der gesamten der Brennkammer zugeführten Luft, das heißt weniger als etwa 50 Volumen-^, sein, wobei der erste Luftstrom im Bereich bis etwa 25 Volumen-^ und der zweite Luftstrom im Bereich bis etwa 24 Volumen-$6 liegt. Das Volumen des dritten Luftstroms ist dabei der größere Anteil der gesamten der Brennkammer zugeführten Luft,

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- n-

zum Beispiel mehr als etwa 50 Volumen-^·

Bei einem "bevorzugten Durehführungsverfahren der Erfindung wird die primäre Verbrennungszone vorzugsweise brennstoffreich in Bezug auf die dieser Zone zugeführte Primärluft betrieben· Das Äquivalenzverhältnis in der primären Verbrennungszone ist daher vorzugsweise größer als das stöchiometrische Verhältnis, Bei dieser Betriebsweise ist die zweite Zone (sekundäre Verbrennungszone) der Brennkammer vorzugsweise brennstoffarm in Bezug auf irgendwelchen unverbrannten Brennstoff und die Luft, die von der Primärzone in diese zweite Zone eintreten, und in Bezug auf irgendwelche zusätzliche Luft, die dieser zweiten Zone zugeführt wird. Daher ist das Iquivalenzverhältnis in der zweiten Zone vorzugsweise kleiner als das stöchiometrische. Dieses Betriebsverfahren wird bevorzugt, wenn es erwünscht ist, sowohl eine geringe NO- als auch eine geringe CO-Emission von der Brennkammer zu erhalten· Im allgemeinen ist es bevorzugt, daß der Übergang von dem brennstoffreichen Zustand in der primären Verbrennungszone zu dem brennstoffarmen Zustand in der sekundären Zone so schnell wie möglich bewirkt wird. Obwohl es gegenwärtig bevorzugt wird, daß die primäre Verbrennungszone brennstoffreich betrieben wird, wie es beschrieben wurde, liegt es im Rahmen der Erfindung, die primäre Verbrennungszone brennstoff arm zu betreiben.

Bei der praktischen Verwendung der Erfindung zum Beispiel in Brennkammern mit niedrigem Kompressionsverhältnis, zum Beispiel mit einem !Compressionsverhältnis bis etwa 5, kann das Äquivalenz verhältnis in der primären Verbrennungszone einen solchen Wert haben, daß der ITO -Emissionswert in den Abgasen von der Brennkammer nicht größer als etwa 5 kg, vorzugsweise nicht' größer als etwa 3»5 kg, pro 1000 kg in der Brennkammer verbranntem Brennstoff ist. Vorzugsweise ist das Iquivalenzverhältnis wenigstens 1,5, mehr zu bevorzugen ist wenigstens 3,5, je nach den anderen Betriebsgrößen oder Parametern, zum Beispiel der Temperatur der Einlaßluft zu der Primärverbrennungszone ·

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Die NO -Emissionswerte, die in den vorhergehenden Abschnitten angegeben wurden, können größer als die dort angegebenen Werte sein, wenn Hochleistungsbrennkammern betrieben werden, wie zum Beispiel Brennkammern mit einem mittleren Kompressionsverhältnis, die ein Kompressionsverhältnis von etwa 5 bis 15 Atmosphären haben, und Brennkammern mit einem hohen Kompressionsverhältnis, die ein Kompressionsverhältnis von etwa 15 bis etwa 40 Atmosphären haben, die bei Strahltriebflugzeugen und anderen Hochleistungsmaschinen verwendet werden. Die HO -Emission von solchen

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Hochleistungsbrennkammern oder Brennkammern mit hohem Kompressionsverhältnis ist natürlich höher als die HO -Emission von Brennkammern mit niedrigem Kompressionsverhältnis. Daher können stark verbesserte Ergebnisse bei der Verringerung der NO -Emission von einer Hochleistungsbrennkammer erhalten werden, ohne daß notwendigerweise die NO -Emission auf denselben Wert verringert wird, wie er für eine Brennkammer mit geringer Leistung erhalten würde·

Der hier verwendete Ausdruck "Iquivälenzverhältnis¹¹ für eine bestimmte Zone ist definiert als das Verhältnis des Brennstoffstromes (zur Verfügung stehender Brennstoff) zu dem Brennstoff, der theoretisch für eine vollständige stöchiometrische Verbrennung mit der zur Verfügung stehenden Luft erforderlich ist·

Die in den Beispielen angegebenen Werte zeigen, daß die Temperatur der Einlaßluft zu der primären Verbrennzungszone eine wichtige Betriebsgröße sein kann, aber die Erfindung ist nicht auf irgendeinen bestimmten Bereich oder einen Wert dieser Einlaßlufttemperatur beschränkt. Werden jedoch die gegenwärtig in der Praxis zur Verfügung stehenden Baumaterialien berücksichtigt, so liegt in den meisten Pällen eine praktische obere Grenze für die Primärlüfteinlaßtemperatur bei etwa 650 bis 82Q⁰C.

