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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
Gasturbinenbrenner. Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf
Verbesserungen in Gasturbinenbrennern, die weniger Stickoxid
(NOx) enthaltende Emissionen erzeugen können.
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In einem Bemühen, die Menge an NOx in dem Abgas von
einer Gasturbine zu verringern, wurde ein
Doppelstufen-Doppelmodus-Brenner von der Rechtsnachfolgerin dieser Erfindung
entwickelt, und in dem US-Patent 4 292 801 beschrieben. In dem
vorgenannten Patent ist beschrieben, daß die Menge an Abgas-NOx
stark verringert werden kann im Vergleich zu einem üblichen
einstufigen, eine einzige Brennstoffdüse aufweisenden Brenner,
wenn zwei Brennkammern derart ausgebildet werden, daß unter
Bedingungen bei normaler Betriebslast die stromaufwärtige primäre
Verbrennungskammer eine Vormischkammer bildet, während die
tatsächliche Verbrennung in der stromabwärtigen, sekundären
Brennkammer erfolgt. Bei diesem beschriebenen Betriebszustand
gibt es in der primären Kammer keine Flamme, und ihr
vorgemischter Brennstoff und Luft werden in der sekundären Kammer
verbrannt, was eine Verringerung in der Bildung von NOx zur
Folge hat. In diesem Zustand bildet die sekundäre oder mittlere
Düse die Flammenquelle für den Betrieb des Brenners. Die in dem
Patent beschriebene spezielle Konfiguration enthält eine
ringförmige Anordnung von primären Düsen, die jeweils Brennstoff in
die primäre Brennkammer abgeben, und eine zentrale sekundäre
Düse, die Brennstoff in die zweite Brennkammer abgibt. Mit
anderen Worten, der Mittelkörper der zweiten Stufe arbeitet als
eine Zündvorrichtung bzw. Pilot für vorgemischten Brennstoff
und Luft, die aus der ersten Stufe strömen. In einer späteren,
damit in Beziehung stehenden Entwicklung, die Gegenstand des
US-Patents 4 932 570 (auch gleichzeitig übertragen) ist, wurde
die einzelne Mitteldüse durch eine kombinierte Verteilungs
(Diffusions)- und Vormischdüse ersetzt, die die
Brennstoffströmung zu der mittigen Verteilungsflamme von etwa 20% der
gesamten
Brennstoffströmung auf etwa 2% der gesamten
Brennstoffströmung für den gesamten Brenner verkleinert. In dieser
späteren Entwicklung wird der Pilot von einem kleinen Diffusions-
Subpilot und vorgemischtem Brennstoff und Luft gebildet, die
beide von einer Düse der sekundären Stufe innerhalb des
Mittelkörpers zugeführt werden.
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Während der vorgemischten Verbrennung ist es für die
Flamme von dem Piloten der zweiten Stufe wünschenswert, zu
allen Zeiten stabil zu sein, da Flammen-Instabilitäten hohe
schwingende (dynamische) Druckwerte zur Folge haben. Diese
dynamischen Drucke können Brenneroperationen stören, indem die
Flamme in vermeintlich flammlose Haltebereiche verschoben wird,
d.h. sie können einen Rückschlag hervorrufen. Ein stabilerer
vorgemischter Pilot bei allen Betriebsbedingungen würde
dynamische Drucke verringern und die Betriebscharakteristiken des
Brenners und der Gasturbine verbessern.
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Die bestehenden Mittelkörper-Becheranordnungen, die in
den vorgenannten US-Patenten 4 982 570 und 4 292 801 gezeigt
sind (beide werden hiermit in die vorliegende Offenbarung
eingeschlossen), enthalten im allgemeinen zylindrische
Mittelkörperbecher mit einem Luftverwirbler um den Außendurchmesser des
Bechers herum. In dem US-Patent 4 982 570 ist der
Mittelkörperbecher in einem Ausführungsbeispiel so gezeigt, daß er sich
stromabwärts von der sekundären Düse nach außen erweitert, aber
er verwendet weiterhin einen Verwirbler, der stromabwärts von
der Verteilungs- und Vormischdüse angeordnet ist und die
Becherwand des Mittelkörpers umgibt. Der äußere Verwirbler bildet
die Flamme aus Stabilitätsgründen säulenförmig aus, aber zur
gleichen Zeit schirmt er die Flamme von anderen
Flammhaltevorrichtungen ab. Wenn die Konfiguration des Mittelkörpers nicht
richtig gestaltet ist, können hohe dynamische Druckschwingungen
bei gewissen Betriebsbedingungen auftreten, wenn die sekundäre
Düse, die vorgemischten Brennstoff und Luft in dem Mittelkörper
liefert, in Betrieb ist. Da die sekundäre Düse, die
vorgemischte Brennstoffluft an den Mittelkörper liefert (im
Gegensatz zu einer stabileren Verteilungspilot-Sekundärdüse),
notwendig
ist, um kleine Emissionswerte zu erzielen, ist eine
Abwandlung des Mittelkörpers gemäß dieser Erfindung das beste
Verfahren, um eine stabilere Pilotflamme zu erzeugen und
kleinere dynamische Druckwerte zu erzielen.
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Gemäß der Erfindung wird eine Gasturbine mit den in
Anspruch 1 angegebenen Merkmalen geschaffen.
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Die Hauptaufgabe dieser Erfindung ist deshalb, das
Verhalten (Geschwindigkeit und Richtung) des vorgemischten
Brennstoffes und der Luft zu verändern, die durch den
Mittelkörperbecher strömen, um die Flamme zu zünden. In der ursprünglichen
Geometrie, wie sie in den oben angegebenen zwei Patente
beschrieben ist, ist der Becher zylindrisch, und die durch ihn
hindurchtretende Strömung wird durch eine außenseitige Schicht
der Verwirbelungsluft auf diesem Weg gehalten. Die Abwandlung
gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, den
Becherdurchmesser in einen divergierenden bzw. divergenten Abschnitt
auszudehnen und den äußeren Luftverwirbler zu eliminieren. Dies
verkleinert stark die äußere Luftschicht und verkleinert die
Strömungsgeschwindigkeit (eine gleiche Masseströmung durch eine
größere Fläche), während eine gewisse radiale Verteilung des
Brennstoff- und Luftgemisches gestattet wird, wenn es den
Mittelkörperbecher verläßt, wodurch eine größere
Rezirkulationszone und somit eine stabilere Flamme hervorgerufen wird. Der
divergente Becher kann auch als eine Halterung zur Befestigung
von Flammhaltern dienen. Somit ist gemäß dieser Erfindung
primär das besondere Merkmal, daß Flammstabilisation ohne
Verwirbelungsluft, die die Flamme umgibt, erreicht wird. In der
vorliegenden Konfiguration ist der divergente Mittelkörperbecher
an einer Vorrichtung befestigt, die ein verwirbeltes
Brennstoff/Luft-Gemisch an den Becher liefert. Das Gemisch
verbrennt, wenn die Flamme in dem Becher gehalten wird, aber es
kann durch den divergenten Becher in radialer Richtung
expandieren, wenn es stromabwärts weiterströmt. Das Ergebnis ist
eine größere Rezirkulationszone, wobei die Flamme näher an dem
Becher gehalten wird, was seinerseits die Flamme schützt und
dadurch die Flammstabilität vergrößert. Zur gleichen Zeit wird
anstelle des zuvor verwendeten Luftverwirblers ein
Kühlmittelverteiler zwischen den inneren und äußeren zylindrischen
Abschnitten des Mittelkörpers angeordnet, der einen kleinen Teil
der Luftströmung durch den Mittelkörper ableitet, um die äußere
Oberfläche des Mittelkörperbechers zu kühlen.
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Somit wird gemäß jedem der Ausführungsbeispiele der
Erfindung ein Mittelkörper geschaffen, der zwei zylindrische
Abschnitte aufweist, wobei der äußere Abschnitt gekühlt oder un
gekühlt ist. Ein Verwirbler, der an das Ausgangsende der
Verteilungs- und Vormischdüse angrenzt, ist an dem inneren
zylindrischen Abschnitt befestigt, um so während des Betriebs ein
verwirbeltes Brennstoff/Luft-Gemisch an den Becher zu liefern.
Stromabwärts von diesem inneren Verwirbler ist ein divergenter
Becherabschnitt zu dem inneren zylindrischen Abschnitt
hinzugefügt. Der divergente Becherabschnitt kann entweder eine gerade
Kegelkonfiguration, eine gekrümmte konische Oberfläche oder
eine Variation oder Kombination von den zwei aufweisen.
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Der Mittelkörperbecher wird durch Prall- und/oder
Filmkühlluft gekühlt, die durch einen Kühlmittelverteiler
hindurchströmt, der radial zwischen den inneren und äußeren
zylindrischen Abschnitten und speziell zwischen dem Mittelkörperbecher
und dem äußeren zylindrischen Abschnitt angeordnet ist.
