DE2460709A1

DE2460709A1 - Brennkammer fuer gasturbinen

Info

Publication number: DE2460709A1
Application number: DE19742460709
Authority: DE
Inventors: Robert Darrell Anderson
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1974-02-04
Filing date: 1974-12-18
Publication date: 1975-08-07
Also published as: SE393839B; FR2259989A1; DE2460709C2; FR2259989B1; US3859787A; JPS50140716A; SE7500960L; CA1013153A; JPS5825931B2; GB1467499A; IT1026493B

Description

W/Vh-3089

General Motors Corporation, D e t r ο i t, Mich., V.St.A.

Brennkammer für Gasturbinen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für Gasturbinen mit einem Flammrohr, dessen Mantelfläche vom stromaufwärtigen Ende beginnend eine Vorkammer, eine Brennzone und eine Zumischzone begrenzt und mit einem stromabwärtigen Auslass für Treibgase endet, wobei die Vorkammer am stromaufwärtigen Ende einen Einlass für Luft aufweist, die mit erheblicher Geschwindigkeit längs der Innenwandung der Vorkammer strömt, und stromabwärts des Lufteinlasses eine Brennstoffzuführeinrichtung vorgesehen ist, die an der Innenwandung einen flüssigen Brennstoffilm bildet.

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Die Erfindung ist vorwiegend, darauf gerichtet, die Brennkammer so auszugestalten, dass eine vollständige Verbrennung über verhältnismässig weite Bereiche der Luft- und Brennstoffzufuhr erreicht werden und das Ausstossen von unvollständig verbranntem Brennstoff und die Bildung von Stickoxiden kleinstmöglich gehalten werden.

In den Vereinigten Staaten von Amerika sind regierungsseitig Normen über den Ausstoss von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden bei Kraftfahrzeugen erlassen worden, um die Umweltverschmutzung zu verringern. Diese Normen, die 1977 Gesetzeskraft erhalten, sind äusserst streng. Für die Überwachung der Einhaltung dieser Normen sind Vorschriften über Prüfverfahren erlassen worden, bei denen ein Kraftfahrzeug einem besonderen Betriebsverlauf unterzogen wird, in welchem Anlaufen der Antriebsmaschine, Beschleunigungen und Verzögerungen und Betrieb bei verschiedenen Geschwindigkeiten nach einem festen Programm durchgeführt werden, um die Verhältnisse im Stadtverkehr zu simulieren.

Die nach den Lehren der Erfindung aufgebaute Brennkammer wurde in dieser Weise geprüft und konnte die neuen Normen, die 1977 Gesetzeskraft erhalten, voll erfüllen.

Es ist seit langem bekannt, mit Erfolg Gasturbinen brennkammern zu bauen, wobei die anfänglichen Ziele darauf

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gerichtet waren, einen zuverlässigen Betrieb, einen guten Wirkungsgrad, hohe Standfestigkeit, geeignete Auslasstemperatüren der Treibgase und eine gedrängte Bauwelse zu erzielen. Es ist verhältnismässig einfach, übliche Brennkammern so auszugestalten, dass ein geringer Anteil von unverbranntem und teilverbranntem Brennstoff in Form von Kohlenmonoxid oder unverbrannter Kohle in den Abgasen enthalten ist. Jedoch arbeiten die üblichen Brennkammern mit verhältnismässig hohen Temperaturen, so dass eine erhebliche Bildung von Stickoxiden eintritt. Verschiedene Versuche sind unternommen worden, um den Anteil an Stickoxiden zu verringern, jedoch hat die Erfahrung gezeigt, dass hierzu geeignete Massnahmen, wie Verringerung der Verweilzeit in der Brennzone und Herabsetzung der Höchsttemperatur in der Brennzone sowie ein frühes Abkühlen der Treibgase nach der Verbrennung zu einem Anstieg des Anteils an unvollständig verbranntem Brennstoff führt.

Das Schaffen einer Brennkammer mit geringen schädlichen Anteilen in den Abgasen wird dadurch erschwert, dass ein weiter Leistungsbereich bei dem Einsatz als Antriebsmaschine für Kraftfahrzeuge erforderlich ist, der sich vom Leerlauf bis zur Volleistung erstreckt, wobei auch verhältnismässig reine Abgase beim Anlassen derkalten Antriebsmaschine gefordert werden müssen. Eine hohe Temperatur der Brennluft bei mit Luftvorwärmung arbeitenden Antriebsmaschinen unterstützt

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die Bildung von Stickoxiden.

