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Brennkammer, insbesondere für Gasturbinen Die Erfindung bezieht sich
auf eine Brennkammer mit einer etwa kelchförmig gekrümmten und eine axiale Eintrittsöffnung
aufweisenden eintrittsseitigen Stirnwand, an die ein im wesentlichen zylindrischer
Wandteil mit Sekundärluft-Eintritt söffnungen anschließt und vor der eintrittsseitig
der Eintrittsöffnung eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung und eine Vorrichtung zur
Zufuhr vorgewärmter Verbrennungsluft angeordnet ist, während axial innerhalb der
Eintrittsöffnung ein etwa pilzförmiger, beispielsweise durch entlang seinem Umfang
verteilte Stege an der Innenwand der Stirnwand gehaltener Ablenkkörper zur radialen
Auseinanderspreizung des in die Brennkammer einströmenden Kraftstoff-Luftgemischs
entlang der Stirnwand sowie innerhalb der Brennkammer austrittsseitig des Ablenkkörpers
weitere konzentrische Ablenkmittel zur Wieder zusammenführung des Gemisches im Sinne
der Bildung eines Ringwirbels vorgesehen sind, insbesondere für Gasturbinen.
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Für eine möglichst schadstoffarme Verbrennung ist es anzustreben,
das Kraftstoff-Luftgemisch in die Brennkammer bereits mit einer verhältnismäßig
hohen Temperatur einzuführen, die entweder aufgrund einer hohen Luftverdichtung
oder aufgrund einer Vorwärmung der Verbrennungsluft von den Abgasen der Turbine
her oder auch durch beide Maßnahmen gemeinsam erzielt werden kann, und das Gemisch
dann in der Brennkammer zu einem Ringwirbel anzuregen, in dem die gesamte Verbrennung
stattfindet. Bei einer eingangs genannten bekannten, in der DT-OS 2 415 036 beschriebenen
Brennkammer geht von der Eintrittsöffnung der eintrittsseitigen
Stirnwand
noch ein axialer Einlaßkanal aus, in dessen eintrittsseitiger Öffnung die Kraftstoffeinspritzvorrichtung
angeordnet ist. An der Stelle der Eintrittsöffnung geht der Einlaßkanal mit einem
im Querschnitt entlang einem Krümmungsradius abgerundeten Anschlußteil in die im
übrigen trichterförmig erweiterte Stirnwand der Brennkammer über. Durch die der
Krümmung des Anschlußteils angepaßte Ablenkfläche des Ablenkkörpers wird das einströmende
Kraftstoff-Luftgemisch entlang der Wandung der Stirnwand auseinandergespreizt. Damit
nun im anschließenden zylindrischen Teil der Brennkammer ein Ringwirbel des Gemisches
gebildet werden kann, sind an der Innenfläche des zylindrischen Wandteiles nahe
der genannten Stirnwand in Umfangsrichtung verteilt etliche Schaufeln angebracht,
die austrittsseitig jeweils etwa entlang einem Viertelkreisbogen nach innen abgekrümmt
sind. Nachteilig ist bei der bekannten Brennkammer jedoch noch, daß die zur Anregung
des genannten Ringwirbels vorgesehenen Schaufeln einerseits nur einen Teil des Gemisches
erfassen können und anderseits den sehr hohen Verbrennungstemperaturen auf die Dauer
kaum standhalten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den für die schadstoffarme
Verbrennung so vorteilhaften Ringwirbel nach Möglichkeit ohne jegliche, in den Reaktionsbereich
der Brennkammer ragende Teile zugleich vollkommener zu erreichen, als es mit der
eingangs genannten bekannten Brennkammer möglich ist.
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Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
eintrittsseitige Stirnwand an die Eintrittsöffnung etwa halbkugelförmig mit einem
gegenüber dem Durchmesser des zylindrischen Wandteils größeren Kugeldurchmesser
anschließt und der darauffolgende Brennkammerteil mit einem die Kugelform fortsetzenden
Wandteil wieder bis auf den anschließenden zylindrischen Wandteil verjüngt ist.
