DE4446611A1 - Brennkammer - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkammer.

Stand der Technik

Bei Brennkammern, insbesondere bei Ringbrennkammern mit einem breiten Lastbereich, stellt sich immer wieder das Problem, wie bei hohen Temperaturen der Heißgase und unter Wahrung von niedrigen Schadstoff-Emissionen aus der Verbrennung die Lebensdauer der Schaufeln der der Ringbrennkammer unmittelbar nachgeschalteten Turbine maximiert werden können. Allgemein läßt sich feststellen, daß die Schaufeln der Turbine inte­ gral mit gleich heißen Gasen beaufschlagt werden, wobei an­ zumerken ist, daß bei einer nach einem Selbstzündungsverfah­ ren betriebenen Ringbrennkammer die Schaufeln der Turbine ei­ ner noch größeren kalorischen Belastung ausgesetzt sind, da es für eine stromauf der Turbine stattfindende betriebssi­ chere Selbstzündung Temperaturen angestrebt werden, welche eine gewisse Sicherheitsmarge gegen ein Löschen der Flamme aufweisen, wodurch die Schaufeln an sich mit einer höheren Temperatur beaufschlagt werden, als dies bei konventionellen Brennkammern der Fall ist. Dabei muß berücksichtigt werden, daß die Schaufeln über ihre radiale Ausdehnung keinen uni­ formen Festigkeitswiderstand aufweisen, weshalb die üblichen Schaufelkühlungen an Grenzen stoßen, denn gewisse Partien der Schaufeln müßten stärker gekühlt werden, andere weniger stark, was bis anhin jedoch nicht befriedigend gelöst werden konnte. Gerade die thermisch hochbelasteten Schaufelfüße sind am Wirkungsgrad der Strömungsmaschine nicht unmittelbar beteiligt, so daß dort an sich eine tiefere Temperatur vor­ herrschen könnte, ohne deswegen Wirkungsgradeinbußen zu be­ fürchten, wobei als bekannt vorausgesetzt wird, daß die mittlere Temperatur der Heißgase für die resultierende, thermische Wirkungsgrad-Ausbeute verantwortlich ist. Soweit ersichtlich ist bis anhin keine machbare Lösung bekanntgewor­ den, welche ohne Wirkungsgradeinbuße und bei tieferen Schadstoff-Emissionen, insbesondere was die Nox betrifft, ge­ zielte Partien der Schaufel mit unterschiedlichen Temperatu­ ren zu beaufschlagen vermag.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art innerhalb der Heißgasströmung eine Temperaturstufung zu be­ werkstelligen.

Eine Temperaturstufung innerhalb der Heißgasströmung läßt sich vorzugsweise bei einer Ringbrennkammer erzielen, in den der Brennstoff über eine Anzahl in Umfangsrichtung der Ring­ brennkammer wirkenden Brennstofflanzen eingedüst wird. Jede dieser Brennstofflanze weist mehrere, verschieden gerichtete Düsen auf, durch welche der Brennstoff in den Durchströmungs­ querschnitt der Ringbrennkammer eingebracht wird, womit zunächst eine sektorielle Anfettung des Brenngemisches er­ reicht wird. Eine solche Konfiguration eignet sich vorzüg­ lich, eine sektoriell unterschiedliche Anfettung des Brennge­ misches zu bewerkstelligen, wobei der eingedüste Brennstoff sich vornehmlich innerhalb des ihm zugewiesenen Sektors ver­ teilt, wodurch es möglich wird, die Temperaturverteilung über die Brennstoff-Vermischung zu beeinflussen. Damit wird eine Temperaturstufung in radialer Richtung erreicht, welche die Profilströmung für die zu beaufschlagenden Schaufeln dar­ stellt.