Bei der vorliegenden Erfindung sind mehrere Verbesserungen bezüglich der Brennkammer vorgesehen worden, die insgesamt zusammenwirken, um die durch die neuen Normen gegebenen Grenzen einzuhalten. Das Ausführungsbeispiel enthält mehrere derartiger Verbesserungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkammer der eingangs erwähnten Art so weiter auszugestalten, dass im wesentlichen reine Abgase erzielt werden, indem eine verbesserte Verdampfung und Einmischung des Brennstoffes in die Brennluft bewirkt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Innenfläche der Vorkammer gemustert ausgebildet ist, indem ein Gitter von zwei Sätzen sich schneidender Nuten und zwischen diesen verbleibenden Vorsprüngen gebildet wird, die den Strom des zugeteilten Brennstoffs längs der Innenwand führen, wobei der Brennstoff in den vorbeiströmenden Luftstrom verdampft.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorge- , sehen, dass die Nuten in der Innenfläche der Vorkammer mit J einem Winkel von etwa 45° zur Achsrichtung der Vorkammer geneigt

verlaufen. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Vorsprünge zwischen den Nuten im wesentlichen rechteckige Form aufweisen.

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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Brennkammer für eine Gasturbine mit zum Teil weggeschnittenen und zum Teil geschnittenen Teilen, Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Flammrohr der

Brennkammer gemäss Fig. 1,

Fig. 3 eine Stirnansicht auf das stromaufwärtige Ende des Flammrohrs nach der Linie 3-3 in Fig. 2 gesehen,

Fig. 4 einen Querschnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 2, Fig. 5 einen Teillängsschnitt durdh die Vorkammer in

grosserem Maßstabe,

Fig. 6 einen Teilschnitt nach der Linie 6-6 in Fig. 5, Fig. 7 einen Teilschnitt nach der Linie 7-7 in

Fig. 5, .

Fig. 8 eine Teilansicht auf die Innenwandung der Vorkammer mit einer gemusterten Oberfläche, Fig¹! 9 einen Schnitt nach der Linie 9-9 in Fig. 8, Fig.10 eine Teilansicht auf die Vorkammerwand, Fig.11 eine graphische Darstellung über die Luftverteilung und

Fig.12 einen Teilschnitt durch eine abgewandelte Bauform der Brennkammer. .

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Gemäss Fig. 1 weist eine Gasturbine 2 ein

Gehäuse 3 auf. Weitere Einzelheiten der Gasturbine sind nicht beschrieben, da sie für das Verständnis der Erfindung entbehrlich sind.

Das Gehäuse 3 der Gasturbine bildet einen Teil eines Aussengehäuses 4 für die Brennkammer, wobei ein zylindrischer Mantel 6 mit dem Gehäuse 3 der Gasturbine verbunden ist. Bei derartigen Gasturbinen liefert ein nicht dargestellter Verdichter verdichtete Luft, die in einem nicht dargestellten Wärmetauscher aufgeheizt ist, in das Brennkammergehäuse 4. Der Mantel 6 endet in einem Flansch 7, an dem ein durchgehender Aussenring 8 für ein Tragkreuz 10 befestigt ist, der zur Halterung eines Flammrohrs 11 dient. Der Aussenring 8 ist mit dem Flansch 7 durch über den Umfang verteilte Senkschrauben 12 verbunden. Ein Dom 14 der Brennkammer überdeckt den Aussenring 8 und ist mit dem Flansch 7 durch einen Kranz von Schrauben 15 verbunden, die sich durch den Aussenring und den Flansch erstrecken. Der Mantel 6 und der Dom 14 sind mit Wärmedämpfstoff 16 verkleidet. Das Flammrohr 11 hat im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und besteht aus einer Wand Diese Wand 18 w&et einen ersten Mantel 19 auf, der eine Vorkammer 27 umschliesst, und an den sich ein im wesentlichen radial gerichteter Wandungsteil 20 anschliesst, der in einen Mantel 22 übergeht, der eine* Brennzone 23 und eine Mischzone

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begrenzt. Der Mantel 22 endet in einem Auslass 25 für Treibgase am stromabwärtigen Ende des Flammrohrs. Wie Fig. 1 zeigt, kann der Auslass 25 des Flammrohrs in eine Treibgäsleitung 26 ein-

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gesteckt sein, die zu der nicht dargestellten Gasturbine führt. Auf diese Weise wird das stromabwärtige Ende des Flammrohrs abgestützt.

Beim Betrieb wird Brennstoff in der Vorkammer 27, die von dem Mantel 19 umschlossen wird, verdampft und der Brenn luft zugemischt, worauf in der Brennzone 23 die Verbrennung stattfindet und in der Mischzone 24 Zusatzluft zugemischt wird, um die endgültig gelieferten Treibgase zum Antrieb der Gasturbine zu konditionieren.