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Bei einer solchen Ausbildung der Brennkammerwand wird dem durch den
Ablenkkörper auseinandergespreizten Gemisch bereits
entlang der
an die Eintrittsöffnung anschließenden Stirnwand eine Rotationskomponente im Sinne
der Bildung des Ringwirbels erteilt, der dann durch den anschließenden, mehr als
halbkugelförmig gekrümmten und seinerseits ein weiteres Ablenkmittel bildenden Wandbereich
der Brennkammer derart weitgehend weitergeformt wird, daß sich der angestrebte Ringwirbel
bereits ohne jegliche, in den Reaktionsraum hineinragende Teile vollständig bildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Rand
der Eintrittsöffnung eine strömungsgünstige, etwa tropfenförmige Querschnittsform
und die Einspritzvorrichtung eine Strahlrichtung entlang den Erzeugenden eines etwa
den inneren Rand der Eintrittsöffnung tangierenden Kegels auf, wodurch sich innerhalb
des Ringraumes zwischen dem Ablenkkörper und dem an die Eintrittsöffnung anschließenden
Bereich der Stirnwand eine sehr homogene Gemischaufbereitung und Verdampfung des
Gemisches ergibt, die in der Brennkammer anschließend zu einer das Emissionsverhalten
verbessernden quasi-homogenen Verbrennung führt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die dem Innenraum
der Brennkammer zugekehrte Stirnfläche des Ablenkkörpers eine der Kugelform der
Stirnwand etwa angepaßte konkave Auswölbung auf, womit die von der Außenwand der
Brennkammer her eingeleitete Bildung des Ringwirbels weiter unterstützt wird.
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Durch die DT-OS 2 345 282 ist es zwar bereits bekannt, in einer eine
etwa halbkugelförmige eintrittsseitige Stirnwand aufweisenden Brennkammer mit einer
axialen Eintrittsöffnung dem Kraftstoff-Luftgemisch durch einen etwa pilzförmigen
axialen Ablenkkörper eine ringförmige Wirbelbewegung zu erteilen; trotzdem hat diese
bekannte Konstruktion mit dem nunmehrigen Vorschlag nichts zu tun, weil der Ablenkkörper
sich dort am Ende eines von der Stirnwand axial in die Brennkammer hineinragenden
Brennerrohres etwa im Kugeimittelpunkt der halbkugelförmig gekrümmten Stirnwand
befindet und somit das Brennerrohr einen in den Reaktionsbereich hineinragenden
Teil bildet, der nur durch einen
äußeren Kühlmantel und diesen durchströmende
zusätzliche ungemischte Luft vor einer zu starken Erhitzung geschützt werden kann.
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Der ausschließlichen Zuführung eines quasi-homogenen Kraftstoff-Luftgemischs
in die nunmehr vorgeschlagene Brennkammer steht hier also nicht nur der größere
konstruktive Aufwand, sondern auch noch der Mangel gegenüber, daß der Brennkammer
zunächst ein überreiches Gemisch zugeführt werden muß. Nachteilig ist bei dieser
bekannten Brennkammer aber auch noch, daß bei Zuführung eines überreichlich mit
Kraftstoff gesättigten Luftgemischs auch austrittsseitig des genannten Ringwirbels
die Bildung eines zweiten Ringwirbels vorgesehen ist, in dem in Verbindung mit der
dort zugeführten Sekundärluft eine Nachverbrennung stattfinden soll. Erfahrungsgemäß
läßt sich die richtige Weiterverdünnung eines überreichen Gemischs mit Sekundärluft
nur schwierig so steuern, daß die gewünschte vollständige Verbrennung gewährleistet
wird.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht;
es zeigen: Fig. 1 die Brennkammer in einem schematisch gehaltenen Axialschnitt;
Fig. 2 einen axialen Teilschnitt einer abgewandelten Brennkammerausführung (in gegenüber
Fig. 1 vergrößertem Maßstab).
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Die in Fig. 1 dargestellte Brennkammer weist eine etwa halbkugelförmig
gekrümmte eintrittsseitige Stirnwand 1 auf, in der axial eine Eintrittöffnung 2
für das zu verbrennende Kraft stoff-Luftgemisch vorgesehen ist. Der Rand 3 der Eintrittsöffnung
2 weist eine strömungsgünstige, etwa tropfenförmige Querschnittsform auf und die
Kugelform der Stirnwand 1 ist austrittsseitig über den dem Kugeldurchmesser 4 entsprechenden
größten Querschnitt hinaus mit einem die Kugelform fortsetzenden Wandteil 5 wieder
bis auf einen gegenüber dem Kugeldurchmesser 4 kleineren Durchmesser 6 eines austrittsseitig
anschließenden zylindrischen Wandteils 7 verjüngt. Im Bereich seines austrittsseitigen
Endes ist der
Wandteil 7 dann schließlich noch mit entlang seinem
Umfang verteilt angeordneten Offnungen 8 für Sekundärluft versehen, die ausschließlich
zur Verdünnung und entsprechenden Abkühlung der Abgase der Brennkammer vor einer
(nicht dargestellten) Gasturbine dienen.