Die Wirbelbildung der Verbrennungsluft vor der Anfettung durch Brennstoff wird durch Wirbel-Generatoren erzielt, wel­ che stromauf der Brennstofflanzen plaziert sind. Ein wesen­ tlicher Vorteil dieser Vorkehrung besteht darin, daß die Wirbel-Generatoren sektoriell, entsprechend der Brennstoff- Eindüsung angeordnet werden, und dort auch eine individuelle Wirkung erzeugen können.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Temperaturstufung in radialer Richtung ge­ zielt angepaßt werden kann. Vorzugsweise wird die Einbrin­ gung des Brennstoffes so gehandhabt, daß die Schaufelfüße bei einer gegebenen mittleren Temperatur der Heißgase entla­ stet werden. Zwar liegt die Temperatur der Heißgase im Be­ reich der Schaufelfüße tiefer als die mittlere Temperatur, diese Einbuße kann aber leicht kompensiert werden, indem entlang des ungleich größeren Bereichs des übrigen Schaufel­ profils eine leicht höhere Temperatur der Heißgase erwirkt wird. Sinkt grundsätzlich die kalorische Belastung im Bereich der Schwachstellen, so läßt sich die Kühlung der Beschaufe­ lung entsprechend reduzieren, was sich schlußendlich in eine Wirkungsgrad-Verbesserung niederschlägt.

Des weiteren, bei vorgegebener Turbinen-Eintrittstemperatur und vorgegebenen Materialdaten erhöht sich die Lebensdauer der Schaufeln; bei gleicher Lebensdauer kann demnach die Tur­ binen-Eintrittstemperatur entsprechend erhöht werden, was zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades und der Leistung der Ma­ schine führt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch eine gezielte Temperaturstufung insbesondere in den transien­ ten Lastbereichen ein besseres transientes Verhalten des Ro­ tors zu erreichen ist, was zu kleineren Spielen zwischen dem Stator und den rotierenden Teilen führt.

Eine unterschiedliche Anfettung führt ferner dazu, daß der fettere Bereich eine flammenstabilisierende Wirkung entfal­ tet, so daß dieser Bereich ohne weiteres als Pilotstufe funktionieren kann, womit auf den Einbau eines Verbundes von Pilotbrennern und Hauptbrennern verzichtet werden kann.

Aus Versuchen hat sich ein weiterer überraschender Vorteil der Erfindung ergeben: eine solcherart erzielte Temperatur­ stufung wirkt sich als Schalldämpfung aus.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen An­ sprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Ver­ ständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungs­ richtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine Ringbrennkammer mit einer Temperaturstufung,

Fig. 2 eine Teilansicht der Ringbrennkammer, wobei der Wirkungsbereich einer einzelnen Brennstofflanze ersichtlich ist und

Fig. 6-13 Varianten der Anströmung und Brennstoffzuführung im Zusammenhang mit Wirbel-Generatoren.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit

Fig. 1 zeigt, wie aus der Wellenachse 10 ersichtlich ist, eine Ringbrennkammer 1, welche im wesentlichen die Form eines zusammenhängenden annularen oder quasi-annularen Zylinder einnimmt. Selbstverständlich kann eine solche Brennkammer auch bloß aus einem einzigen Zylinder bestehen. Darüber hin­ aus ist es ohne weiteres möglich, eine Brennkammer vorzuse­ hen, welche aus einer Anzahl einzelner axial, quasi-axial oder schraubenförmig verlaufender Zylinder besteht, die in Umfangsrichtung gegenüber der stromab wirkenden Turbine ange­ ordnet sind. Fig. 1 zeigt bloß die signifikante Partie der Ringbrennkammer 1, nämlich die Wirbelbildung, die zu einer Temperaturstufung führende Brennstofflanze sowie die stromab gelegene und zu beaufschlagende Turbine. Die Hauptströmung 4 ist immer ein Verbrennungsluftstrom, dessen Temperatur und Zusammensetzung sehr unterschiedlich sein können. Wirkt stromauf der Ringbrennkammer 1 ein Kompressor, so besteht die Hauptströmung 4 aus verdichteter Luft, welche die Verbren­ nungsluft bildet; steht die vorliegende Ringbrennkammer 1 hingegen im Verbund mit einer stromaufwirkenden ersten Brennkammer und einer ersten Turbine, so besteht diese Haupt­ strömung aus noch relativ heißen Abgasen, deren Temperatur zu einer Selbstzündung des dort eingedüsten Brennstoffes führt. Die Verbrennungsluft 4 strömt also in eine Zuströmzone 5, welche innenseitig und in Umfangsrichtung der Kanalwand 6 mit einer Reihe von wirbelerzeugenden Elementen 200, die be­ reits als Wirbel-Generatoren benannt wurden, bestückt ist, auf welche weiter unten noch näher eingegangen wird. Die Ver­ brennungsluft 4 wird durch die Wirbel-Generatoren 200 derart verdrallt, daß in der anschließenden Vormisch- und Brenn­ zone 5a keine Rezirkulationsgebiete mehr im Nachlauf zu den genannten Wirbel-Generatoren 200 auftreten. In Umfangsrich­ tung dieser Vormisch- und Brennzone 5a sind mehrere Brenn­ stofflanzen 3 disponiert, welche die Zuführung eines Brenn­ stoffes 11 und einer Stützluft 12 übernehmen. Die Zuführung dieser Medien 11, 12 zu den einzelnen Brennstofflanzen 3 kann beispielsweise durch eine nicht gezeigte Ringleitung bewerk­ stelligt werden. Die einzeln von den Wirbel-Generatoren 200 ausgelöste Drallströmung steht mit dem sektoriell eingedüsten Brennstoff 7a, 7b in Wirkverbindung, dergestalt, daß durch eine entsprechende Regelung der Brennstoffmenge über die ein­ zelnen Sektoren eine verschieden große Anfettung der einzel­ nen aus der Wirkung der Wirbel-Generatoren 200 hervorgehenden Teilströmen der Verbrennungsluft 4 resultiert, die bei der nachfolgenden Verbrennung eine unterschiedliche Temperatur­ profilierung auslöst. Eine solche Temperaturstufung 8 über den Durchfluß-Querschnitt ist in der Figur graphisch und qualitativ dargestellt. Wie leicht aus dieser Darstellung ab­ zuleiten ist, beaufschlagt diese temperaturgestufte Heißgasfront über entsprechende Leitschaufeln 9 die Laufschaufeln einer Turbine 2. Entsprechend der Temperaturstufung 8 werden die Schaufelfüße kalorisch minder belastet, dafür wird die übrige Schaufelfläche mit einer leicht höheren Temperatur be­ aufschlagt, so daß die für den Wirkungsgrad und die Leistung maßgebende mittlere Heißgas-Temperatur gewahrt bleibt.

Fig. 2 zeigt, wird zu jeder Brennstofflanze 3 im Bereich der Wirbel-Generatoren 200 eine für eine annulare Ringbrennkammer 1 typische Kammer gebildet, womit auch seitliche Wirbel-Gene­ ratoren 200 angebracht werden können. Besteht die Brennkammer aus einzelnen Röhren, so erübrigt sich eine solche Untertei­ lung, weil das Rohr dann zugleich die Kammer bildet. So gese­ hen ist die Brennstofflanze 3 anströmungsmäßig von Wirbel- Generatoren 200 ummantelt. Die sektorielle Brennstoff-Eindü­ sung 7a, 7b ist abhängig von der Lage der stromaufplazierten Wirbel-Generatoren 200, wobei diese Eindüsung zur Gewährlei­ stung einer Temperaturstufung vorzugsweise zwischen den ein­ zelnen Flankenflächen der Wirbel-Generatoren 200 zu richten ist, damit die dort entstehende Verwirbelung eine gute Mi­ schung mit der entsprechende Brennstoffmenge bildet. Selbst­ verständlich läßt sich die Brennstoff-Eindüsung 7a, 7b auch über eine größere Anzahl Düsen bewerkstelligen, dies in Ab­ hängigkeit zur angestrebten Temperaturstufung und in Abhän­ gigkeit zur Lage der einzelnen Wirbel-Generatoren 200 inner­ halb des Durchfluß-Querschnittes der Ringbrennkammer 1. Diese Ringbrennkammer kann in radialer Ausdehnung aus mehre­ ren übergeordneten Kammerreihen bestehen, wobei eine Kammer­ reihe davon als Pilotstufe zu den übrig konzentrisch angeord­ neten Kammerreihen ausgelegt werden.

In den nachfolgenden Fig. 6-13 wird auf die Philosophie der Wirbel-Generatoren näher eingegangen.

