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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer mit variabler Geometrie
für eine
Gasturbine und eine mit solch einer Brennkammer versehene Gasturbine.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
wird von Gasturbinen in industriellen Anwendungen erwartet, dass
sie über
einen Bereich verschiedener Lastbedingungen arbeiten, anstatt auf irgendeinem
festgesetzten Optimalwert; weiterhin muß gewissen Mindeststandards
hinsichtlich Umweltverschmutzung von Motorabgasen entsprochen werden.
Um diese Anforderungen zu erfüllen,
die oftmals in Konflikt stehen, sieht sich der Verbrennungsingenieur
wesentlichen Designschwierigkeiten gegenüber. Zum Beispiel werden zur
Verringerung von schädlichen
NOx-Emissionen oftmals so genannte magere Vormischungssysteme verwendet,
die bei Hochlastbedingungen des Motors wirksam sind. Leider neigen
solche Systeme dazu, bei Niedriglastbedingungen des Motors (aufgrund
unvollständiger
Verbrennung bei geringen Flammentemperaturen) schädliche CO-Emissionen
zu erhöhen,
und herkömmliche
Verfahren zur Steuerung von CO-Emissionen, wie zum Beispiel Entlüftungssysteme,
können zu
einem Motorleistungsverlust führen.
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Zu
Versuchen, diese Schwierigkeiten zu überwinden, gehört die Verwendung
von Systemen, die heute als „Systeme
mit variabler Geometrie" bekannt
sind (siehe ASME-Paper 95-GT-48 von Yamada et al.), in denen Verbrennungssystemluft
(die in der Regel von dem Motorverdichter zugeführt wird) so gesteuert wird,
dass bei Niedriglastbetrieb eines Motors stromaufwärts des
Brennstoffmischbereichs dem Brennraum im Verhältnis weniger Luft zugeführt wird,
als bei höheren
Lasten der Fall ist. Die für
das Verbrennungssystem benötigte
Restverbrennungsluft wird zu einem stromabwärtigen Bereich des Brennraums umgeleitet,
wo sie im Gasstrom nützliche
Arbeit verrichten kann. Auf diese Weise werden der Verdichter und
sämtliche
Verdichterluft am effektivsten eingesetzt, was im Gegensatz zu anderen Systemen
steht, bei denen die Verdichterausgabe so eingestellt werden kann,
dass sie weniger Strömung abgibt,
oder bei denen ein Teil der verdichteten Luft abgeführt wird
(wobei diese beiden Konfigurationen in der Regel weniger effizient
sind). Solch ein System mit variabler Luftverteilung gestattet,
dass Flammentemperaturen bei dem optimalen Design mit höherem Lastniveau
(höherer
Temperatur) einigermaßen
konstant gehalten werden, und folglich können schädliche Emissionspegel auf einem
Minimum gehalten werden.
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Mechanismen
zur Steuerung der Luftverteilung bei „Systemen mit variabler Geometrie" bestehen in der
Regel aus verbundenen Ventilmitteln, die gleichzeitig wirken, um
Verdichterluft proportional zu einem stromaufwärtigen und einem stromabwärtigen Bereich
eines Brennraums zu lenken, wobei der Brennraum bezüglich des
Motorhauptgehäuses
hinsichtlich seiner Position festgelegt ist, wie zum Beispiel in
der US-PS 3,859,787 (Anderson et al.) zu sehen.
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Die
Patentnummer
GB 1,160,709 von
Lucas offenbart hingegen eine ringförmige Brennkammer mit einem
Brennraum oder einem Flammrohr, der bzw. das in einem Luftmantelgehäuse oder
Verteiler physisch in Axialrichtung beweglich ist. Im stromaufwärtigen und
stromabwärtigen
Bereich des Flammrohrs, mit Bezug auf die Strömungsrichtung von Verbrennungsprodukten
durch das Flammrohr, sind Einlässe
für Primär- und Sekundärluft vorgesehen.
Eine Bewegung des Flammrohrs erfolgt auf das stromaufwärtige Ende
der Brennkammer zu oder davon weg, wobei ein Einlass für Primärverbrennungsluft
zwischen einem festgelegten Brennerkopf und dem stromaufwärtigen Ende
des beweglichen Flammrohrs definiert ist. Somit wird durch Bewegung
des Flammrohrs bezüglich
des Brennerkopfs die Größe des Primäreinlasses
geändert,
jedoch wird keine Vorkehrung zur Änderung der Größe des Sekundäreinlasses
getroffen.
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Die
US-PS 3,577,878 offenbart lediglich einen axial verschiebbaren Flammrohrteil,
der mit Verdünnungslufteinlässen ausgebildet
und mit einem mit Sekundärlufteinlässen ausgebildeten
Flammrohrteil zusammengeschoben werden kann.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer relativ einfachen, kostengünstigen,
zweckmäßigen und
leicht zu steuernden Art und Weise der gleichzeitigen Dosierung von
Primär-
und Sekundärluftströmen in den
stromabwärtigen
und stromaufwärtigen
Bereich eines Brennraums und in Anteilen, die eine effiziente Verbrennung
unter Hoch- und Niedriglastbedingungen des Motors erleichtern.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die
Erfindung kann die obige Aufgabe durch eine lineare Bewegung einer
Brennkammerkomponente lösen.
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Gemäß der Erfindung
umfasst eine Gasturbinenbrennkammer einen in einem Luftzufuhrverteiler angebrachten
Brennraum, wobei der Brennraum Folgendes aufweist: einen Brennerkopf,
der mit Brennstoffeinspritzmitteln versehen ist; einen Primärlufteinlass
von dem Verteiler in den Brennraum, wobei der Primärlufteinlass
zwischen dem Brennerkopf und einem stromaufwärtigen Ende des Brennraums
definiert wird; einen Sekundärlufteinlass
von dem Verteiler in den Brennraum stromabwärts des Primärlufteinlasses;
und Mittel zur Änderung
des Luftstroms durch den Primär-
und Sekundärlufteinlass;
wobei der Brennraum einen ersten und zweiten Teil umfasst, die teleskopartig
relativ zueinander beweglich sind, wobei der Sekundärlufteinlass
von dem Verteiler in den Brennraum zwischen dem ersten und zweiten
Teil des Brennraums definiert wird, wobei der erste und der zweite
Teil des Brennraums in einer ersten Axialrichtung relativ beweglich
sind, um Luftstrom durch den Primärlufteinlass zu vergrößern und
Luftstrom durch den Sekundärlufteinlass
zu verringern, und in einer zweiten und entgegengesetzten Axialrichtung,
um Luftstrom durch den Primärlufteinlass zu
verringern und Luftstrom durch den Sekundärlufteinlass zu vergrößern.
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Es
ist am einfachsten und zweckmäßigsten, wenn
der erste und der zweite Teil des Brennraums relativ axial beweglich
sind, um Luftströme
durch den Primär-
und Sekundärlufteinlass
in umgekehrtem Verhältnis
zueinander zu ändern.
Wenn sich der Luftstrom durch den Primärlufteinlass auf einem Maximum
befindet, ist der Sekundärlufteinlass
vorzugsweise vollständig
geschlossen; und wenn sich der Luftstrom durch den Primärlufteinlass
auf einem Minimum befindet, ist der Sekundärlufteinlass vorzugsweise vollständig geöffnet.
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Der
Sekundärlufteinlass
kann durch eine Wand des ersten Teils des Brennraums definiert werden.
Als Alternative dazu kann er durch eine Wand des zweiten Teils des
Brennraums definiert werden. Als weitere Alternative kann er durch
beide Wände, das
heißt
durch Öffnungen
in beiden Wänden,
die sich während
einer teleskopischen Relativbewegung des ersten und des zweiten
Teils des Brennraums in und außer
Deckung miteinander bewegen, definiert werden.