Nachstehend wird der Aufbau des Flammrohrs vom stromaufwärtigen Ende beginnend beschrieben. Am stromaufwärtigen Ende 28 wird ein Teil der Brennluft zugek-führt und tritt droh einen Luftwirbier 30, der aus einem Kranz von Schaufeln 31 (siehe auch Fig. 3 und 5) besteht. Die Schaufeln 31 erstrecken sich von einem äusseren Ring 32 zu einer zentralen Hülse 34, die nach vorn über den Luftwirbier 30 vorragt. Die Schaufeln 31 haben einen Winkel von 75° zu einer Ebene, die sich axial durch die Brennkammer erstreckt, so dass der eintretenden Luft in dem Luftwirbler eine kräftige Wirbelkomponente erteilt wird, wenn sie aus dem Brennkammergehäuse 4 dem Flammrohr zugeleitet wird. Der äussere Ring 32 ist mit einer Vorderwand 35 der

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Vorkammer versohweisst, der in das vordere Ende eines rückwärtigen Vorkammerteils 36 eingesetzt und dort befestigt ist. Der Wandteil 36 hat verhältnismässig grosse Wandstärke, beispielsweise 6,35 - 7,94 mm. Das stromabwärtige Ende des Wandungsteils 36 ist mit dem radial gerichteten Wandungsteil 20 des Flammrohrs verschweisst und liegt konzentrisch zu diesem. Die radiale Wand 20 erstreckt sich radial einwärts über den Wandungsteil 36 hinaus und bildet dadurch eine Schwelle 38. Der vordere Teil der Vorkammer ist von einem Metallblechring 39 überdeckt, der einen einwärts gebogenen Flansch 40 aufweist, der mit dem vorderen Rand des vorderen Wandungsteils 35 verschweisst ist. Dieser Ring 39 dient der Verbindung des vorderen Endes des Flammrohrs mit dem Tragkreuz 10, der mehrere Arme aufweist, die den Aussenring 8 mit einem Innenring 42 verbindet,, der seinerseits mit dem Ring 39 verbunden ist.

Die heisse verdichtete Luft strömt, bedingt durch den Luftwirbier 30, mit einer starken tangentialen Komponente über die Innenfläche der Wandungsteile 35 und 36 und bewirkt eine Reinigung dieser Flächen infolge der Fliehkraft. Hierbei wird flüssiger Kohlenwasserstoff -Brennstoff, der den Innenflächen der Vorkammer dicht stromabwärts des Luftwirbiers 30 zugeleitet wird, mitgenommen und verdampft. Der Brennstoff wird von einem Verteiler 46 (siehe Fig. 2,5,6 und 7) zugeteilt,

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der ein Ring mit halbkreisförmigem Querschnitt ist und sich völlig rings um die Aussenfläche des Wandungsteils 35 erstreckt« Diesem Verteiler wird Brennstoff über ein Brennstoffzufuhrrohr 47 zugeleitet, das über einen Fitting am Flammrohr befestigt von einer nicht dargestellten Brennstoffquelle kommt. Der Verteiler 46 ist von einem Kühlmantel 48 umschlossen, der ebenfalls halbkreisförmigen Querschnitt aufweist und mit der Aussenfläche des Wandungsteils 35 verschweisst ist. Kühlluft γόη einer geeigneten Quelle, beispielsweise dem Verdichter der Gasturbine stromaufwärts des Wärmetauschers, wird dem Kühlmantel 48 über ein Rohr 50 zugeleitet, das die Brennstoffzuleitung 47 umgibt. Der Kühlmantel 48 erstreckt sich, wie Fig. 6 zeigt, nahezu über den,gesamten Umfang der Vorkammer, Ein am Umfang vorgesehener Spalt wird auf der einen Seite durch eine Sperrplatte 51 verschlossen, die mit dem Verteiler 46, dem Kühlmantel 48 und dem Wandungsteil 35 verschweisst ist. Zugeleitete Kühlluft aus dem Rohr 50 durchströmt somit den Kühlmantel 48 zu einem Auslass 52, der der Sperrplatte 51 gegenüber im B reich des Spaltes liegt. Durch die umlaufende Kühlluft wird ein Aufdampfen des Brennstoffes unter bestimmten Betriebsbedingungen verhindert, beispielsweise bei plötzlichem Absperren des Brennstoffs bei heisser Haschine oder im Leer- ' läufbetrieb. Der Tragring 39 dient zugleich als Wärmeschild

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für den Breistoff verteiler und den Kühlmantel, um Wärmestrahlung) von heissen Teilen des Triebwerks in der Nähe des Flammrohrs > abzuhalten.