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In einem Ausführungsbeispiel enthält der divergente
Becherabschnitt divergente Endabschnitte, die durch einen im
wesentlichen zylindrischen, dazwischen angeordneten
Mittelabschnitt verbunden sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist der
Kühlmittelverteiler radial zwischen und im Abstand von dem
Mittelkörperbecher und benachbart zu dem äußeren zylindrischen
Abschnitt angeordnet, so daß sich ein stromaufwärtiger Abschnitt
parallel zu dem stromaufwärtigen divergenten Abschnitt des
Mittelkörpers erstreckt, und ein stromabwärtiger Abschnitt sich im
wesentlichen parallel zu dem zylindrischen Zwischenabschnitt
des Mittelkörpers erstreckt. Das stromabwärtige Ende des
Verteilers bleibt im wesentlichen zylindrisch und schneidet
dadurch den stromabwärtigen divergenten Endabschnitt des
Mittelkörperbechers.
Gleichzeitig ist das stromaufwärtige Ende des
Verteilers an dem Mittelkörperbecher durch eine geschlossene,
ringförmige Wand befestigt. An einer Stelle zwischen den Enden
des Verteilers verläuft eine ringförmige Wand zwischen dem
Kühlmittelverteiler und dem äußeren zylindrischen Abschnitt des
Mittelkörpers.
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Der Verteiler ist mit einer ersten Anzahl von Öffnungen
stromaufwärts von der verbindenden Zwischenwand und einer
zweiten Anzahl von Öffnungen stromabwärts von der verbindenden
Zwischenwand versehen, während letztere auch mit einer dritten
Anzahl von Öffnungen versehen ist. Durch diese Anordnung wird
Luft, die axial in den Ringraum zwischen den inneren und
äußeren Abschnittes des Mittelkörpers stromt, gezwungen, im Prinzip
von dem Ringraum durch die erste Anzahl von Öffnungen in dem
Verteiler zu einer Kühlkammer zu strömen, wo die Luft auf die
äußere Oberfläche des Mittelkörperbechers aufprallt. Die Luft
verläßt dann die Kühlkammer durch die zweite Anzahl von
Öffnungen (stromabwärts von der verbindenden Zwischenwand) und kehrt
zu dem Raum zwischen dem Verteiler und dem äußeren
zylindrischen Abschnitt zurück für eine axiale Strömung aus dem
Mittelkörper, wobei sie für eine Filmkühlung sorgt. Zur gleichen Zeit
strömt ein kleinerer Anteil der Luft direkt durch die dritte
Anzahl von Öffnungen in der verbindenden Zwischenwand, wobei
sie die Kühlkammer umgeht.
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Die genaue Anzahl von Öffnungen in jeder der
entsprechenden ersten, zweiten und dritten Anzahl von Kammern kann
nach Wunsch eingestellt werden, um die gewünschte Kühlung,
Luftströmung usw. zu erhalten.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel hat der
Mittelkörperbecher eine gleichförmig konische Form, wobei ein
Kühlmittelverteiler an seinem vorderen Ende befestigt ist. Der
Verteiler verläuft parallel zu dem Becher und axial darüber hinaus,
wo er das stromabwärtige Ende von dem äußeren zylindrischen
Abschnitt schneidet, der, anders als in dem ersten beschriebenen
Ausführungsbeispiel, entlang seiner gesamten Länge im
wesentlichen
zylindrisch ist. In dieser Anordnung kann die Verbindung
zwischen dem vorderen Ende des Verteilers und dem äußeren
zylindrischen Abschnitt geschlossen sein, wodurch die gesamte
Luft gezwungen wird, durch eine erste Anzahl von Öffnungen in
dem Verteiler zu einer am Ende offenen Kühlkammer zu strömen,
wodurch der Mittelkörperbecher gekühlt wird. Alternativ kann
eine ringförmige Anordnung von Löchern vorgesehen sein, wo der
Verteiler den äußeren zylindrischen Abschnitt schneidet, so daß
wenigstens ein Teil der Luft aus dem Raum zwischen den inneren
und äußeren Mittelkzrperabschnitten strömen kann, ohne auf den
inneren Mittelkörperbecher aufzuprallen. In diesem zweiten
Ausführungsbeispiel kann der äußere zylindrische Abschnitt entlang
seiner gesamten Länge filmgekühlt sein, wodurch zusätzliche
Strömungsbahnen aus dem Ringraum zwischen den inneren und äuße
ren Abschnitten des Mittelkörpers heraus gebildet werden.