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Aus Fig. 1 ist weiterhin ersichtlich, daß innerhalb der Eintrittsöffnung
2 und zugleich in die Brennkammer hineinragend ein etwa pilzförmiger Ablenkkörper
9 angeordnet ist, der größer als die Eintrittsöffnung 2 ist. Er ist über entlang
seinem Umfang verteilt angeordnete und jeweils etwa radial verlaufende Stege 10
an der Stirnwand 1 festgelegt. Außerdem weist die dem Innenraum der Brennkammer
zugekehrte Stirnfläche 9a des Ablenkkörpers 9 eine der Kugelform der Stirnwand 1
etwa angepaßte konkave Auswölbung auf.
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Schließlich geht aus Fig. 1 hervor, daß axial vor der Eintrittsöffnung
2 eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Zerstäuberdüse 11 vorgesehen ist,
die eine entlang den Erzeugenden eines etwa den inneren Rand der Eintrittsöffnung
2 tangierenden Kegels 11a verlaufende Strahlrichtung aufweist.
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Beim Betrieb der Brennkammer strömt die gesamte, entweder aufgrund
einer Verdichtung von beispielsweise mehr als 20 und/oder aufgrund einer Vorwärmung
durch die Gasturbinen-Abgase auf etwa 400 0C oder mehr aufgeheizte Luft der Brennkammer
durch ein Rohr 12 axial an der Zerstäuberdüse 11 vorbei zu, wobei durch den Rand
3 der Eintrittsöffnung 2 eine Aufteilung in Verbrennungsluft, die durch die Eintrittsöffnung
2 in die Brennkammer 1 strömt, und in Sekundärluft erfolgt, die die Stirnwand 1
von der Außenseite des Randes 3 her umströmt. In die primäre Verbrennungsluft wird
Kraftstoff von der Zerstäuberdüse 11 her eingespritzt, wobei der Kraftstoffstrahl
durch die in die Eintrittsöffnung 2 einströmende Primärluft gegenüber der dargestellten
Strahlrichtung entlang der Oberfläche des Kegels 11a so weit nach der Brennkammerachse
hin abgelenkt wird, daß sich gerade
eine optimale Durchmischung
des Kraftstoffs mit der vorgewärmten Verbrennungsluft ergibt. Infolge dieser Vermischung
und der hohen Lufttemperatur kann damit gerechnet werden, daß der Kraftstoff beim
Verlassen des Ringspaltes 13 zwischen der Stirnwand 1 und dem pilzförmigen Ablenkkörper
9 bereits größtenteils verdampft und damit eine quasi-homogene Verbrennung ermöglicht
ist, die eine Verbesserung des Emissionsverhaltens bewirkt. Dabei wird die Verdampfung
des Kraftstoffs noch durch die hohe Temperatur des Ablenkkörpers 9 unterstützt,
der vom Innern der Brennkammer her aufgeheizt wird, in der die Reaktion und Verbrennung
des Kraftstoff-Luftgemischs in unmittelbarer Nähe des Ablenkkörpers 9 stattfindet.
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In dem durch die Stirnwand 1 und den anschließenden Wandteil 5 der
Brennkammer gebildeten kugelförmigen Reaktionsraum 14 bildet sich ein großer Ringwirbel
15, der einen weiten Stabilitätsbereich der Flamme gewährleistet und damit auch
die Verbrennung sehr magerer Gemische erlaubt, was im Hinblick auf eine geringe
Stickoxydbildung vorteilhaft ist. Ein zweiter Ringwirbel 16 bildet sich hinter dem
Übergang vom Reaktionsraum 14 in den anschließenden zylindrischen Teil 17 der Brennkammer.
