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Verbrennungskammer mit Zündkerzenanordnung für Gasturbinen mit Gleichdruckverbrennung
Die Erfindung bezieht sich auf Zündvorrichtungen für Kraftstoffbrenner, und zwar
auf solche, die im wesentlichen den bei Verbrennungskraftmaschinen benutzten Zündkerzen
ähneln und zum Zünden des Kraftstofffes in den Brennkammern von Gasturbinen dienen.
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Im Betrieb sind die Zündkerzen der Gasturbinen und sonstigen Maschinen
mit Kraftstoffbrennern den hocherhitzten Verbrennungsprodukten und infolgedessen
hohen Temperaturen ausgesetzt, die ihre Zerstörung bewirken. Ferner setzt sich Kohlenstoff
aus dem Kraftstoff in dem zwischen dem Isolator und dem Kerzenmantel befindlichen
Zwischenraum und in und um die Funkenstrecke ab. Dadurch wird die Kerze und folglich
die damit versehene Vorrichtung schon nach kurzer Zeit unbrauchbar oder arbeitet
unzuverlässig. Durch das häufige Herausnehmen der Kerzen zwecks Überprüfung und/oder
Reinigung werden nicht nur die damit ausgerüsteten Vorrichtungen und das Flugzeug,
falls sie darin eingebaut sind, oft aus dem Betrieb genommen und die Unterhaltkosten
vergrößert, sondern es wird auch die Lebensdauer der Kerzen verkürzt. Außerdem ist
bei Verwendung derartiger Vorrichtungen in Flugzeugen trotz häufiger Überprüfung
und/oder Reinigung der Kerzen
keine hinreichende Sicherheit dafür
gegeben, daß die Kerzen während des Fluges immer so einwandfrei arbeiten, daß Maschinen
mit pulsierendem Rückstoß weiterarbeiten und Turbinen mit dauernder Verbrennung
erneut angelassen werden können, wenn sie unstatisch werden.
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Um die Kerzen zu kühlen und sauberzuhalten und damit das häufige Überprüfen
und/oder Reinigen zu vermeiden und um sicherzugehen, daß sie zu jeder Zeit zwischen
den Überprüfungen und/oder Reinigungen arbeitsfähig sind, hat man schon vor-" geschlagen,
durch den Raum zwischen dem Isolator und dem Mantel sowie durch und um die Funkenstrecke
Luft zirkulieren zu lassen. Soweit bekannt, haben aber diese Vorschläge nicht den
gewünschten Erfolg gehabt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Zündkerze, insbesondere
für Brennkraftturbinen, zu schaffen, die so ausgebildet und angeordnet wird, daß
sie von der zu der Turbine strömenden Luft kühl gehalten und gereinigt wird, so
daß eine häufige Überprüfung und Reinigung zwecks Gewährleistung jederzeitiger Arbeitsfähigkeit
der Kerze nicht erforderlich ist.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Fig. i einen Längsschnitt durch den Teil, einer der Brennkammern
einer Gasturbine mit dauernder Verbrennung, in den eine Zündkerze gemäß der Erfindung
eingebaut ist, Fig. 2 eine Seitenansicht einer Ausführungsform: der in Fig. i verwendeten
Zündkerze in Pfeilrichtung 2 gesehen in vergrößertem Maßstabe, Fig. 3 einen Schnitt
nach Linie 3-3 der Fig. 2, Fig. 4 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform
einer Zündkerze nach der Erfindung und Fig. 5 einen Schnitt nach Linie 5-5 der Fig.
4. io ist das im allgemeinen zylindrisch gehaltene Gehäuse einer der Verbrennungskammern
12 einer Gasturbine mit dauernder Verbrennung. Das Gehäuse sitzt verschiebbar auf
der Leitung 11 für die von dem Kompressor der Turbine in den Raum zwischen
dem Gehäuse io und dem Verbrennungsraum 12 zugeführten Luft. Der Verbrennungsraum
ist durch eine gewölbte Kappe 14 abgeschlossen, die in die Luftleitung i i hineinragt.
In der Achse von Kappe 14 und Verbrennungskammer 12 ist eine Brennstoffdüse 15 für
flüssigen Brennstoff angeordnet, die über eine Leitung 16 gespeist wird. Die Verbrennungskammer
ist mit Einströmöffnungen i3 für die Verbrennungsluft versehen.
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Zur Zündung dient eine Zündkerze 17. Der Kerzenkörper 18 hat am äußeren
Ende einen Flansch i9 zur Befestigung an der Leitung i i und bildet am inneren Ende
die Elektrode 2o. Der Isolator 21 für den Zündstift 22 ist kegelförmig gestaltet
und in den Kerzenkörper in einem größeren Abstand von dem einen Ende desselben gasdicht
eingesetzt. Das innere Ende des Isolators 21 erstreckt sich über den Kerzenkörper
hinaus und ebenso der Zündstift 22 über das innere Ende des Isolators bis kurz vor
die Elektrode 20 zur Bildung der Funkenstrecke. Der dadurch gebildete kegelförmige
Hohlraum zwischen Kerzenkörper und Isolator ist die Ringzone, in die Gase aus der
Verbrennungskammer eintreten können.
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Der Kerzenkörper i8 hat in der Nähe des Isolatorsitzes eine Bohrung
23, die rechtwinklig zur Kerzenlängsachse verläuft, aber, wie Fig. 3 zeigt, versetzt
zu dieser angeordnet ist, so daß der Hauptteil der Bohrung auf der einen Seite,
der kleinere Teil (etwa 22%) auf der anderen Seite der Kerzenachse liegt.
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Die Kerze wird mittels des Flansches i9 an der Außenseite der Luftleitung
i i befestigt. Der Kerzenkörper ragt durch die Kappe 14 hindurch, so daß die Elektroden
im 'Jerbrennungsraum 12 liegen. Die Kerze wird in den Zwischenraum zwischen der
Kappe 14 und der Leitung i i so eingesetzt, daß die Bohrung 23 der einströmenden
Luft zugekehrt ist und die Wandflächen der Bohrung annähernd parallel zur Richtung
des Luftstromes liegen.
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Wenn die Zündkerze in dieser Weise eingebaut wird und die Turbine
läuft, wird verhältnismäßig kühle Luft vom Kompressor über die Bohrung 23 in das
Kerzeninnere und von hier über den zwischen dem Kerzenkörper und dem Isolator 21
befindlichen Zwischenraum an den Elektroden 22, 20 vorbei in die Verbrennungskammer
12 eintreten. Dadurch wird die Kerze gekühlt und verhindert oder mindestens erschwert,
daß sich aus dem Kraftstoff abscheidender Kohlenstoff in dem Raum zwischen Kerzenkörper
und Isolator und in und um die Funkenstrecke absetzt.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß bei einer Bohrung, die gemäß Fig. 1,
2 und 3 ausgebildet und angeordnet ist, die Kühlung der Kerze und die Verhinderung
von Kohlenstoffablagerungen viel wirkungsvoller erfolgt als bei einer radial gerichteten
Bohrung, deren Achse in Aufströmrichtung parallel der durch die Kerze verlaufenden
Luftströmung liegt. Das erklärt sich daraus, daß bei einer solchen Bohrung die in
den Kerzenkörper eintretende Luft durch den Isolator in zwei Ströme von ungefähr
gleichem Volumen und gleicher Stärke aufgeteilt wird, welche an der Seite, die dem
Lufteintritt gegenüberliegt, zusammenstoßen und Wirbelungen hervorrufen, die das
Hindurchströmen der Luft durch den Raum zwischen dem Isolator und dem Kerzenkörper
hindern. Bei der vorstehend beschriebenen und in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten
Ausbildung und Anordnung einer Bohrung gelangt von der in den Kerzenkörper eintretenden
Luft ein größerer Teil nach der einen Seite des Isolators als nach der anderen Seite,
so daß die Luft weniger durchwirbelt wird. Ferner wird durch den schwächeren Luftstrom
der stärkere gegen das innere Ende der Kerze abgelenkt, so daß die in den Kerzenkörper
eintretende Luft das Bestreben hat, schraubengangförmig durch den Raum zwischen
dem Kerzenkörper und dem Isolator und über die Elektroden zu strömen.