Bei der Berücksichtigung anderer praktischer Gesichtspunkte, wie zum Beispiel daß der Kompressorauslaßstrom nicht gekühlt werden muß, liegt eine praktische untere Grenze bei etwa 90 bis 200⁰G.

Die Werte in den Beispielen zeigen ebenfalls, daß die Temperatur

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der 2STi der zweiten Zone der Verbrennung zugeführten Luft (Sekundärluft) eine wichtige Betriebsgröße oder ein wichtiger Parameter sein kann, insbesondere wenn niedrigere Temperaturen der Primäreinlaßluft verwendet werden, und es erwünscht ist,

einen geringen CO-Emissionswert und ebenso einen geringen HO -Emissionswert zu erhalten· Diese Werte· zeigen, daß sowohl geringe NO -Emissionswerte als auch geringe CO-Emissionswerte erhalten werden können, wenn die Temperatur der Einlaßluft sowohl der primären Verbrennungszone als auch zu der sekundären Verbrennungszone der Brennkammer wenigstens etwa 480⁰C beträgt.· Wenn die Temperatur der Einlaßluft zu diesen Zonen abnimmt, werden-zunehmend geringere Werte für die ITO -Emission erhalten, aber es wird schwieriger, die wünschenswerten niedrigen CO-Emissionswerte zu erhalten. In einigen Eällen ist es zu be-. Vorzügen, daß die Temperatur der Einlaßluft zu der primären Verbrennungszone nicht größer als etwa 37O⁰C ist. Daher ist es bei einigen Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt, daß die Temperatur der Sekundärluft, die zu der zweiten Zone der Brennkammer zugeführt wird, größer als die Temperatur der Primärluft ist, die zu der primären Verbrennungszone zugeführt wird. Zum Beispiel ist es in solchen Fällen je nach der Temperatur der Einlaßluft zu der primären Verbrennungszone vorteilhaft, wenn die Temperatur der Einlaßluft zu der Sekundärzone in einem Bereich liegt, der etwa 55 bis 280⁰C größer als die Temperatur der Primäreinlaßluft ist₀ Die in den Pig. 13 und 14 dargestellten Brennkammern sind besonders geeignet, um erwärmte Sekundärluftströme über die röhrenförmigen Kanäle 36 einzuleiten.

Gegenwärtig bevorzugte Bereiche für die anderen Betriebsgrößen sind: Eine Eingangswärme von etwa 17 bis 280 cal/g der Brennkammer zugeführte Gesamtluft; ein Brennkammerdruck von etwa 3 bis 10 Atmosphären und eine Bezugsluftgeschwindigkeit von etwa 15 bis 76 m/see.

Es wurde hier auf die Kraftfahrzeugabgasrichtlinien Bezug genommen, die durch die Umweltschutzbehörde der Vereinigten Staaten für 1975 bis 1976 festgesetzt wurden. Diese Richtlinien

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oder angestrebten Werte sind auf die Brennkammern von Gasturbinenmascliinen folgendermaßen bezogen, wobei ein Brennstoffverbrauch von 2316 1/100 km und ein 0,780 g/cm JP-4 Brennstoff angenommen wurdeι

Kriterien für die Emissionswerte

In die Luft abge- Fahrzeug gemäß der Richtwert für Gasgebener Stoff Umweltschutzbehörde turbinenmaschine

Richtwert, g/km kg/1000 verbrannter

Brennstoff

Stickstoffoxyde 0,25 (als NOp) 0,9 Kohlenmonoxyd 2,1 11,8 Kohlenwasserstoffe 0,25 (als Hexan) 1,2 (als Kohlen-Feststoff bestand- 0,02 0,1 stoff) teile

Die in den obigen Beispielen angegebenen Werte zeigen, daß die Erfindung Emissionswerte möglich macht, die die obigen Richtlinien oder Zielwerte erreichen. Ohne die Erfindung einzuschränken, wird angenommen, daß praktische Maximalrichtwerte für Gasturbinenmaschinen mit niedrigem Kompressionsverhältnis in der Größenordnung von 5 kg für NO , 25 kg für CO und 2 kg für Kohlenwasserstoffe jeweils pro 1000 kg verbranntem Brennstoff liegen dürften.

Der Ausdruck "Luft" wird hier allgemein der Einfachheit halber verwendet und soll Luft und andere die Verbrennung unterstützenden Gase umfassen.

Auch wenn die Erfindung in einigen Beispielen insbesondere unter Bezugnahme auf Brennkammern beschrieben wurde, die in Verbindung mit Gasturbinenmaschinen verwendet werden, ist die Erfindung nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt. Die Brennkammern gemäß der Erfindung sind auch für andere Anwendungszwecke nützlich, zum Beispiel für Dampfkessel und andere ortsfeste Kraftanlagen.