In den Fig. 3, 4 und 5 ist die eigentliche Zuströmzone 5 nicht dargestellt. Dargestellt ist hingegen durch einen Pfeil die Strömung der Verbrennungsluft 4, die nachfolgend auch Hauptströmung genannt wird, womit auch die Strömungsrichtung vorgegeben ist. Gemäß diesen Figuren besteht ein Wirbel-Ge­ nerator 200, 201, 202 im wesentlichen aus drei frei umström­ ten dreieckigen Flächen. Es sind dies eine Dachfläche 210 und zwei Seitenflächen 211 und 213. In ihrer Längserstreckung verlaufen diese Flächen unter bestimmten Winkeln in Strö­ mungsrichtung. Die Seitenwände der Wirbel-Generatoren 200, 201, 202, welche vorzugsweise aus rechtwinkligen Dreiecken bestehen, sind mit ihren Längsseiten auf der bereits ange­ sprochenen Kanalwand 6 fixiert, vorzugsweise gasdicht. Sie sind so orientiert, daß sie an ihren Schmalseiten einen Stoß bilden unter Einschluß eines Pfeilwinkels α. Der Stoß ist als scharfe Verbindungskante 216 ausgeführt und steht senkrecht zu jeder Kanalwand 6, mit welcher die Seitenflächen bündig sind. Die beiden den Pfeilwinkel α einschließenden Seitenflächen 211, 213 sind in Fig. 3 symmetrisch in Form, Größe und Orientierung, sie sind beidseitig einer Symmetrie­ achse 217 angeordnet, welche gleichgerichtet wie die Ka­ nalachse ist.

Die Dachfläche 210 liegt mit einer quer zum durchströmten Ka­ nal verlaufenden und sehr schmal ausgebildeten Kante 215 an der gleichen Kanalwand 6 an wie die Seitenflächen 211, 213. Ihre längsgerichteten Kanten 212, 214 sind bündig mit den in den Strömungskanal hineinragenden, längsgerichteten Kanten der Seitenflächen 211, 213. Die Dachfläche 210 verläuft unter einem Anstellwinkel e zur Kanalwand 6, deren Längskanten 212, 214 bilden zusammen mit der Verbindungskante 216 eine Spitze 218. Selbstverständlich kann der Wirbel-Generator 200, 201, 202 auch mit einer Bodenfläche versehen sein, mit welcher er auf geeignete Weise an der Kanalwand 6 befestigt ist. Eine derartige Bodenfläche steht indessen in keinem Zusammenhang mit der Wirkungsweise des Elementes.

Die Wirkungsweise des Wirbel-Generators 200, 201, 202 ist die folgende: Beim Umströmen der Kanten 212 und 214 wird die Hauptströmung in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt, wie dies in den Figuren schematisch skizziert ist. Die Wirbelachsen liegen in der Achse der Hauptströmung. Die Drallzahl und der Ort des Wirbelaufplatzens (Vortex Break­ down), sofern letzteres angestrebt wird, werden durch ent­ sprechende Wahl des Anstellwinkels θ und des Pfeilwinkels α bestimmt. Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht, und der Ort des Wirbelaufplatzens ver­ schiebt sich stromaufwärts bis hin in den Bereich des Wirbel- Generators 200, 201, 202 selbst. Je nach Anwendung sind diese beiden Winkel θ und α durch konstruktive Gegebenheiten und durch den Prozeß selbst vorgegeben. Angepaßt werden müssen diese Wirbel-Generatoren nur noch bezüglich Länge und Höhe, wie dies weiter unten unter Fig. 6 noch detailliert zur Aus­ führung gelangen wird.

In Fig. 3 bildet die Verbindungskante 216 der beiden Seiten­ flächen 211, 213 die stromabwärtsseitige Kante des Wirbel-Ge­ nerators 200. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende Kante 215 der Dachfläche 210 ist somit die von der Kanalströ­ mung zuerst beaufschlagte Kante.

In Fig. 4 ist ein sogenannter halber "Wirbel-Generator" auf der Basis eines Wirbel-Generators nach Fig. 6 gezeigt. Beim hier gezeigten Wirbel-Generator 201 ist nur die eine der bei­ den Seitenflächen mit dem Pfeilwinkel α/2 versehen. Die an­ dere Seitenfläche ist gerade und in Strömungsrichtung ausge­ richtet. Im Gegensatz zum symmetrischen Wirbel-Generator wird hier nur ein Wirbel an der gepfeilten Seite erzeugt, wie dies in der Figur versinnbildlicht wird. Demnach liegt stromab dieses Wirbel-Generators kein wirbelneutrales Feld vor, son­ dern der Strömung wird ein Drall aufgezwungen.

Fig. 5 unterscheidet sich gegenüber Fig. 3 insoweit, als hier die scharfe Verbindungskante 216 des Wirbel-Generators 202 jene Stelle ist, welche von der Kanalströmung zuerst beauf­ schlagt wird. Das Element ist demnach um 180° gedreht. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, haben die beiden gegen­ läufigen Wirbel ihren Drehsinn geändert.

Fig. 6 zeigt die grundsätzliche Geometrie eines in einem Ka­ nal 5 eingebauten Wirbel-Generators 200. In der Regel wird man die Höhe h der Verbindungskante 216 mit der Kanalhöhe H, oder der Höhe des Kanalteils, welcher dem Wirbel-Generator zugeordnet ist, so abstimmen, daß der erzeugte Wirbel unmit­ telbar stromab des Wirbel-Generators 200 bereits eine solche Größe erreicht, dergestalt, daß damit die volle Kanalhöhe H ausgefüllt wird. Dies führt zu einer gleichmäßigen Geschwin­ digkeitsverteilung in dem beaufschlagten Querschnitt. Ein weiteres Kriterium, das Einfluß auf das zu wählende Verhält­ nis der beiden Höhen h/H nehmen kann, ist der Druckabfall, der beim Umströmen des Wirbel-Generators 200 auftritt. Es versteht sich, daß mit größerem Verhältnis h/H auch der Druckverlustbeiwert ansteigt.

Die Wirbel-Generatoren 200, 201, 202 werden hauptsächlich dort eingesetzt, wo es darum geht, zwei Strömungen miteinan­ der zu mischen. Die Hauptströmung 4, beispielsweise als Heißgase, attackiert in Pfeilrichtung die quergerichtete Kante 215, respektiv die Verbindungskante 216. Die Sekundär­ strömung in Form eines gasförmigen und/oder flüssigen Brenn­ stoffes, der allenfalls mit einem Anteil Stützluft angerei­ chert ist (Vgl. Fig. 1), weist einen wesentlichen kleineren Massenstrom als die Hauptströmung auf. Diese Sekundärströmung wird im vorliegenden Fall stromab des Wirbel-Generators in die Hauptströmung eingeleitet, wie dies aus Fig. 1 besonders gut hervorgeht.

Im dargestellten Beispiel gemäß Fig. 1 sind die Wirbel-Gene­ ratoren 200 mit Abstand über den Umfang einer Kammer des Ka­ nals 5 verteilt. Selbstverständlich können die Wirbel-Genera­ toren in Umfangsrichtung auch so aneinander gereiht werden, daß keine Zwischenräume an der Kanalwand 6 freigelassen wer­ den. Für die Wahl der Anzahl und der Anordnung der Wirbel-Ge­ neratoren ist letzlich der zu erzeugenden Wirbel entschei­ dend.

Die Fig. 7-13 zeigen weitere mögliche Formen der Einfüh­ rung des Brennstoffes in die Hauptströmung 4. Diese Varianten können auf vielfältige Weise miteinander und mit einer zen­ tralen Brennstoffeindüsung, wie sie beispielsweise aus Fig. 1 hervorgeht, kombiniert werden.

In Fig. 7 wird der Brennstoff, zusätzlich zu Kanalwandboh­ rungen 220, die sich stromabwärts der Wirbel-Generatoren be­ finden, auch über Wandbohrungen 221 eingedüst, die sich un­ mittelbar neben der Seitenflächen 211, 213 und in deren Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 6 befinden, an der die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Einleitung des Brennstoffes durch die Wandbohrungen 221 verleiht den erzeug­ ten Wirbeln einen zusätzlichen Impuls, was die Lebensdauer des Wirbel-Generators verlängert.

In Fig. 8 und 9 wird der Brennstoff über einen Schlitz 222 oder über Wandbohrungen 223 eingedüst, wobei sich beide Vor­ kehrungen unmittelbar vor der quer zum durchströmten Kanal verlaufenden Kante 215 der Dachfläche 210 und in deren Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 6 befinden, an der die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Geometrie der Wandbohrungen 223 oder des Schlitzes 222 ist so gewählt, daß der Brennstoff unter einem bestimmten Eindüsungswinkel in die Hauptströmung 4 eingegeben wird und den nachplazierten Wir­ bel-Generator als Schutzfilm gegen die heiße Hauptströmung 4 durch Umströmung weitgehend abschirmt.

In den nachstehend beschriebenen Beispielen wird die Sekun­ därströmung (Vgl. oben) zunächst über nicht gezeigte Führun­ gen durch die Kanalwand 6 ins hohle Innere der Wirbel-Genera­ toren eingeleitet. Damit wird, ohne weitere Dispositiven vor­ zusehen, eine interne Kühlmöglichkeit für die Wirbel-Genera­ toren geschaffen.

In Fig. 10 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 224 einge­ düst, welche sich innerhalb der Dachfläche 210 unmittelbar hinter und entlang der quer zum durchströmten Kanal verlau­ fenden Kante 215. Die Kühlung des Wirbel-Generators erfolgt hier mehr extern als intern. Die austretende Sekundärströmung bildet beim Umströmen der Dachfläche 210 eine diese gegen die heiße Hauptströmung 4 abschirmende Schutzschicht.

In Fig. 11 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 225 einge­ düst, welche innerhalb der Dachfläche 210 entlang der Symme­ trielinie 217 gestaffelt angeordnet sind. Mit dieser Variante werden die Kanalwände 6 besonders gut vor der heißen Haupt­ strömung 4 geschützt, da der Brennstoff zunächst am Außenumfang der Wirbel eingeführt wird.

In Fig. 12 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 226 einge­ düst, die sich in den längsgerichteten Kanten 212, 214 der Dachfläche 210 befinden. Diese Lösung gewährleistet eine gute Kühlung der Wirbel-Generatoren, da der Brennstoff an dessen Extremitäten austritt und somit die Innenwandungen des Ele­ mentes voll umspült. Die Sekundärströmung wird hier direkt in den entstehenden Wirbel hineingegeben, was zu definierten Strömungsverhältnissen führt.

In Fig. 13 geschieht die Eindüsung über Wandbohrungen 227, die sich in den Seitenflächen 211 und 213 befinden, einer­ seits im Bereich der Längskanten 212 und 214, andererseits im Bereich der Verbindungskante 216. Diese Variante ist wir­ kungsähnlich wie jene aus Fig. 7 (Bohrungen 221) und aus Fig. 12 (Bohrungen 226).

Bezugszeichenliste

1 Ringbrennkammer
2 Turbine, Laufschaufeln der Turbine
3 Brennstofflanze
4 Hauptströmung, Verbrennungsluft
5 Zuströmzone, Kanal der Zuströmzone
5a Vormisch- und Brennzone
6 Kanalwand
7a Brennstoffeindüsung
7b Brennstoffeindüsung
8 Temperaturgestufte Front, Temperaturstufung
9 Leitschaufeln
10 Wellenachse
11 Brennstoff
12 Stützluft
200 Wirbel-Generatoren
201 Wirbel-Generator
202 Wirbel-Generator
210 Dachfläche
211, 213 Seitenflächen
212, 214 Längsgerichtete Kanten
215 Querverlaufende Kante
216 Verbindungskante
217 Symmetrieachse
218 Spitze
220-227 Bohrungen zur Eindüsung eines Brennstoffes
L, h, Abmessungen des Wirbel-Generators
H Höhe des Kanals
α Pfeilwinkel
θ Anstellwinkel

Claims (10)