Dieser Ringwirbel 16 gewährleistet einen guten Ausbrenngrad des an der Innenwand
des kugelförmigen Reaktionsraumes 14 entlangströmenden Gemischs. Am austrittsseitigen
Ende des zylindrischen Teils 17 der Brennkammer strömt die Sekundärluft durch die
Öffnungen 8 in die Brennkammer ein und sorgt für eine Herabsetzung der Abgastemperatur
des verbrannten Gemischs auf eine für die Beschaufelung eines anschließenden (nicht
dargestellten) Turbinenlaufrades zuträgliche Temperatur.
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Der verhältnismäßig große Reaktionsraum 14 der beschriebenen Brennkammer
ergibt auch bei mageren Gemischen und entsprechend geringer Stickoxydbildung einen
hohen Ausbrenngrad und damit niedrige Kohlenmonoxyd- und Kohlen-Wasserstoff-Emissionen.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten abgewandelten Brennkammerausführung
ist der Ablenkkörper 9 nicht an der Stirnwand 1, sondern an einem Halter 19 der
Zerstäuberdüse 11 über die Eintrittsöffnung 2 achsparallel durchsetzende Streben
18 festgelegt. Der Halter 19 ist über einen eintrittsseitig des Rohres 12 anschließenden
Luftkanal 20 durch eine Umfangsöffnung 21 quer nach außen durchsetzende Haltestangen22
an einem die Umfangsöffnung 21 verdeckenden Deckelteil 23 gehalten, der gegenüber
der dortigen Umfangswand 24 des Luftkanals 20 über die axiale Länge der Umfangsöffnung
21 in nicht besonders dargestellter Weise achsparallel zur Brennkammer längsverschiebbar
und einstellbar ist. Dabei ist aus Fig. 2 ersichtlich, daß der Ablenkkörper 9 bei
der dargestellten vordersten Endstellung der Zerstäuberdüse 11 gegenüber der Stirnwand
1 einen beträchtlich großen Ringspalt 13a einer Breite a freigibt. Wird die Zerstäuberdüse
11 jedoch um den maximalen Verstellweg X des Ablenkkörpers 9 zurückgezogen, dann
wird zwischen dem Ablenkkörper 9 und der Stirnwand 1 lediglich ein sehr schmaler
Ring spalt 13b freigegeben, dessen Breite der Breite von Hilfsstegen IOa und lOb
am Ablenkkörper 9 bzw. an der Stirnwand 1 entspricht.
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Durch eine solche Einstellbarkeit des Ringspaltes 13 ist die Möglichkeit
geschaffen, die der Brennkammer zugeführte Luft in optimaler Weise, d.h. bei einer
entsprechenden Regelbarkeit der axialen Stellung der Zerstäuberdüse 11 also auch
bei jedem gerade gegebenen Betriebszustand der Brennkammer optimal in Verbrennungs-und
Kühlluft aufzuteilen.
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Im übrigen ist die dargestellte Strömungsführung nicht auf Rohrbrennkammern
beschränkt; sie kann vielmehr mit ähnlichen Vorteilen auch auf Ringbrennkammern
angewendet werden, in welchem Falle der Ringwirbel den ganzen eintrittsseitigen
Reaktionsringraum der Ringbrennkammer ausfüllt. Zu beachten ist in diesem Falle
lediglich, daß bei Ringbrennkammern an die Stelle der dargestellten Kraftstoffeinspritzvorrichtung
eine andere, der Ringbrennkammer angepaßte Gemischzuführung tritt. In diesem Falle
können beispielsweise
entlang dem stirnseitigen Kreisumfang der
Ringbrennkammer mehrere Eintrittsöffnungen mit je einer zugeordneten Zerstäuberdüse
zweckmäßig entlang dem inneren Randbereich der Ringbrennkammer angeordnet sein,
wobei die Ablenkkörper dann lediglich eine jeweils etwa halbpilzförmige Gestalt
aufweisen und im Gegensatz zum dargestellten Ablenkkörper, der durch die pilzförmige
Spreizung des Gemischstromes bereits von sich aus einen vollständigen Ringwirbel
anregt, nunmehr jeweils Ringabschnitte des Ringwirbels anregen, deren Umfangslänge
durch den gegenseitigen Abstand der Ablenkkörper gegeben ist.
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PatentansqrUche: