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Brennkammer für flüssige oder gasförmige Brennstoffe
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für flüssige oder
gasförmige Brennstoffe zur kontinuierlichen Verbrennung mit einem innerhalb des
Brennkammeraußengehäuses angeordneten Flammrohr, in dem Verbrennungsgas infolge
der Ejektorwirkung der eingeblasenen Luft zurückgeführt wird.
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Bei einer durch die DT-OS 2 144 805 bekanntgewordenen Brennkammer
wird durch die gesamte einströmende Verbrennungsluft ebenfalls ein Teil der Verbrennungsgase
zurUckgesaugt. Dort ist der Strömungsverlauf der Verbrennungsgase jedoch umgekehrt,
nämlich an der Außenseite des Flammrohres zurückströmend und dann von außen nach
innen zuströmend, so daß der Kraftstoff in die unvordünnten Verbrennungsgase eingespritzt
wird, bevor sich die Verbrennungsluft mit diesem Kraftstoff/ Gas-Gemisch vereinigen
kann. Durch diese Maßnahme wird zwar die Stickoxidemission reduziert, die zur Verbrennungsstabilisiorung
von bisher armen Gemischen mit einer Luftverhältniszahl größer als z. B. zwei und
zur Rekombination von CO- und OH-Radikalen benötigte, ausgeprägte Rezirkulationsströmung
in der Primärzone kommt jedoch bei dieser Brennkammer nicht zustande.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und durch
die Aufteilung der Verbrennungsluft in Teilströme eine gleichmäßigere Vermischung
von Luft, Brennstoff und Verbrennungsgasen und damit eine hochgradig homogene Verbrennung
in einer blauen Flamme herbeizuführen.
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, daß im Flammrohr
vor der primären Verbrennungszone und koaxial zum Flammrohr eine die Rückführung
eines Teils der Verbrennungsgase aus dieser Zone fördernde Hülse angeordnet ist,
die zwischen ihrer Außenwandfläche und einer Zwischenwand des Flammrohres einen
sich in Strömungsrichtung erweiternden Mischkanal frei läßt, in dessen Eingangsquerschnitt
Ejektorluftdüsen und dem außerdem von einem koaxial im Gehäuse befestigten Umlenknabenkörper
durch Kanäle Luft und Kraftstoff sowie ferner die zurückgeführten Verbrennungsgase
zugeführt werden. Besonders vorteilhaft wird die Vermischung der Medien und die
Verbrennung der Gase, wenn die Kanäle für Luft und Kraftstoff zu einer gewölbten
Innenwandfläche so geneigt sind, daß die genannten Medien tangential auf diese Innenwandfläche
aufgeblasen bzw. aufgespritzt werden.
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Für die Rückführung der Verbrennungsgase ist es besonders vorteilhaft,
wenn im Anschluß an die primäre Verbrennungszone vor der Sekundärzone radial auf
die Mittelachse der Brenikammer gerichtete SekundärlufteinlaßdUsen angeordnet sind,
durch die Sekundärluft eingeblasen wird, die einen Ringwirbel hervorruft, der die
Rückströmung der Verbrennungsgase begünstigt. Demgemäß ist es weiterhin Ziel der
Erfindung, in Verbindung mit radial nach außen in die Primärzone eindringendem Sekundärluftstrahl
die Rezirkulationsströmung zu verstärken, indem die Sekundärluftstrahlen dort eine
Rezirkulationsströmung in Form eines
Ringwirbels induzieren. hierdurch
wird in der Primärzone auch bei einem sehr armen Kraftstoff/Luft -Gemisch und damit
bei niedrigen Verbrennungstemperaturen eine stabile Verbrennung erroicht.
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Im Mischkanal des Ejektors wird flüssiger Kraftstoff vor Eintritt
in die Verbrennungszone verdampft und mit dem größten Teil der Verbrennungsluft
vermischt, wodurch die bildung von Stickoxiden vermieden oder zumindest weitgehend
vermindert wird.