1. Brennkammer, welche im wesentlichen aus einem Zuströmkanal (5) und einer nachgeschalteten Vormisch- und Brennzone (5a) besteht, wobei die Brennkammer (1) jeweils stromab und strom­ auf einer Strömungsmaschine angeordnet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Zuströmkanal (5) Wirbel-Generatoren (200, 201, 202) angeordnet sind, daß abströmungsseitig der Wirbel- Generatoren (200, 201, 202) über mindestens eine Brenn­ stofflanze (3) ein Brennstoff (11) in eine Verbrennungsluft (4) eindüsbar ist, und daß die Eindüsungsrichtung (7a, 7b) und die Menge des Brennstoffs (11) in Wirkverbindung mit den Wirbel-Generatoren (200, 201, 202) stehen.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (1) eine Ringbrennkammer ist.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbel-Generator (200) drei frei umströmte Flächen aufweist, die sich in Strömungsrichtung erstrecken, von denen eine die Dachfläche (210) und die beiden anderen die Seitenflächen (211, 213) bilden, daß die Seitenflächen (211, 213) mit ei­ nem gleichen Wandsegment des Zuströmkanals (5) bündig sind und miteinander den Pfeilwinkel (α) einschließen, daß die Dachfläche (210) mit einer quer zum Zuströmkanal (5) verlau­ fende Kante (215) am gleichen Wandsegment der Kanalwand (6) anliegt wie die Seitenflächen (211, 213), und daß längs­ gerichtete Kanten (212, 214) der Dachfläche (210) bündig mit den in den Zuströmkanal (5) hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen (211, 213) sind und unter einem An­ stellwinkel (θ) zum Wandsegment des Zuströmkanals (5) verlau­ fen.

4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden den Pfeilwinkel (α) einschließenden Seitenflächen (211, 213) des Wirbel-Generators (200) symmetrisch um eine Symmetrieachse (217) angeordnet sind.

5. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden den Pfeilwinkel (α, α/2) einschließenden Seitenflä­ chen (211, 213) eine Verbindungskante (116) miteinander um­ fassen, welche zusammen mit den längsgerichteten Kanten (212, 214) der Dachfläche (210) eine Spitze (218) bilden, und daß die Verbindungskante (216) in der Radiale des kreisförmigen Zuströmkanals (5) liegt.

6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskante (216) und/oder die längsgerichteten Kanten (212, 214) der Dachfläche (210) zumindest annähernd scharf ausgebildet ist.

7. Brennkammer nach den Ansprüchen 1, 3, 4, 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Symmetrieachse (217) des Wirbel-Generators (200) parallel zur Kanalachse verläuft, daß die Verbindungs­ kante (216) der beiden Seitenflächen (211, 213) die stromab­ wärtige Kante des Wirbel-Generators (200) bildet, und daß die quer zum durchströmten Kanal (5) verlaufende Kante (215) der Dachfläche (210) die von der Hauptströmung (4) zuerst be­ aufschlagte Kante ist.

8. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Höhe (h) des Wirbel-Generators (200) zur Höhe (H) des Zuströmkanals (5) so gewählt ist, daß der erzeugte Wir­ bel unmittelbar stromab des Wirbel-Generators (200) die volle Hohe (H) des Zuströmkanals (5) und die volle Höhe (h) des dem Wirbel-Generator (200) zugeordneten Kanalteils ausfüllt.

9. Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer nach Anspruch 1, wel­ che im wesentlichen aus einer Zuströmkanal (5) und einer nachgeschalteten Vormisch- und Brennzone (5a) besteht, wobei die Brennkammer (1) jeweils stromab und stromauf einer Strö­ mungsmaschine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus der stromauf wirkenden Strömungsmaschine stammende Verbrennungsluft (4) über Wirbel-Generatoren (200, 201, 202) geleitet wird, daß diese Verbrennungsluft (4) abströmungs­ seitig der Wirbel-Generatoren mit einem Brennstoff (11) ver­ mischt wird, daß die Eindüsung (7a, 7b) des Brennstoffes (11) bei unterschiedlicher Richtung und Menge in die Vor­ misch- und Brennzone (5a) vorgenommen wird, dergestalt, daß die Heißgase aus der Verbrennung dieses Gemisches eine tem­ peraturgestufte Front (8) bilden, deren minimale Temperatur strömungsmäßig mit der Basis der zu beaufschlagenden Schau­ feln der nachgeschalteten Strömungsmaschine (2) überein­ stimmt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff (11) von einer Stützluft (12) unterstützt wird.