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Vorzugsweise
sind der erste und der zweite Teil des Brennraums relativ beweglich
und bezüglich der
festgelegten Struktur der Brennkammer festgelegt. Somit kann der
erste (bewegliche) Teil des Brennraums entweder in dem zweiten (festgelegten) Teil
oder über
dessen Außenseite
verschoben werden, wobei sich der bewegliche Teil stromaufwärts so erstreckt,
dass der Primärlufteinlass
zwischen dem Brennerkopf und einem stromaufwärtigen Ende des beweglichen
Teils definiert wird. Vorzugsweise sind der erste und der zweite
Teil des Brennraums stromaufwärtige
bzw. stromabwärtige
Teile des Brennraums und überlappen
sich gegenseitig ausreichend, um die Sekundärlufteinlässe aufzunehmen. Als Alternative
dazu, aber nur in dem Fall, dass der erste (bewegliche) Teil des
Brennraums über
die Außenseite des
zweiten (festgelegten) Teils des Brennraums verschiebbar ist, überlappen
sich der erste und der zweite Teil des Brennraums über die
gesamte Länge
des zweiten Teils.
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Vorzugsweise
sind Axialbewegungen in die erste und zweite Richtung Bewegungen
auf den Brennerkopf zu bzw. davon weg.
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Vorzugsweise
ist eine ringförmige
Dichtung, wie zum Beispiel eine Kolbenringdichtung, zwischen dem
ersten und dem zweiten Teil des Brennraums angeordnet, um eine teleskopische
relative Gleitbewegung dazwischen zu erleichtern.
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Zweckmäßigerweise
kann die teleskopische Gleitbewegung durch Verbindung des beweglichen Teils
des Brennraums mit dem Stellgliedmittel zum Schieben und Ziehen
des beweglichen Teils in die erste und zweite Axialrichtung erreicht
werden.
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Weiterhin
umfasst die Erfindung eine Gasturbine, die mit mindestens einer
Gasturbinenbrennkammer wie oben beschrieben versehen ist. Insbesondere
kann solch eine Gasturbine mit mindestens einer Brennkammer versehen
sein, bei der das Stellglied zur Bewegung des beweglichen Teils
des Brennraums zum Brennerkopf bei abnehmender Motorlast und zur
Bewegung des beweglichen Teils des Brennraums von dem Brennerkopf
weg bei zunehmender Motorlast angeordnet ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Im
Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, die nicht maßstäblich sind:
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1 ist
ein Längsschnitt
durch einen Teil der Gasturbinenbrennkammer; wobei der Teil von 1 oberhalb
der Längsmittellinie
oder Achse A-A der Brennkammer die Konfiguration der Brennkammer
zum Betrieb einer Gasturbine mit hoher Last darstellt, während der
Teil unterhalb der Achse A-A die Brennkammerkonfiguration zum Betrieb
der Gasturbine mit niedriger Last darstellt;
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2 ist
eine vergrößerte Schnittansicht
eines Teils von 1, die den Brennerkopf mit ganz geöffnetem
Primärlufteinlass
zum Betrieb einer Gasturbine mit hoher Last zeigt;
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2a ist
eine Schnittansicht ähnlich 2, die
aber den Primärlufteinlass
teilweise geschlossen zum Betrieb einer Gasturbine mit niedriger
Last zeigt, wobei Strichlinien die Hochlastposition zeigen;
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3 ist
ein vergrößerter Schnittaufriss
in Richtung von Pfeil „D" in 1,
der eine Umgehungsventilleitanordnung für den Sekundärlufteinlass
in ihrer geschlossenen Stellung zum Betrieb der Gasturbine bei hoher
Last zeigt;
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3a ist
eine vergrößerte Schnittansicht ähnlich 3,
die aber die Umgehungsventilleitanordnung für den Sekundärlufteinlass
in ihrer ganz geöffneten
Stellung zum Betrieb der Gasturbine bei geringer Last zeigt;
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4 ist
ein Längsschnitt
durch die Umgehungsventilleitanordnung von 3;
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5 ist
eine ähnliche
Ansicht wie 1, die aber eine weitere Ausführungsform
der Erfindung zeigt, und
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5A und 5B sind
Vergrößerungen von
Teilen von 5, die obere und untere Sekundärlufteinlässe in der
geschlossenen bzw. geöffneten Stellung
zeigen.