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Claims (11)

Patentansprüche

1. /Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffes in einer Brennkammer, "bei dem ein erster luftstrom in eine primäre Verbrennungszone der Brennkammer eingeleitet wird, der Brennstoff in diese primäre Verbrennungszone eingeleitet wird, und der Brennstoff verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Luftstrom getrennt von dem ersten Luftstrom in eine zweite Zone der Brennkammer, die sich stromab von der primären Verbrennungszone befindet, eingeleitet wird, daß ein dritter Luftstrom getrennt von dem ersten und dem zweiten Luftstrom in indirektem Wärmeaustausch mit.der primären Verbrennungszone geführt wird, um Wärme von dem Inneren der primären Verbrennungszone abzuführen und diese Luft zu erwärmen, und daß dieser so erwärmte dritte Luftstrom in eine dritte Zone der Brennkammer, die sich stromab von der zweiten Zone befindet, eingeleitet wird.

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Luftstrom eine Temperatur besitzt, die im wesentlichen gleich der des ersten Luftstroms ist, und daß der dritte Luftstrom eine Temperatur besitzt, die wesentlich größer als die Temperatur des ersten und des zweiten Luftstroms ist·

3. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des zweiten Luftstroms 55 bis 280⁰G größer als die Temperatur des ersten Luftstroms ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des ersten Luftstroms nicht größer als 371⁰C ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das iquivalenzverhältnis in der primären Verbrennungszone größer als das

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stöchiometrische und in der sekundären Verbremrangszone kleiner als das stöchiometrische Verhältnis ist.

6. Brennkammer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Flammrohr, einem Lufteinlaß zum Einleiten eines ersten Luftstroms in den stromauf liegenden Endabschnitt des Flammrohres, mit einem Brennstoffeinlaß zum Einleiten eines Brennstoffs in den stromauf liegenden Endabschnitt des Flammrohres, mit wenigstens einer öffnung in der Wand des Flammrohres an einer ersten Stelle zwischen dessen stromauf liegendem und stromab liegendem Ende, und mit wenigstens einer anderen Öffnung in der Wand des Flammrohres an einer zweiten Stelle stromab von der ersten Stelle, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal (36) mit jeder öffnung (34) an der ersten Stelle, aber mit keiner der Öffnungen (38) an der zweiten Stelle in Verbindung steht, um einen zweiten Luftstrom getrennt von dem ersten Luftstrom in das Innere des Flammrohres zu leiten, und daß ein Kanal (18¹) mit jeder Öffnung (38) an der zweiten Stelle, aber mit keiner der Öffnungen an der ersten Stelle in Verbindung steht, um einen dritten Luftstrom getrennt von dem ersten und dem zweiten Luftstrom in das Innere des Flammrohres zu leiten.

7. Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine undurchbohrte Hülse (30) einen stromauf liegenden Abschnitt des Flammrohres (12) umgibt und sich von diesem in einem Abstand befindet, um in Längsrichtung einen stromauf liegenden Abschnitt einer ersten ringförmigen Kammer (18) einzuschließen und eine zweite ringförmige Kammer (19) zwischen dieser Hülse und dem Außengehäuse (16) zu bilden, daß eine Prallfläche (37) an der Innenwand des Gehäuses und dem stromab liegenden Ende der Hülse befestigt ist, um das stromab liegende Ende dieser zweiten ringförmigen Kammer zu verschließen, und daß wenigstens ein röhrenförmiger Kanal (36) sich von dieser zweiten. ringförmigen Kammer (19) in Verbindung mit der Öffnung an der ersten Stelle in der Wand des Flammrohres erstreckt.

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8. Brennkammer nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeaustauschrippen (40, 42) an der äußeren Wand oberfläche des Flammrohres in dem Bereich, der durch die Hülse umgeben wird, angebracht sind und sich in den Bereich der ersten ringförmigen Kammer erstrecken, der durch die Hülse eingeschlossen wird,

9. Brennkammer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verschlußteil (46) an dem stromauf liegenden Ende des Flammrohres angebracht ist, daß der Lufteinlaß eine im allgemeinen zylindrische Verwirbelungskammer (52) umfaßt, die in dem Verschlußteil ausgebildet ist, daß das stromab liegende Ende dieser Verwirbelungskammer in offener Verbindung mit dem stromauf liegenden Ende des Flammrohres steht, und daß eine Zuführeinrichtung-(54), um einen Luftstrom in diese Verwirbelungskammer tangential in Bezug auf deren Innenwand einzuleiten, vorgesehen ist.

10. Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußteil ein stromauf liegendes Element (48), in dem die Verwirbelungskammer ausgebildet ist, und ein stromab liegendes Element (50), in dem ein Expansionsdurchgang ausgebildet ist, umfaßt, wobei die Innenwand des stromab liegenden Elements sich in einem Abstand von der stromab liegenden Endwand des stromauf liegenden Elements befindet und in der Gestalt komplementär zu dieser stromab liegenden Endwand ist, um einen Brennstoffdurchgang (60) zwischen der Innenwand des stromab liegenden Elements und der stromab liegenden Endwand des stromauf liegenden Elements zu bilden, und daß dieser Brennstoffdurchgang mit dem Brennstoffeinlaß (56) in Verbindung steht und einen Teil von diesem bildet.

11. Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffeinlaß eine Vielzahl von Kanälen (76) umfaßt,die tangential durch den stromab liegenden Endabschnitt des Verschlußteils (64) verlaufen, der an das stromab liegende Ende der Verwirbelungskammer angrenzt.

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