Der Brennstoff wird aus dem Verteiler 46 durch 16 in gleichem Abstand voneinander liegende Brennetoffdüsen 54 in der Vorkammerwand zugeleitet. Die Düsen haben einen Durchmesser von 0,33 mm und sind etwa 15° zur Aussenflache der Wandung gerichtet, so dass der Brennstoff vorwiegend gegen die Innenwandung der Vorkammer und nicht in den durch den Luftwirbier tretenden Luftstrom eingeleitet wird. Die Zufuhr des Brennstoffes erfolgt mit niedrigem Druck, wobei vorzugsweise der Druckabfall in den Brennstoffdüsen etwa 1,4 kg/cm beträgt. Die durch den Luftwirbier einströmende heisse Luft bläst den zugeführten Brennstoff längs der Innenwandung der Vorkammer, wobei der Brennstoff erhitzt und verdampft wird und sich mit der Luft mischt, bevor ein U-bertritt in die Brennzone 23 erfolgt.

Eine wesentliche Verbesserung der Verdampfung und Vermischung des Brennstoffes mit der Luft wird durch eine aufgerauhte und gemusterte Innenfläche der Vorkammer erzielt. Vorzugsweise beginnt dies« gemusterte Innenfläche dicht stromabwärts der Brennstoffdüsen 54 bis zur Schwelle 38. Die bevorzugt· Ausführungsform ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt. In

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der Innenfläche sind zwei Sätze sich schneidender schmaler Nuten 56 gebildet, zwischen denen im wesentlichen rechteckige Vorsprünge 35 verbleiben. Eine derartige Oberflächengestalt kann in einfacher Weise dadurch erzielt werden, dass die Bereich^, in denen die Vorsprünge 55 verbleiben, mit einem Schutzmittel überzogen werden, worauf dann die Innenwand auf eine gewünschte Tiefe geätzt wird. Die Schutzschicht kann photographisch in bekannter Weise aufgebracht werden. Im Ausführungsbeispiel haben die Nuten einen Abstand zwischen ihrer Mittellinie von etwa 1,27 mm und die Tiefe der Nuten beträgt etwa 0.076 mm. Die Breite der Nuten entspricht etwa der Breite der Vorsprünge 55 zwischen den Nuten. Die Nuten liegen etwa im Winkel von 45° zur Achsrichtung.der Vorkammer, so dass der zugeleitete Brennstoff an der Innenwandung stromabwärts durch die durchströmende Luft längs der schraubenförmig verlaufenden Nuten 56> fortbewegt wird.

Die verbesserte Wirkung ist darauf zurückzuführen, dass durch die gemusterte Innenfläche eine geringfügige Turbulenz im Luftstrom auftritt, die durch die Vorsprünge 55 unterstützt wird, wobei die Vorsprünge den Wärmeübergang von der Luft begünstigen. Ferner schützen die Nuten den flüssigen Brennstoff vor dem unmittelbaren Aufprall der zugeführten Luft. Versuche haben auf jeden Fall ergeben, dass durch Ausbildung

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der Innenwand in dieser Weise die vollständige Verdampfung und innige Mischung von Luft und Brennstoff erzielt wird.

Man hat festgestellt, dass die Verbrennung eines mageren Gemisches in der Brennzone 23 vorteilhaft ist, um reine Abgase zu erhalten, während dies bei einem dem stöchiometrischen Gemisch näherliegenden Gemisdi nicht der Fall ist. Es wurde als zweckmässig erkannt, zusätzlich Luft zu der über den Luftwirbier 30 zugeführten Luft zuzumischen, bevor die Verbrennung eingeleitet wird. Dies wird durch einen Satz von Lufteintrittsöffnungen im Bereich der Vorkammer bewirkt, die etwa iuf 3/4 der Länge der Vorkammer vom stromaufwärtigen Ende vorgesehen sind. Die Zusatzluft wird zweckmässig mit einer radial einwärts gerichteten und .einer tangentialen Komponente und ohne wesentliche axiale Komponente bewirkt. Ferner ist eine Regelung des Strömungsquerschnitts und damit der zugeführten Luftmenge vorgesehen, wodurch auch ein gewünschtes Gleichgewichtsverhältnis in der Brennzone beeinflusst wird. Das Gleichgewichtsverhältnis ist das Verhältnis des tatsächlichen Gewichtsverhältnisses zwischen Brennstoff und Luft zum stöchiometr^ischen Verhältnis. Die Veränderung dieses Verhältnisses erfolgt durch Änderung der Luftmenge, die der Brennzone über die Vorkammer zuströmt zu der Luftmenge, die als Zumischluft in der Mischzone 24 zugeleitet wire, wenn das Gesamtverhältnis zwischen Luft und Brennstoff geändert