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Ausführliche
Beschreibung der Ausführungsformen
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Im
Betrieb wird Luft von einem (nicht gezeigten) motorgetriebenen Verdichter
durch einen einen Brennerkopf 2 stützenden Luftzufuhrverteiler 1 zugeführt. Der
Brennraum umfasst einen ersten und einen zweiten Teil 3, 4 (das
heißt
einen linken und einen rechten Teil oder einen stromaufwärtigen und
einen stromabwärtigen
Teil bezüglich
der Strömungsrichtung
von Verbrennungsprodukten durch die Brennkammer) und ist koaxial
im Luftzufuhrverteiler 1 angebracht. Er empfängt die
Verdichterausgabe, wie durch die gestrichelten Pfeile angedeutet,
die nach links gerichtet sind und dann über den Brennerkopf 2 in
das stromaufwärtige
Ende des linken Brennraumteils 3 verlaufen. Der rechte
Brennraumteil 4 ist bezüglich
des Verteilers 1 und des Brennerkopfs 2 festgelegt
und bildet den stromabwärtigen
Teil des Brennraums, der zu einem (nicht gezeigten) Übergangskanal
zur Führung
der Verbrennungsgase zu einer (nicht gezeigten) Turbine führt, die
aus den Gasen Energie abzieht. Der stromaufwärtige Brennraumteil 3 ist
bezuglich des Verteilers 1 und des Brennerkopfs 2 beweglich
und weist an seinem rechten Ende eine enge Gleitpassung im festgelegten stromabwärtigen Brennraumteil 4 auf,
wie gezeigt. Auf diese Weise ist der stromaufwärtige Brennraumteil 3 entlang
der Achse A-A teleskopisch beweglich, wobei solch eine Bewegung
durch Stellgliedstangen 5 erfolgt, die an an Flanschen 13 des
Brennraumteils 3 befestigten Halterungen 12 angebracht
sind. Durch Schieben der Stellgliedstangen 5 in einer ersten (stromabwärtigen)
Axialrichtung, die durch die Richtung von Pfeil B gezeigt wird,
wird der stromaufwärtige
Brennraumteil 3 nach rechts bewegt, wie im oberen Teil
von 1 gezeigt. Durch Ziehen der Stellgliedstangen 5 in
einer zweiten und entgegengesetzten (stromaufwärtigen) Axialrichtung, die
durch die Richtung von Pfeil C gezeigt wird, wird der stromaufwärtige Brennraumteil 3 nach
links bewegt, wie im unteren Teil von 1 gezeigt.
Diese teleskopische Bewegung steuert eine Sekundärluftumgehungsventilanordnung 6,
die unter Bezugnahme auf die 3 und 3a später ausführlicher
beschrieben wird. Obgleich in 1 zwei Stellgliedstangen 5 pro
beweglichen Brennraumteil 3 gezeigt werden, wäre es möglich, nur
eine Stellgliedstange pro Brennraumteil zu verwenden.
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Zur
Primärverbrennung
erforderliche Luft tritt durch einen zwischen einer Fläche 8 des
Brennerkopfs und einer Lippe 9 des stromaufwärtigen Endes des
beweglichen Brennraumteils 3 defi nierten Brennerdurchgang
in den stromaufwärtigen
Brennraumteil 3 ein, wie in den 2 und 2a dargestellt.
In diesen Figuren wird die relative Größe des Brennerdurchgangs 7 durch
Kreuzschraffierung betont. Wenn die Primärverbrennungsluft durch den Durchgang 7 strömt, wird
sie mit Brennstoff von den Injektoren 10 vermischt, und
das Luft-Brennstoff-Gemisch wird anfangs durch einen Funken von
einer (nicht gezeigten) Zündeinheit,
die sich an einer beliebigen zweckmäßigen Stelle befinden kann,
wie in der Technik wohlbekannt ist, im Brennraum 3, 4 gezündet. Die
Verbrennung findet in erster Linie im stromaufwärtigen Brennraumteil 3 statt,
und die heißen Verbrennungsprodukte
(als ein Arbeitsfluid) strömen in
Richtung der gestrichelten Pfeile von links nach rechts durch den
stromabwärtigen
Brennraumteil 4 zur (nicht gezeigten) Motorturbine weiter.