Abwandlungen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele werden
hier ebenfalls näher beschrieben.
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In ihren breiteren Aspekten bezieht sich die
vorliegende Erfindung deshalb auf eine Mittelkörperkonstruktion zur
Verwendung in einem Gasturbinenbrenner, der zwei innere und
äußere, im allgemeinen zylindrische Teile aufweist, wobei das
innere Teil einen an seinem Vorderende befestigten divergenten
Becherabschnitt, der sich in Richtung auf das äußere
zylindrische Teil erstreckt, und einen Kühlmittelverteiler aufweist,
der zwischen den inneren und äußeren zylindrischen Teilen
radial benachbart zu dem Mittelkörper-Becherabschnitt angeordnet
ist.
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Die erfindungsgemäßen Konstruktionen des
Mittelkörperbechers haben eine Anzahl von Vorteilen gegenüber den früheren,
bekannten Konstruktionen. Durch Eliminieren des äußeren
Verwirblers und Verwenden eines divergenten Mittelkörperbechers
verbrennt das Luft/Brennstoff-Gemisch in dem Becher, expandiert
aber in radialer Richtung, wenn die Flamme stromabwärts
wandert. Dies ruft eine größere Rezirkulationszone hervor, wobei
die Flamme näher an dem Becher gehalten wird, wodurch die
Flammstabilität vergrößert wird. Zur gleichen Zeit wird eine
Kühlanordnung für den Mittelkörperbecher geschaffen, die auch
eine Barriere für einen Rückschlag hervorruft.
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Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus
der detaillierten Beschreibung deutlich, die folgt.
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In den Zeichnungen:
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Figur 1 ist eine Seitenansicht von einem bekannten
Gasturbinentriebwerk, das in einem Teilschnitt gezeigt ist;
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Figur 2 ist eine vergrößerte, detaillierte
Seitenansicht von einem Brennerabschnitt von einem Gasturbinentriebwerk
mit einem bekannten Aufbau;
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Figur 3 ist eine vergrößerte, detaillierte
Seitenansicht von einem Mittelkörperbecher (wobei die Brennstoffdüse
der Klarheit halber weggelassen ist) gemäß dieser Erfindung,
der in einem Teilquerschnitt gezeigt ist;
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Figur 4 ist eine vergrößerte, detaillierte
Seitenansicht von einem Mittelkörperbecher (wobei die Brennstoffdüse
der Klarheit halber weggelassen ist) gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung, der ebenfalls in einem
Teilquerschnitt gezeigt ist;
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Figur 5 ist eine vergrößerte Detaildarstellung von
einem Mittelkörperbecher gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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Figur 6 ist eine Teilvorderansicht von dem in Figur 5
gezeigten Mittelkörperbecher; und
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Figur 7 ist eine vergrößerte, detaillierte
Seitenansicht von einem Mittelkörperbecher gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Gemäß den Figuren 1 und 2 enthält eine Gasturbine 12
einen Verdichter 14, einen Brenner 16 und eine Turbine 18, die
durch eine einzelne Schaufel dargestellt ist. Auch wenn es
nicht speziell gezeigt ist, so ist allgemein bekannt, daß die
Turbine antriebsmäßig mit dem Verdichter entlang einer
gemeinsamen Achse verbunden ist. Der Verdichter verdichtet
Einlaßluft, die dann in der Richtung gewendet wird oder rückwärts
strömt zu dem Brenner, wo sie dazu verwendet wird, den Brenner
zu kühlen, und sie wird auch dazu verwendet, Luft für den
Verbrennungsprozeß zu liefern. Die Gasturbine enthält mehrere
Brenner 16 (einer ist gezeigt), die um den Umfang der
Gasturbine herum angeordnet sind. In einem bestimmten
Gasturbinenmodell gibt es 14 derartige Brenner, die um den Umfang der
Gasturbine herum angeordnet sind. Ein Übergangskanal 20
verbindet das Auslaßende seines jeweiligen Brenners mit dem
Einlaßende von der Turbine, um der Turbine die heißen Verbrennungs
produkte zuzuführen.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere in einem
wenig NOx erzeugenden Doppelstufen-Doppelmodus-Brenner des Typs
verwendbar, der in den US-Patenten 4 292 801 und 4 982 570
beschrieben ist. Wie in dem letztgenannten Patent beschrieben und
in Figur 2 gezeigt ist, kann jeder Brenner eine primäre oder
stromaufwärtige Brennkammer 24 und eine sekundäre oder
stromabwärtige Brennkammer 26 aufweisen, die durch einen
Venturi-Engstellenbereich 28 getrennt sind. Der Brenner ist von einer
Brennerströmungshülle 30 umgeben, die eine Verdichterauslaß-
Luftströmung zu dem Brenner leitet. Der Brenner ist weiterhin
von einem äußeren Gehäuse 31 (Figur 1) umgeben, das mit dem
Turbinengehäuse (Figur 1) verschraubt ist.