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Die Einrichtungen zur Zumischung von Brennluft in der Vorkammer sind in den Fig. 2, 4 und 10 dargestellt. Der Wandungsteil 36 der Vorkammer besteht aus zwei koaxial zusammenpassenden miteinander verbundenen Teilen, nämlich einem stromaufwartigen Teil 58 und einem stromabwärtigen Teil 59. Die LufteintrittsÖffnungen bestehen aus einem Kranz von Schlitzen 60, die.in das stromabwärtige .Ende des stromaufwärtigen Teils 58 eingearbeitet sind. Natürlich können die Schlitze auch in dem stromaufwärtigen Teil des anderen Teils vorgesehen werden, wenn die Verbindung beider feile entsprechend ausgebildet wird. Aus den Fig. 4 und 10 ergibt sich, dass die Schlitze 60 in einem beträchtlichen Winkel zur radialen Richtung in die Vorkammer eintreten. Dieser Winkel beträgt etwa 60° und die Schlitze sind so gerichtet, dass die durch sie eintretende Luft in gleicher Richtung wie durch den Luftwirbier 30 abgelenkt wird. Die Schlitze 60 haben trapezoidförmige Gestalt, wobei sie auf das stromaufwartige Ende der Vorkammer divergieren. Der Teilschnitt gemäss Fig. zeigt zwei derartige Schlitze 60. Über den Gesamtumfang sind "VDDzugsweise 18 Schlitze vorgesehen.

Der Wandungsteil 58 enthält auch eine radiale Öffnung 62 zur Aufnahme eines Zünders 63 (Fig· 3), der ähnlich einer Zündkerze ausgebildet sein kann udd sich bis in die

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Vorkammer erstreckt, um das Gemisch zu zünden. Die Einzelheiten des Zünders sind ohne Bedeutung für die Erfindung, so dass eine Beschreibung entbehrlich ist.

Die Aussenfläche des Teiles 59 trägt 3 Ansätze 64, die die axiale Bewegung einer Büchse 66 begrenzen, die längs des Wandungsteils 36 der Vorkammer verschieblich ist und die Luftzufuhr durch die Schlitze 60 steuert.

Wie bereits erwähnt, ist die Brennzone und die Mischzone von dem Mantel 22 umschlossen, der sich von dem radialen Wandungsteil 20 bis zum Auslass 25 erstreckt. Die gesamte Brennluft wird über den Vorkammerauslass 67 im Bereich der Schwelle 38 der Brennzone zugeleitet»' Zur Kühlung der Brennzone des Flammtohres sind an dem Aussenumfang Rippen am stromaufwärtigen Ende vorgesehen. Hierdurch wird Wärme auf die im Aussengehäuse 4 der "Brennkammer strömende Luft übertragen, die zu den Einlassen für die Brennluft strömt.

In der Mischsäone 24 ist ein Kranz 70 von Mischöffnungen vorgesehen, deren Durchtrittsquerschnitt durch eine axial verschiebliche Büchse 71 steuerbar ist. Es sind zwei Sätze von Mischöffnungen vorgesehen, wobei sich die Öffnungen jedes Satzes abwechseln. Der eine Satz von Mischöffnungen hat rechteckige Gestalt und eine gewisse axiale Länge. Zwischen

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diesen Mischöffnungen 72 liegen Mischöffnungen 74 des zweiten Satzes, die eine grössere Länge in stromaufwärts liegender Richtung bis zu einer Kante 75 aufweisen, wobei jedoch der stromaufwärts liegende Teil dieser Mischöffnungen schmaler als deren stromabwärtiger Teil ist.

Die Büchse 71 ist ein glatter Zylinder mit nach aussen abgebogenen Rändern und einer am stromauf wartigen Ende j vorgesehenen über den Umfang laufenden Verstärkungsrippe 78. Die Büchse 71 ist an der Aussenfläche des Flammrohres verschieb-I lieh, wobei ihr Bewegungsweg durch zwei Sätze von kleinen Anschlägen 79 begrenzt ist. Diese Anschläge 79 sind über den Umfang mit einem Abstand von 120° verteilt.

Die Büchse 71 hat zwei Sätze von Öffnungen, die mit je einem der Sätze der Mischöffnungen 72 und 74 des Flammrohrs/zusammenarbeiten. Rechteckige Öffnungen 80 steuern die Mi*chöffnungen 72 im Flammrohr und rechteckige öffnungen 82 die Mischöffnungen 74. Die Länge und Weite der Öffnungen in der Btöise 71 entsprechen der Länge und Weite der zugeordneten Mischöffnungen im Flammrohr, so dass diese in der einen Stellung der Büchse voll geöffnet sind. Eine der kurzen Öffnungen 80 hat zwei axiale Schlitze 83 am stromaufwartigen Ende. Diese

chlitze nehmen zwei Stifte 84 auf, die an der Aussenwandung des Flammrohrs befestigt sind, und die die Büchse 71 in Umfangsrichtung zum Flammrohr festlegen, jedoch die notwendige axiale Verschiebung der Büchse gestatten.