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Die erfindungsgemäße Brennkammer wirkt dabei so, daß die als voller
oder in Segmente aufgeteilter Ringstrahl in den Ejektor einströmende Primärluft
außer Verbrennungsgasen auch einen Teil der durch die Sekundärluftöffnungen in die
Primärzone eindringenden Sekundärluft, der sich mit rückströmenden Verbrennungsgasen
mischt, zurücksaugt. Diese erfindungsgemäße Einrichtung eignet sich besonders fiir
Gasturbinen, die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet werden sollen, weil sich
vor allem im Toillastgebiet sowohl ein guter Ausbrand als auch verschwindend geringe
Stickstoffemission ergeben. Im übrigen kann die erfindlmgsgemäße Brennkammer aber
auch in gleich guter Weise als Industrie- und Jieizungsbrenner eingesetzt werden.
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Im übrigen ist es zweckmäßig, wenn hinter der Sekundarzone weitere
Öffnungen vorgesehen sind, durch die die sogenannte Verdünnungsluft in die Verdünnungszone
eingeblasen wird. Konstruktiv kann es zweckmäßig sein, wenn die durch die Sekundär-
und die Verdünnungslufteinlaßdüsen eingeblasene Luft, gegebenenfalls auch die Primärluft,
durch einen Ringkanal zugeführt wird, der sich zwischen dem Flammrohr und dem flrennkammeraußengehäuse
befindet.
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Anstelle einer ringförmigen Einlaufdüse, durch die Kraftstoff und
Primärluft zugeführt wird, kann es aber auch vorteilhaft sein, einen Einlaufkörper
vorzusehen, der die Ringkanäle fächerförmig in Ringsegmente für Luft und Verbrennungsgaszufuhr
aufteilt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen,
die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.
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Darin zeigen Fig. 1 einen Längsmittelschnitt durch eine Brennkammer
für Kraftfahrzeug-Gas turbinen, Fig. 2 einen Längsmittelschnitt durch eine ähnliche
Brennkammer, jedoch mit fächerförmiger Aufteilung des Primärluft-Ringstraills und
des zurückgesaugten Verbronnungsgas/Luft-Gemisches, Fig. 3 die Draufsicht auf diese
fächerförmige Einlaufdüse in Richtung der Rezirkulationsströmung, Fig. 4 eine Ansicht
auf diese Fächereinlaufdüse.
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Die in Fig. 1 dargestellte Brennkammer enthält ein Flammrohr 11 mit
Sekundärlufteinlaufbüchsen 12 und Verdünnungsluftlöcher 13, das eine Primärzone
14, eine Sekundärzone 15 und eine Verdünnungszone 16 umfaßt. In llinsicht auf die
Ausströmrichtung der Brennkammer 17 liegt vor der Primärzone 14 eine Hülse 1d, deren
Außenwand 19 mit der Zwischenwand 20 des Flammrohres 11 einen sich konisch erweiternden
Ringraum bildet, der als Elischstrekke 21 dient. Die IIülse 1d ist durch Stege 22
mit der Zwischenwand
20 des Flammrohrs 11 verbunden. Das die Außenwand
23 des Flammrohres 11 mit der Zwischenwand 20 verbindende Einlaufstück 24 bildet
zusammen mit der Einlaufdüse 25 einen Ejektor 26. Die Einlaufdüse 25 enthält achsmittig
einen Körper 27 mit Kanälen 28 für die Kraftstoffzufuhr und Kanälen 29 für die Zufuhr
von Zerstäubungsluft, die durch den Ringspalt 30, der von dem Körper 27 und dem
Umlenknabenkörper 31 gebildet wird, austritt und dabei den aus den Kanälen 28 austretenden
Kraftstoff erfaßt und auf der gekrümmten Innenwand 32 der Einlaufdüse 25 verteilt.
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Die Einlaufdüse 25 bildet mit dem gerundeten und sich verdikkenden
vorderen Teil 33 der Itülse 18 einen stark gekrümmten Ringkanal 34, durch den Verbrennungsgase
mit einem Teil der Verbrennungsluft vermischt aus der Primärzone 14 durch den Ejektor
26 angesaugt werden.
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Beim Betrieb der Brennkammer strömt ein Teil der von einem Verdichter
gelieferten und in einem Wärmetauscher vorgewärmten Verbrennungsluft, die sogenannte
Primärluft, durch den Ringspalt 26 ein und saugt durch Ejektorwirkung aus der Primärzone
t4 Verbrennungsgase durch die Hülse 18 und den Umkehrkanal 34 an, um sich in der
Mischstrecke 21 mit diesen und dem von der Fläche 32 abdampfenden und ablösenden
Kraftstoff zu vermischen. Der Anteil der durch den Ringspalt 26 einströmenden Luft
beträgt beispielsweise 3c Prozent der gesamten in die Brennkammer einströmenden
Luftmenge.
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Der Kraftstoff wird durch acht Kanäle 28 so eingespritzt, daß er sich
infolge der starken Umlenkung der durch den Kanal 34 strömenden Gase unter Fliehkraftwirkung
und durch Zerstäuberluft unterstützt, die durch Bohrungen 29 ein- und durch den
Ringspalt 30 radial nach außen geblasen wird, auf der stark gekrümmten Fläche 32
verteilt, von dort abdampft und in die durch den Kanal 34 strömenden Gase diffundiert.
Nicht verdampfter Kraftstoff löst sich an der Hinterkante der Einlaufdüse 25 ab,
um in- der Mischstrecke 21 vollends zu verdampfen.
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Die Verdampfung und Diffusion setzt sich beim Durchströmen der Mischstrecke
2f fort, so daß ein im wesentlichen homogenes Gemisch aus Luft, Verbrennungsgas
und Kraftstoffdampf in die Primärzone 14 strömt. Dieses Gemisch wird von dem Ringwirbel
erfaßt, der durch den in die Primärzone zurückströmenden Anteil der durch die Einlaufbüchsen
12 einströmenden Sekundärluft induziert wird. Dabei verbrennt der Kraftstoff in
diesem Ringwirbel, der ständig die zur Aktivierung der Zerfallreaktionen des Kohlenwasserstoff-Kraftstoffes
benötigte Energie zuführt und die zum Ablauf dieser Reaktionen und der Rekombinationsreaktionen
von CO sowie 0-, OH- und R-Radikalen benötigten Verweilzeiten ermöglicht und so
die Verbrennung stabilisiert. Die letzteren Reaktionen werden im SekundärrUckströmgebiet
15 fortgesetzt, bis Jeweils Gleichgewichtszustand erreicht ist. Durch die Verdünnungsluftlöcher
13 strömt Zusatzluft ein, die zur Herabsetzung der bis dahin erreichten Verbrennungstemperatur
auf die z. B. am Eintritt in eine sich anschließende Turbine zulässige Gas temperatur
benötigt wird.
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Zahl undDurchmesser der Löcher 13 richten sich nach dem am Austritt
17 aus der Brennkammer nach Durchlaufen der Minchstrecke 16 - der sogenannten Verdünnungszone
- gewünschten Radialtemperaturprofil. In dieser Zone 16 kann der CO-Abbau noch fortgesetzt
werden.
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Die in Fig. 2 bis 4 dargestellte Ausführung enthält anstelle der Einlaufdüse
25 der Fig. 1 einen Einlaufkörper 35, der die Ringkanäle 26 und 34 der Fig. 1 fächerförmig
in Ringsegmente 36 und 37 für Luft bzw. Verbrennungsgas aufteilt, um auf solche
Weise eine Vielzahl von Einzelstrahlen, hier acht Strahlen, zu bekommen und damit
eine schnellere Vermischung der Kaltluft- und Iieißgasströme zu erzielen. Die Zufuhr
und die Aufbereitung des Kraftstoffs erfolgen in der gleichen Weise wie in der Ausführung
der Fig. 1. Während für diese jedoch jede beliebige Winkellage der Kraftstoffkanäle
2tS möglich ist, ist es bei der Ausführung der Fig. 2 zweckmäßig, jeden Kanal 2
jeweils in der Mitte eines Kanals 37 oder bei einer größeren Zahl von Kanälen 28
als Kanälen 37 Gruppen von Kanälen 28 jeweils im Bereich dieser Kanäle 37 anzuordnen.
In beiden Ausführungen strömt durch die Bohrungen 38 Luft zur Killung des flrennerdoms
39 und der Flammrohrwand 11 ein, die durch den Ringspalt 40 zwischen dor Flammrohrwand
11 und dem Brennerdom 39 entlang der Wand 11 in die Primärzone 14 bzw.
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Sekundärzone 15 ausgeblasen wird, um sich dort schließlich mit Verbrennungsgasen
zu vermischen.
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Die Einrichtung 41, die in der Fig. 1 als 11ochspannung-Zündkerze
dargestellt ist, dient in bekannter Weise zur Zündung des aus der Mischstrecke 21
austretenden Kraftstoff/Luft/Gas-Gemisches.
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