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Primäre Düsen 36 sorgen für eine Brennstoffzufuhr zu
dem stromaufwärtigen Brenner 24 und sind in einer ringförmigen
Anordnung um eine mittlere sekundäre Düse 38 herum angeordnet.
In einem Ausführungsbeispiel der Gasturbine kann jeder Brenner
sechs primäre Düsen und eine sekundäre Düse aufweisen. Um die
Beschreibung des Brenners zu vervollständigen, wird den Düsen
Brennstoff durch Leitungen 42 (Figur 1) in einer bekannten Art
zugeführt. Die Zündung in dem primären Brenner wird durch eine
Zündkerze 48 (Figur 1) und in benachbarten Brennern durch
Querzündröhren 50 (Figur 1) hervorgerufen, wie es ebenfalls im
Stand der Technik gut bekannt ist.
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Wie in Figur 2 gezeigt und in dem US-Patent 4 292 801
beschrieben ist, können die primären Düsen von dem
Verteilungsbzw.
Diffusionstyp sein, wie es bei 36 gezeigt ist, und eine
Brennstoffzufuhrdüse 54 und einen ringförmigen Verwirbler 56
aufweisen. Die Düse 54 liefert nur Brennstoff, der dann
anschließend mit Verwirblerluft zur Verbrennung gemischt wird.
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In dem US-Patent 4 982 570 und wie es hier auch in
Figur 2 gezeigt ist, ist die sekundäre Düse 38 als eine
kombinierte Verteilungs- und Vormischdüse offenbart. Die kombinierte
Düse enthält einen Diffusionspilot 62 mit einer
Brennstoffzufuhrleitung 64. Die Brennstoffzufuhrleitung enthält eine axiale
Leitung 66 und mehrere radiale, blind endende
Verteilungsleitungen 68 für gemischten Brennstoff, die sich von der axialen
Leitung radial nach außen erstrecken. Die
Brennstoffverteilungsleitungen enthalten jeweils mehrere Brennstoffabgabelöcher
(die allgemein durch Pfeile 70 angegeben sind), die
stromabwärts in Richtung auf das Auslaßende der kombinierten Düse
gerichtet sind. Die Brennstoffverteilungslöcher sind so bemessen,
daß der gewünschte Prozentsatz an Brennstoffströmung in die
Vormischkammer erhalten wird. Der Diffusionspilot 62 enthält
ferner eine Luftversorgungsleitung 74, die koaxial mit der
axialen Brennstoffversorgungsleitung 66 ist und diese umgibt.
Die Lufteinstromung in die Luftversorgungsleitung ist
Verdichterausgangsluft, die um den Brenner herum rückwärts strömt in
das Volumen 76, das durch die Strömungshülle 30 in der
Brennkammerauskleidung 78 gebildet ist. Der Diffusionspilot enthält
an seinem Auslaßende einen ersten Verwirblerringraum oder
Diffusionspilot-Verwirbler 82 zu dem Zweck, abgegebene Luft aus
der Luftversorgungsleitung zu der Diffusionspilotflamme zu
richten.
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Eine Vormischkammer 84 wird durch einen hülsenähnlichen
abgestumpften Kegel 86 gebildet, der den stromabwärtigen
Abschnitt der sekundären Düse umgibt und ein Auslaßende enthält,
das neben dem Auslaßende des Diffusionspiloten endet.
Verdichterausgangsluft strömt auch rückwärts von dem Volumen 76 in die
Vormischkammer in einer der Luftversorgungsleitung ähnlichen
Weise. Die mehreren radialen Brennstoffverteilungsleitungen 68
erstrecken sich durch die Luftversorgungsleitung 74 und in den
Vormischkammerringraum hinein, so daß Brennstoff und Luft
gemischt und einem zweiten Verwirbler oder
Vormischkammerverwirbler 88 zwischen dem Diffusionspiloten und dem abgestumpften
Kegel 86 der Vormischkammer zugeführt werden.
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Ein dritter oder äußerer Verwirbler 90 ist strömabwärts
von dem Auslaßende der kombinierten Verteilungs- und
Vormischdüse angeordnet. Dieser Verwirbler ist zwischen einem
Mittelkörperbecher 92 auf dem Auslaßende des Piloten und der
Mittelkörperwand 94 der primären Verbrennungskammer angeordnet.
Verdichterluft strömt auch rückwärts zu diesem Verwirbler aus dem
Volumen 76, das die Verbrennungsauskleidung umgibt. Der Zweck
dieses dritten Verwirblers besteht darin, für Stabilität für
die Flamme der Verteilungs- und Vormischdüse zu sorgen, wenn
sie mit der primären Vormischströmung aus dem primären Brenner
kombiniert wird.
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Es wird nun auf Figur 3 eingegangen; die verbesserte
Anordnung von einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist in
der Weise gezeigt, daß es einen Düsenmittelkörper enthält, der
zwei konzentrisch angeordnete zylindrische Teile 96, 98 (die
den Wänden 94, 86 in Figur 2 entsprechen) aufweist, die eine
ringförmige Luftkammer 100 zum Aufnehmen von
Verdichterauslaßluft aus dem Volumen 76 (siehe Figuren 1 und 2) bilden. Das
innere zylindrische Teil 98 ist mit einem Verwirbler 102
versehen, der dem Verwirbler 88 (Figur 2) ähnlich ist, und enthält
eine mittlere Hülse 104 für einen Eingriff mit dem Auslaßende
von einer Brennstoffdüse (die aus Gründen der Klarheit nicht
gezeigt ist). Der Verwirbler 102 weist mehrere
Verwirblerschaufeln 106 auf, die dazu dienen, das Luft/Brennstoff-Gemisch aus
der Vormischkammer 84 (Figur 2) zu verwirbeln.
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Gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist der Mittelkörperbecher 108 an dem vorderen Ende des inneren
zylindrischen Teils 98 befestigt und weist einen divergierenden
bzw. divergenten Wandabschnitt 110, einen im wesentlichen
zylindrischen Wandabschnitt 112 und einen divergenten
Wandabschnitt 114 an seinem stromabwärtigen Ende auf. Zur gleichen
Zeit ist das äußere zylindrische Teil 96 mit einem divergenten
Abschnitt 116 und einem im wesentlichen zylindrischen Abschnitt
118 in einer im wesentlichen konzentrischen Anordnung mit dem
Mittelkörperbecher 108 versehen. Ein Kühlmittelverteiler 120
ist zwischen dem Mittelkörperbecher 108 und den Wandabschnitt
116, 118 des äußeren zylindrischen Teils 96 vorgesehen, die
eine Kühlkammer 121 bilden. Der Verteiler 120 weist einen
divergenten Abschnitt 122 und einen im allgemeinen zylindrischen
Abschnitt 124 auf, der an seinem stromabwärtigen Rand an dem
Rand des Becherwandabschnittes 114 befestigt sein kann. Der
stromaufwärtige Abschnitt des Verteilers 120 greift an dem
divergenten Abschnitt 110 des Bechers 108 an, wobei ein
Wandabschnitt 125 senkrecht zu der Wand 110 verläuft, wie es am
besten in Figur 3 zu sehen ist. Zur gleichen Zeit ist der
Kühlmittelverteiler 120 mit dem äußeren zylindrischen Teil 96 an
den Verbindungsstellen der Wandabschnitt 116, 118 durch eine
ringförmige Wand 126 verbunden, die von dem Verteiler 120 an
einer Stelle zwischen seinen stromaufwärtigen und
stromabwärtigen Enden ausgeht. Der divergente Abschnitt 122 des Verteilers
120 ist mit einer ersten Anzahl von Kühlmittel-Öffnungen 128,
die stromaufwärts von der Wand 126 liegen, und einer zweiten
Anzahl von Öffnungen 130 versehen, die stromabwärts von der
Wand 126 liegen. Die ringförmige Wand 126 ist mit einer dritten
Anzahl von Öffnungen 132 versehen. Es wird deutlich, daß die
ersten, zweiten und dritten Anzahlen der Öffnungen 128, 130 und
132 in Umfangsrichtung im Abstand in ihren entsprechenden
Flächen oder Wänden 122, 124 und 126 angeordnet sind.
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Ein Teil der durch die ringförmige Kammer 100
strömenden Luft tritt durch die dritte Anzahl von Öffnungen 132 aus
dem Mittelkörper aus. Zur gleichen Zeit wird jedoch ein
Hauptteil der Luft in die erste Anzahl von Öffnungen 128 abgeleitet
und strömt entlang der äußeren Oberfläche des
Mittelkörperbechers 108, um durch die stromabwärtige zweite Anzahl von
Öffnungen 130 in dem zylindrischen Wandabschnitt 124 des
Kühlmittelverteilers 120 auszutreten. Auf diese Weise wird der
Mittelkörperbecher 108 durch Prallluft gekühlt, und zur gleichen Zeit
wird eine Barriere gegen Rückschlag durch die Luft
hervorgerufen,
die zwischen den Wänden 118 und 124 austritt.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird,
ist der äußere Verwirbler 90, der oben in Verbindung mit der in
Figur 2 gezeigten Konstruktion beschrieben worden ist, von der
Mittelkörperkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung
eliminiert worden. Während also das Gemisch verbrennt, wenn die
Flamme in dem Becher 108 gehalten wird, kann es durch den
divergierenden Becher in radialer Richtung expandieren, wenn es
stromabwärts wandert. Das Ergebnis ist eine größere
Rezirkulationszone, wobei die Flamme dichter an dem Becher gehalten
wird, der seinerseits die Flamme schützt, wodurch ihre
Stabilität vergrößert wird.
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Um die Kühlung de Bechers weiter zu verbessern, wird
deutlich, daß der divergente Abschnitt 114 des Bechers 108
weggelassen werden kann, wodurch die Kühlluft innerhalb der
Kühlkammer 121 in einem modifizierten Kühlmuster aus dem
Mittelkörper heraustreten kann und somit für eine Filmkühlung von einem
Abschnitt der zylindrischen Wand 124 sorgt.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Anzahl und Anordnung
der Öffnungen in den ersten, zweiten und dritten Anzahlen der
Öffnungen 128, 130, 132 in entsprechender Weise gemäß
Luftströmungs/Kühlerfordernissen gewählt werden können und nicht auf
die hier gezeigten Ausführungsbeispiele begrenzt sind.
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Es wird nun auf Figur 4 eingegangen, in der eine
Konstruktion des Mittelkörperbechers gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt ist. Diese
Mittelkörperkonstruktion verwendet ein filmgekühltes, äußeres, zylindrisches
Teil 140, das mit mehreren Schlitzen oder Öffnungen 142
versehen ist, die sowohl in axialer Richtung als auch in
Umfangsrichtung angeordnet sind. Das äußere zylindrische Teil bleibt
auch im wesentlichen zylindrisch über seiner Länge, wobei nur
eine leichte Erweiterung nach außen an seinem stromabwärtigen
Ende vorgesehen ist. Zwischen den inneren und äußeren
zylindrischen Teilen 140 und 144 ist eine ringförmige Luftkammer 146
gebildet, durch die Luft aus dem Volumen 76 (siehe Figur 2)
strömt. Das innere zylindrische Teil 144 hat einen
Mittelkörperbecher 148, der von seinem stromaufwärtigen Ende 150 bis zu
seinem stromabwärtigen Ende 152 gleichförmig divergiert bzw.
auseinanderläuft. Wie in dem zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiel ist ein innerer Verwirbler 154 mittig in dem inneren
zylindrischen Teil 144 angeordnet (die Brennstoffdüse ist
wiederum aus Gründen der Klarheit weggelassen).
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Ein ringformiger Kühlverteiler 156 erstreckt sich um
den Mittelkörperbecher 148 herum und in axialer Richtung über
den Becher hinaus zu der vorderen Spitze von dem äußeren
zylindrischen Teil 140, wo er an dem letzteren befestigt ist. Der
Verteiler 156 ist durch eine stromaufwärtige Wand 155 an dem
Becher 148 so befestigt, daß der Verteiler radial im Abstand
von sowohl dem Mittelkörperbecher 148 als auch dem äußeren
zylindrischen Teil 140 angeordnet ist und eine ringförmige
Kühlkammer 157 zwischen dem Verteiler und dem Mittelkörperbecher
bildet.
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Eine erste Anzahl von Löchern 158 ist in einer
ringförmigen Anordnung in dem Verteiler 156 vorgesehen. Eine zweite
Anzahl von Löchern 160 ist auf dem Umfang im Abstand
angeordnet, wo der Verteiler 156 mit dem äußeren zylindrischen Teil
140 an seinem stromabwärtigen Rand verbunden ist.
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Durch die oben beschriebene Anordnung strömt ein Teil
der durch die ringförmige Kammer 146 (aus dem Volumen
76 -siehe Figur 2) strömenden Luft durch Öffnungen 158 in die
Kammer 157, wo sie auf den Mittelkörperbecher 148 aufprallt und
diesen kühlt. Die übrige Luft strömt durch Löcher 160 aus der
Kammer 146 heraus und umgeht die Kühlkammer 157. Hier können
wiederum die Anzahl, Form und Größe der ersten und zweiten
Anzahlen der Löcher 158, 160 geändert werden, um sie an spezielle
Anwendungen der Erfindung anzupassen.
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In Figur 5 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem ein vorderes Ende 164 von einem
ringförmigen
Kühlmittelverteiler 162 durch eine ringförmige Wand 166
verschlossen ist, die sich zwischen dem Kühlmittelverteiler und
dem äußeren zylindrischen Teil 168 erstreckt, während das
rückwärtige Ende 170 mit dem Mittelkörperbecher 172 verbunden ist.
In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der
Mittelkörperbecher 172 in axialer Richtung über das äußere zylindrische
Teil 168 und den Verteiler 162 hinaus, so daß sich der
Kühlschlitz oder die Kammer 174 nur teilweise entlang dem
Mittelkörperbecher 172 erstreckt. Eine erste Anzahl von Löchern 176
ist in einer ringförmigen Anordnung in dem ringförmigen
Verteiler 162 ausgebildet, und aufgrund der geschlossenen Wand 166
ist die gesamte Luft, die durch die ringförmige Kammer 178
strömt, gezwungen, durch die Löcher 176 in die Kühlkammer 174
zu strömen, wo sie entlang der äußeren Oberfläche des
Mittelkörperbecher 172 gerichtet ist. In dem Fall, daß es als
wünschenswert erachtet wird, daß ein gewisser Teil der Luft aus
der Kammer 178 austritt, ohne durch Öffnunge 176 strömen zu
müssen, kann die ringförmige Wand 166, wie es in Figur 6
dargestellt ist, mit beispielsweise zehn in gleichen Abständen
angeordneten Schlitzen oder Öffnungen 180 aufgebaut sein, die darin
ausgebildet sind und gestatten, daß ein gewisser Teil der Luft
den Kühlmittelverteiler 162 umgeht.
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Gemäß Figur 7 weist der Mittelkörper in einem weiteren
Ausführungsbeispiel ein äußeres zylindrisches Teil 182 und ein
inneres zylindrisches Teil 184 auf, die dazwischen eine
Luftkammer 186 bilden. Ein innerer Verwirbler 188 ist in dem
inneren zylindrischen Teil befestigt und steht mit dem
stromabwärtigen Ende von einer Brennstoffdüse 190 in Eingriff.
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Ein Mittelkörperbecher 192 ist an dem stromabwärtigen
Ende des Teils 184 vorgesehen (einstückig oder befestigt), der
sich im wesentlichen gleichförmig nach außen in Richtung auf
das äußere zylindrische Teil 182 krümmt und an einem
ringförmigen Schlitz 194 endet.
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Ein Kühlmittelverteiler 196, der sich im wesentlichen
in der gleichen Weise wie der Mittelkörperbecher 192 krümmt,
erstreckt sich zwischen dem stromaufwärtigen Ende des Bechers
192 und dem stromabwärtigen Ende des äußeren zylindrischen
Teils 192 und bildet eine ringförmige Kühlkammer 198. Eine
erste Anzahl von Öffnungen 200 ist in einer ringformigen
Anordnung in dem Verteiler 196 vorgesehen, so daß die gesamte Luft,
die durch die Kammer 186 strömt, gezwungen ist, durch die
Öffnungen 200 hindurch in die Kammer 198 zu strömen und auf den
Mittelkörperbecher 192 entlang seiner gesamten Länge
aufzuprallen, bevor sie den Mittelkörper über den Schlitz 194 verläßt.
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In jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
werden die dynamischen Druckwerte auf mehreren Wegen
verkleinert. Erstens gestattet der expandierte Mittelkörperbecher
eine größere Rezirkulation. Zweitens hat der expandierte Becher
eine größere Fläche, um die Flamme zu verankern, und ein
größeres Volumen, damit sich Brennstoff und Luft mischen, wenn
diese radial nach außen strömen. Drittens wird bei Fehlen eines
äußeren Verwirblers die radiale Flammausbreitung zu anderen
Flammhaltern nicht behindert. Viertens ruft das Vorhandensein
der umgebenden Kühlluft eine Barriere gegen Rückschlag hervor.