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Die Büchse 71 wird durch drei in axialer Richtung liegende Stangen 86 (Fig. 1) verstellt, die über Stifte 85 mit radialen Rippen 87 der Büchse 71 verbunden sind. Die Stangen 86 erstrecken sich durch Führungen 88, die am Dom 14 der Brennkammer geHLdet sind und sind durch Dichtungen 90 tretend mit einer gemeinsamen Betätigungsplatte 91 durch Muttern 92 verbunden. Die Betätigungsplatte 91 ist über eine Betätigungsstange 94 verstellbar.

Die Büchse 66, die den Luftstrom durch die

Schlitze 60 der Vorkammer steuert, ist starr mit der Büchse 71 verbunden und wird also mit dieser zusammen durch die Stange 94 betätigt. Die Verbindung erfolgt durhh drei Stangen 95, die sich in axialer Richtung über den Umfang des Flammrohrs verteilt erstrecken. Jede Stange 95 ist über eine Verankerung 96 mit der Büchse 71 verbunden. Die Verbindung ist einstellbar ausgebildet und erfolgt durch Arme 102, die mit einem Winkelabstand von 120° radial nach aussen mit der Büchse 66 verbunden sind. Die Arme sind durch Strwben 103 versteift und über öine Grundplatte 104 mit der Büchse 66 verbunden.

Das vordere Ende jeder Stange 95 trägt ein

Gewinde und erstreckt sich durch ein Loch am Ende je eines Armes 102. Die Befestigung erfolgt durch zwei Paare von Doppelmuttern 105,durch die die Lage der Büchse 66 zur Lage der Büchse

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eingestellt werden kann. Die Bewegung der beiden Mensen erfolgt so, dass beim Öffnen der Schlitze 60 im Bereich der Vorkammer ein Schliessen der Zumischöffnungen im Bereich der Mischzone 24 erfolgt.

Die Verbindung zwischen den Büchsen 66 und 71 könnte auch in anderer Weise erfolgen, jedoch ist die gewählte Ausführungsform einfach und zuverlässig.

Der stromabwärtige Rand der Büchse 66 enthält Kerben 106 (Fig. 1 und 2). Jedem Schlitz 60 ist eine derartige Kerbe 106 zugeordnet, wobei die Kerben V-förmig gestaltet sind und einen Winkel von 70° einschliessen. Die Kerben sind etwas breiter als die stromabwärtigen Enden der Schlitze 60, so dass sich ein allmähliches öffnen und Schliessen der Schlitze 60 bei einer axialen Bewegung der Büchse 66 ergibt, wenn die hintere Kante der Büchse über die Schlitze läuft. Die besondere BoVmgebung der Lufteintrittsöffnungen 60,72 und^: 74 ist so gewählt, dass eine gewünschte Charakteristik der Luftstromverteilung erzielt wird, wenn die Steuerstange bewegt wird, um die relativen Anteile von Primärluft und Zumischluft zu bestimmen. Die graphische Darstellung in Fig. 11 veranschaulicht diese Verhältnisse. Die Kurve A in Fig. 11 zeigt die Anteile der in die Brennzone durch den Luftwirbier 30 und die Schlitze 60 eintretenden Luft im Verhältnis zur Gesamtluft, also einschließlich der durch die in

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der Mischzone, zugeleiteten Luft. Befinden sich die Büchsen in ihrer stromabwärtigen Endstellung, so beträgt der Anteil des der Brennzone zugeführten Luftstroms 17% und erhöht dich auf etwa 55%_t wenn die Büchsen in stromaufwärtiger Richtung bewegt werden. Die Zumischluft verringert sich von etwa I 83% auf etwa 45% der gesamten zugeführten Luftmenge bei einer

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derartigen Bewegung der Büchsen. Hierdurch ist ermöglicht, einen geeigneten Luftanteil in der Brennzone bei hoher Leistungsanforderung zuzuführen, ohne dass sich in der Brerinzone ein zu reiches Gemisch ergibt, wenn die Leistungsanforderung zurückgenommen wird. Bei geringer Brennstoffzufuhr, beispielsweise bei Leerlaufbetrieb, wird ein verhältnismässig kleiner Teil an Luft benötigt, um das Gleichge»ichtsverhä!tiftis von ungefähr 0,3 in der Brennzone aufrecht zuerhalten. Der Knick 107 in der Kurve A zeigt den Punkt, an dem die kürzeren Zumischöffnungen 72 geschlossen werden.

Eine Zünddüse 110 ist in der Vorkammer vorgesehen. Diese Düse ist vorzugsweise als lufteinspritzende Düse ausgebildet, der Druckluft und Brennstoff durch nicht dargestellte Rohre zugeleitet wird, die durch einen Tragring 111 abgestützt werden. Der Tragring 111 ist mit der Hülse 34 durch Madenschrauben 112 verbunden. Die Brennstoffdüse hat eine

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Rohrverlängerung 114, die in den Tragring 111 eingeschraubt ist. Der Aufbau der Brennstoffdüse im einzelnen ist für die Erfindung unwichtig. Derartige Einspritzdüsen teilen den Brennstoff in feinen Tröpfchen in der Einblasluft zu. Die Zünddüse dient zum Einleiten der Verbrennung, insbesondere bei kaltem TiSeiwerk, bei dem also eine Verdampfung des Brennstoffs in der Vorkammer noch nicht eintritt. Die Zünddüse wird bei Erreichen normaler Betriebsbedingungen abgeschaltet. Es können zum Einleiten der Verbrennung aber auch andere Mittel verwendet werden, beispielsweise ein gasförmiger Brennstoff zugeleitet werden, jedoch hat sich die Verwendung einer Zünddüse der beschriebenen Art als zweckmässig erwiesen. Das stromabwärtige Ende der Hülse 34 ist mit einer konvergierenden Wandung 115 ausgebildet, um einen glatten Übergang der Luft vom Luftwirbler 30 in die Vorkammer zu ermöglichen.

Beim Anläufen des Triebwerks ist der Luftstrom gering und es ergeben sich anormale Bedingungen. In diesem Fälle werden die Büchsen 66 und 71 in stromaufwärtiger Richtung bewegt, um die Zumischluft zu verringern und den grössten Teil der Luft der Vorkammer zuzuführen, die in das von der Zünddüse zugeleitete Brennstoffgemisch eintritt, das nach Einschalten der Zündung verbrannt wird. Erreicht das Triebwerk normale Betriebsbedingungen^ so wird der Anlaufbetrieb beendet und

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durch Einstellung der Büchsen 66 und 71 das jeweils gewünschte Gleichgewichtsverhältnis bestimmt.

Bei Betrieb eines mit Vorwärmung der Brennluft arbeitenden Triebwerks tritt die Luft in die Brennkammer mit etwa 60O⁰C ein und fliesst nach Durchtritt durch den Luftwirbler 30 über die Innenwandung der Vorkammer, wobei sie den von dem Verteiler 46 über die Brennstoffdüsen 54 zugeleiteten Brennstoff erhitzt und verdampft und sich mit diesem mischt. Dieses Gemisch erhält zusätzliche Brennluft über die Schlitze 60, aus denen Luft in gleicher Richtung eingeführt wird, wie sie durdi den Luftwirbier längs der Vorkammer erzwungen wird. Diese beiden Ströme vermischen sich und bewirken die Bildung eines ziemlich mageren Brennstoff-Luftgemisches, indem ein etwa dreifacher Luftüberschuss besteht.

Das in der Vorkammer gebildete Gemisch strömt über die Schwelle 38 und durch die Verwirbelung erfolgt ein tangentialer und radial nach aussen gerichteter Abfluss vom Mantel des Hammrohrs und durch die Bildung eines Gebietes geringen Druckes in der Achse der Brennzone und der Vorkammer erfolgt ein mehr oder weniger toroidaler Vortex mit einem gewissen Rückstrom längs der Achse des Flammrohres. Dieser Rückstrom kann in den stromabwärtigen Teil der Vorkammer bei bestimmten Betriebsbedingungen eintreten und zum Aufheizen der Vorkammer beitragen.

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Die Zumischung der Luft durch die Zumischöffnungen 70 setzt die Temperatur der Treibgase, düe längs des Mante-ls 22 zum Auslass 25 strömen, herab. Der radiale Eintritt der Zumischluft bewirkt auch, dass ein Teil der Zumischluft stromaufwärts in das Gebiet niedrigen Druckes abfliasst und sich mit dem Rückstrom vermischt, um eine frühzeitige Abkühlung der Brenngase zu bewirken. Hierdurch wird die Zeit, in der die Brenngase eine hohe Temperatur aufweisen, verkürzt.

Das magere Gemisch bedingt eine Senkung der .

Verbrennungstemperatur und das schnelle Abkühlen der Treibgase verkürzt die Verweilzeit im hohen Temperaturbereich. Beide Massnahmen dienen dazu, die Bildung von Stickoxiden zu unterbinden.

Ferner ergibt die Verbrennung des Brennstoffes unter gut verdampften Bedingungen keine örtliche Anreicherung, die sich im Bereich von zerstäubten Brennstofftröpfchen einstellt und ebenfalls die Bildung von Stickoxiden unterstützt.

Obwohl es nicht nötig ist, Einzelheiten über die Grössenabmessungen der verschiedenen Teile zu geben, so sei doch erwähnt, dass eine nach der Erfindung ausgebildete Brennkammer für eine Gasturbine von 225 PS Durchmesser von 152 - 127 bzw» 203 mm und eine Länge von .380 mm aufwies. Es ist natürlich möglich, das Verhältnis

zwischen Primärluft und Zumischluft durch Drosselung nur ein·«

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Satzes der öffnungen zu steuern. Die gestrichelte Kurve B in Fig. 11 veranschaulicht dies, wenn eine Änderung der Luftverteilung allein durch Verstellen der Büchse 71 erfolgt, also die SekundärluftZuteilung in der Vorkammer über die Schlitze 60 konstant gehalten wird. Die Änderungen sind geringer und der Druckabfall ist grosser, wenn nur eine Einstellung des Einsatzes von Öffnungen erfolgt. Da Druckabfälle dem Wirkungsgrad des Triebwer-kes schädlich sind, ist es also zweckmässig, beide Sätze von Lufteintrittsöffnungen zu ändern.

Fig. 12 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform der Vorkammer des im übrigen in gleicher Weise ausgebildeten Flammrohres. Der Unterschied besteht in der Zuführung der Sekundärluft. Wie Fig. 12Lz0igt, besteht die Wandung 120 der Vorkammer aus Metallblech konstanter Stärke und hält an ihrem stromaufwartigen Ende den Luftwirbles 30 und die Hülse 34, 115, in deren Achse die Zünddüse für das Anlassen des Triebwerks angeordnet ist. Die InnHenifläche ist in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel gemustert.

Die öffnungen für die Zufuhr der Sekundärluft zur Vorkammer sind als Kranz von gleichmäsäg über den Umfang verteilten Löchern 122 im hinteren Teil der Vorkammer ausgebildet. Es sind insgesamt 36 Löcher vorgeaiien, deren Durchmesser 3fl8 mm beträgt. In diesem Falle wird eine etwas kleinere

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Luftmenge über die Löcher 122 zugeleitet als dies durch die Schlitze 60 der ersten Ausführungsform der Fall ist. Jedoch sind die Schaufeln des Luftwirbiers 30 in einem etwas anderen Winkel angeordnet, nämlich um-70° zur axialen Richtung geneigt, so dass der Luftwirbier einen grösseren Öffnungsgrad aufweist. Wenn auch diese Ausführungsform, die durch ihren einfacheren Aufbau billiger ist, keine so saubere Verbrennung bewirkt, kann sie unter bestimmten Betriebsbedingungen trotzdem ausreichend sein.

Eine vollständige Verdampfung des Brennstoffes und seine Vermischung mit der Luft innerhalb der Vorkammer ist für einen einwandfreien Betrieb der Brennkammer ausschlaggebend. Durch die gemusterte Innenfläche der Vorkammer wird eine derartige Aufbereitung des Gfinisches erzielt.

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Claims

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-24-Patentansprüche

Brennkammer für Gasturbinen mit einem

Flammrohr, dessen Mantelfläche vom stromaufwärtigen Ende beginnend eine Vorkammer, eine Brennzone und eine Zumischzone begrenzt und mit einem stromabwärtigen Auslass für Treibgase endet, wobei die Vorkammer am stromaufwärtigen Ende 4inen Einlass für Luft aufweist, die mit erheblicher Geschwindigkeit längs der Innenwandung der Vorkammer strömt, und stromabwärts des Lufteinlasses eine Brennstoffzuführeinrichtung vorgesehen ist|' die an der Innenwandung einen flüssigen Brennstofffilm bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (35) der Vorkammer (27) gemustert aus-

zwei gebildet ist, indem ein Gitter von/Sätzen sich schneidender Nuten (56) und zwischen diesen verbleibenden Vorsprüngen (55) gebildet wird, die den Strom des zugeteilten Brennstoffes längs der Innenwand führen, wobei der Brennstoff in dem vorbeiströmenden Luftstrom verdampft.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (56) in der Innenfläche der Vorkammer mit einem Winkel von etwa 45° zur Achsrichtung der Vorkammer (27) geneigt verlaufen.

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3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (55) zwischen den Nuten (56) im wesentlichen rechteckige Form aufweisen.

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