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Aus 1 ist
ersichtlich, dass sämtliche
Verdichterluft durch den Brennerdurchgang 7 zur Primärverbrennung
geleitet wird, wenn die Stellgliedstangen 5 den Brennkammerwandteil 3 in
Richtung von Pfeil B zu einer Bewegungsendgrenze bewegen. In dieser
Position weist der Brennerdurchgang 7 eine maximale Querschnittsfläche bei
minimaler Luftstromdrosselung auf (siehe den querschraffierten Bereich
von 2), wobei die Umgehungsventilanordnung 6 vollständig geschlossen
ist, so dass keine Luft dort hindurchströmen kann; diese Konfiguration
entspricht dem maximalen Motorlastzustand. Wenn umgekehrt die Stellgliedstangen 5 den
Brennkammerwandteil 3 in Richtung von Pfeil C zu einer
Bewegungsendgrenze bewegen, wird die Querschnittsfläche des
Brennerdurchgangs 7 auf ein Minimum verringert (siehe den
querschraffierten Bereich von 2a), so
dass der den Brennerdurchgang 7 durchströmende Primärluftstrom
begrenzt wird, wobei die verbleibende Luft die ganz geöffneten Öffnungen
der Luftumgehungsventilanordnung 6 durchströmt. Diese
Konfiguration entspricht dem Motorniedriglastzustand.
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Es
versteht sich, dass durch Steuerung der Stellgliedstangen 5 der
Brennraum 3, 4 auf eine beliebige Position unter
den in den 2 und 2a dargestellten
eingestellt werden kann, so dass es möglich ist, das ordnungsgemäße Verhältnis zwischen
Primär-
und Sekundärluft
aufrechtzuerhalten, um akzeptable Abgasverunreinigungs- und Motorleistungsstandards
für verschiedene
Lastzustände zu
gewährleisten.
Es liegt auf der Hand, dass durch diese einfache und zweckmäßige Anordnung
die Primär-
und Sekundärluftströme in umgekehrtem
Verhältnis
zueinander geändert
werden.
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Die 3 und 3a zeigen
die Art und Weise, wie eine durch eine Wand des stromabwärtigen Brennraumteils 4 definierte Öffnung durch
die so genannte „Schürze" am stromabwärtigen Ende
des beweglichen Brennraumteils 3 geschlossen werden kann,
wenn der Primärlufteinlass 7 vollständig geöffnet ist,
jedoch durch Bewegung des Brennraumteils 3 zum Brennerkopf 2 geöffnet werden
kann. Obgleich nur eine Öffnung
in den 3 und 3a dargestellt ist, sei darauf
hingewiesen, dass in 1 zwei Öffnungen dargestellt sind und
die Anzahl und die Querschnittsfläche der Öffnungen dahingehend variiert werden
können,
einen jeweils für
Niedriglastbedingungen geeigneten Sekundärluftstrom bereitzustellen.
Es versteht sich, dass die Öffnung
oder Öffnungen
als Alternative dazu auch im beweglichen Brennraumteil vorgesehen
sein könnten,
so dass sie durch das stromaufwärtige
Ende des festgelegten Wandteils verschlossen werden würden. Als
weitere Alternative könnte
der Sekundärlufteinlass
durch Öffnungen
definiert werden, die sowohl im festgelegten 4 als auch im beweglichen
3 Teil des Brennraums vorgesehen sind. Solch eine Anordnung wird
in 5 dargestellt, wie weiter unten beschrieben. Solche Öffnungen
würden
den Strom durch Bewegen in und außer Deckung miteinander während einer
teleskopischen Relativbewegung des stromaufwärtigen und des stromabwärtigen Teils
des Brennraums dosieren.
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Obgleich
das stromabwärtige
Ende des beweglichen Wandteils 3 in den 1 und 4 im stromaufwärtigen Ende
des festgelegten Wandteils 4 verschachtelt dargestellt
ist, versteht sich, dass eine äquivalente
Anordnung darin bestünde,
das stromauf wärtige
Ende des festgelegten Wandteils 4 innerhalb des stromabwärtigen Endes
des beweglichen Wandteils 3 zu verschachteln.
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In 4 ist
zu sehen, dass eine Kolbenringdichtung 11 in einer Nut
im stromaufwärtigen
Brennraumteil 3 angeordnet ist, so dass zwischen den Brennraumteilen 3 und 4 eine
effiziente Gleitdichtung bereitgestellt wird, wodurch Gleitreibung
verringert wird, während
gleichzeitig eine konzentrische Ausrichtung bezüglich der Längsmittellinie A-A aufrechterhalten
wird.
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Bei
den bevorzugten speziellen Ausführungsformen
der Erfindung, die in den 1 bis 4 dargestellt
sind, ist der stromaufwärtige,
radial innere Teil 3 des Brennraums in dem stromaufwärtigen Ende
des festgelegten stromabwärtigen,
radial äußeren Teils 4 verschiebbar.
Es ist jedoch auch vorstellbar, dass ein radial äußerer Teil des Brennraums der
bewegliche Teil sein könnte
und ein radial innerer Teil 3 der festgelegte Teil sein
könnte.
Zum Beispiel ist in 5 der stromabwärtige, radial äußere Teil 24 nach
links verlängert,
so dass er den stromaufwärtigen,
radial inneren Teil 23 umgibt, wodurch über diese axiale Länge ein
doppelwandiger Brennraum erzeugt wird, und die Stellglieder 5 sind
an Halterungen 12 befestigt, die an der Außenseite
des nach links verlängerten
Teils 24 des Brennraums angebracht sind. Der festgelegte
innere Brennkammerwandteil 23 weist an seinem stromaufwärtigen Ende
einen nach außen
weisenden Flansch 33 auf, der durch Flügel, die den Primärlufteinlass 7 umfassende Durchgänge definieren,
mit dem Luftverteiler 1 verbunden ist. Mit einem festgelegten
inneren Brennkammerwandteil 23 kann eine Dosierung des
Luftstroms durch den Primärlufteinlass 7 durch
Hin- und Herbewegung der stromaufwärtigen Lippe des äußeren, nach
links verlängerten
Wandteils 24 über
den Außendurchmesser
des Lufteinlasses 7 erreicht werden. Die Anordnung für den Sekundärlufteinlass 26 unterscheidet
sich etwas von der in 1 gezeigten, wobei der Sekundärlufteinlass
durch Öffnungen
definiert wird, die sowohl im festgelegten 23 als auch im beweglichen
24 Teil des Brennraums vorgesehen sind. Dies erfordert zwei Kolbenringdichtungen 35 und 36 zur
Abdichtung zwischen dem festgelegten und dem beweglichen Teil 23 und 24.
Die Dichtung 35 ist in einer Nut in der Innenseite des
beweglichen Wandteils 24 angeordnet, und die Dichtung 36 ist
in einer Nut in der Außenseite
des festgelegten Wandteils 23 angeordnet. Wenn der Primärlufteinlass
vollständig
geöffnet
ist, wie in der oberen Hälfte
von 5 gezeigt, kann keine Luft durch die Einlässe 26 im
beweglichen Wandteil 24 in den Brennraum strömen, weil
die Dichtung 35 einen Strom durch die entsprechenden Einlässe 27 im
festgelegten Wandteil 23 verhindert, und die Dichtung 36 verhindert
einen Strom durch den Spalt zwischen dem stromabwärtigen Ende
des festgelegten Wandteils 23 und dem beweglichen Wandteil 24.
Wenn der Primärlufteinlass am
meisten gedrosselt ist, wie in der unteren Hälfte von 5 gezeigt,
verhindert die Dichtung 36 immer noch einen Strom durch
den Spalt zwischen dem stromabwärtigen
Ende des festgelegten Wandteils 23 und dem beweglichen
Wandteil 24, aber die Dichtung 35 hat sich mit
dem beweglichen Wandteil 24 in eine Position knapp stromaufwärts der
Einlässe 27 in dem
festgelegten Wandteil 23 bewegt, so dass Sekundärluft durch
die Einlässe 26 und 27 in
den Brennraum strömen
kann. Obgleich die alternative Anordnung von 5 durchführbar ist,
wird sie aufgrund des zusätzlichen
Gewichts und der zusätzlichen
Kosten des sich nach links verlängerten
Brennkammerteils 24, des Bedarfs nach zwei Dichtungen 35 und 36 und
des Bedarfs nach einer weiteren Gleitverbindung (nicht gezeigt)
in einem hochbeanspruchten stromabwärtigen Teil der Brennraumwand
zur Aufnahme der Relativbewegung zwischen dem beweglichen Wandteil 24 und
der Turbine nicht bevorzugt.