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Infolge dieser Art der Luftströmung fließt die Luft freier durch die
Kerze, und der über die Elektroden fließende Luftanteil wird vergrößert. Es ist
anzunehmen.
claß sowohl diese Vergrößerung des Luftanteils als auch die Art der Luftzuführung
durch die Kerze und über die Elektroden dazu beitragen, die Fähigkeit einer Bohrung
gemäß den Fig. 1, 2 und 3 die Kerze zu kühlen und sie von Kohleniedersc'hlägetl
freizuhalten, zu steigern. Der Strömungsverlauf der Luft, besonders die Steigung
der schraubenförmigen Bahn, ist abhängig von den einströmenden Luftvolumen und dem
Verhältnis der Luftmengen, die nach der einen oder anderen Seite des Isolators fließen,
also davon, wie weit die Bohrung seitlich zur Achse des Kerzenkörpers und des Isolators
versetzt ist. Der durch die Kerze und über die Elektroden fließende Luftanteil ist
durch diesen Faktor und durch die Größe der Bohrung bestimmt. Infolgedessen kann
der Strömungsverlauf und der Anteil der Luft, der über die Elektroden fließt, durch
Änderung der seitlichen Versetzung der Bohrung und der Größe derselben geändert
und so festgelegt werden, daß das Optimum der Kühl- und Reinigungswirkung erhalten
wird, ohne daß die Art der Strömung oder die Tiber die Elektroden fließende Luftmenge
die Aufrechterhaltung eines brennbaren Gemisches hemmt.
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Die Wichtigkeit der Vergrößerung des durch die Kerze str<inletlden
Luftanteils für die Beseitigung selbst kleiner Strömungshindernisse wird deutlich,
wenn man berücksichtigt, daß der Luft für den Eintritt in die Verbrennungskammer
zahlreiche, auf eine verhältnismäßig große Fläche verteilte Öffnungen 13 offen stehen
und daß der Unterschied der Drücke im Verbrennungsraum und im Gehäuse nur klein
ist.
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Die durch die Bohrung 23 der Zündkerze erreichte Wirkung kann auch
durch eine radial gerichtete Bohrung des Kerzenkörpers erreicht werden, deren Achse
zu der Richtung des Luftstromes durch den Raum zwischen Brennkammer und Gehäuse
einen solchen Winkel bildet, daß auf der einen Seite des Isolators mehr Luft eintritt
als auf der anderen Seite.
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Eine derartige Bohrung weist die in den Fig. 4 und 5 dargestellte
Kerze 24 auf. Der Kerzenkörper 25 ist mit einem Befestigungsflansch 26, einem Isolator
27 und Elektroden 28, 29 versehen, die in derselben Weise wie bei der Kerze 17 der
Fig. i bis 3 angeordnet sind. Die Kerze wird in gleicher Weise wie die Kerze 7 in
den Verbrennungsraum einer Gasturbine mit Gleichdruckverbrennung eingebaut. Jedoch
ist das Verhältnis des Durchmessers der Bohrung 30 zum Durchmesser des Kerzenkörpers
25 etwas größer als das des Durchmessers der Bohrung 23 zum Durchmesser des Kerzenkörpers
18 der Kerze 17. Ferner verläuft die Achse der Bohrung 3o radial zur Achse des Kerzenkörpers.
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Wenn die Kerze in die Turbine eingebaut ist, nimmt die Bohrung eine
Lage ein, daß ihre Achse mit der Strömungsrichtung der Luft an der Bohrung den in
Fig. 5 durch einen doppelköpfigen Pfeil angegebenen Winkel bildet, so daß der größere
Teil der Eintrittsöffnung (etwa 780/0) auf der einen Seite der Achse des Kerzenkörpers
und Isolators und rechtwinklig zu der Luftströmung liegt, der kleinere Teil (etwa
220/0) auf der anderen Seite.
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Die Kerze nach der Erfindung kann auch bei anderen Arten von Gasturbinen
oder bei Maschinen angewendet werden, in die Zündvorrichtungen in gleicher Weise
eingebaut sind.