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Brennstoffverdampfer für Brennkammern, insbesondere von Gasturbinen
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffverdampfersystem für Brennkammern, insbesondere
für Brennkammern von Gasturbinemtriebwerken.
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Zur Einführung von Brennstoff in das Flammrohr von Brennkammern in
Form von leichtentzündlichem Dampf sind Vorrichtungen entwickelt worden, die in
der Hauptsache aus Verdampferrohren besteben, die! an ihrem vorderen Ende oder Einströmende
an einer Rohrplatte befestigt sind und sich in Strömungsrichtung in die Flammenzone
erstrecken. Diese- Verdampferrohre gehen von der Vorderseite der Rohrplatte aus.
Die übrigen Teile der Platte schließen das Einströmende des Flammrohres im wesentlichen
ab, so daß ein großer Teil der in dieses Ende einströmenden Luft in die Verdampferröhre
und durch sie in die Flammenzone gelangt. Die hinteren Enden der Rohre sind um 18o°
nach vorn umgebogen, oder sie münden entsprechend einem anderen Vorschlag alle in
ein gemeinsames Mundstück, durch das die Luft entgegen der in der Brennkammer herrschenden
Luftströmung in die Flammenzone einströmt. Flüssiger Brennstoff wird in, die vorderen
Enden der Verdampferrohre durch Düsen eingespritzt und von dem Luftstrom durch die
Rohre mitgerissen. Da der größte Teil der Außenfläche der Rohre den in der Flammenzone
brennenden Gasen ausgesetzt ist, werden die Rohre heiß, und der durch sie strömende
Brennstoff wird verdampft, so daß ein brennbares Gemisch aus Luft. und Brennstoffdämpfen
aus den Verdampferrohren
austritt. Durch die Verdampfung des Brennstoffs
werden die Rohre andererseits gekühlt und infolgedessen gegen, überhitzen.geschützt.
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Es wurde nun durch Messungen festgestellt, daß die Gastemperaturen.
in der Flammenzone in der Nähe der Mitte bzw. in der Achse- des Verdampfers sehr
hoch sind, während sie nach außen zu allmählich niedriger werden. Bei den bekannten
Verdampfern befinden sich die iSo°-Bögen, der Rohre oder die zu dem gemeinsamen
Mundstück zusammenlaufenden Teile der Rohre in dem heißesten Teil der Flammenzone.
Der flüssige Brennstoff wird aber in diesen Bögen durch die Zentrifugalkraft gerade
gegen die Außenseite, d. h. gegen die in Strömungsrichtung hintere Seite der Bögen,
geschleudert. Dadurch ergibt sich eine ungleichmäßige Kühlung der Rohrwandung durch
den flüssigen Brennstoff gerade in der heißesten Zone, in der sie am stärksten durch
die Hitze beansprucht werden. Hierdurch sind häufig Zerstörungen der Verdampferrohre
durch Verbrennung an der vorderen, schwächer gekühlten Seite der Bögen entstanden.
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Zweck der Erfindung ist es, eine genügende Bestreichung der vorderen.
Seite der Rohrwandung der in dem heißesten Teil der Flammenzone liegenden Rohrteile
zu erzielen. Andere Vorteile der Erfindung sdad aus der weiteren Beschreibung ersichtlich.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine besondere Ausbildung des Brennstoffverdampfers,
die diel beschriebenen Mängel beseitigen soll, und kennzeichnet sich dadurch, daß
der Verdampfer ein Verdampferrohr miti der Luftströmung zugekehrtem, offenem Ende,
einem Zwischenteil und einem die Verdampfung bewirkenden Endteil von im Verhältnis
zum Rohrdurchmesser mehrfach größerer Länge sowie einen entgegen der Luftströmung
ausmündenden Auslaß aufweist, der in einem mittleren Bereich höchster Temperatur
der Flammenzone liegt, die sich von dem Auslaß des Verdampferrohres in Strömungsrichtung
der Luft erstreckt und von einem äußeren Bereich minderer Temperatur umschlossen
ist, wobei dem offenen Zuführungsende des Verdampferrohres eine Vorrichtung zum
Einführen flüssigen Brennstoffs zugeordnet ist und im wesentlichen das ganze Verdampferrohr
mit Ausnahme seines Endteiles im äußeren Bereich der Flammenzone liegt, während
sich dieser Endteil bis zum Auslaß quer durch den heißesten Mittelbereich der Flammenzone
erstreckt und an den. das Brenngemisch im Gegenstrom zur Flammenrichtung zuführenden
Zwischenteil so angeschlossen. ist, daß das Brennstoff-LuftrGemisch gegen die von
dem Luftstrom der Brennerflamme angeströmte Seite des Endteiles geleitet wird, ehe
es durch denAuslaß in die Brennkammer austritt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Fig. i eine Seitenansicht eines typischen Gasturbinentriebwerks,
teilweise aufgeschnitten, so, daß der Verdampfer erkennbar ist, Fig.2 einen Längsschnitt
durch eine Brennkammer und Fig.3 eine perspektivische Ansicht eines Verdampfers
mit! einem teilweise weggeschnittenen Leitblech.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, gelangt die Verbrennungsluft
von dem Verdichter des Triebwerks in die Brennkammer io in der Richtung des Pfeils
i i. Die Brennkammer ist gegen das Flammrohr 13 durch einen Ringraum 12 isoliert.
Das dem Luftstrom zugewendete Ende des Flammrohres ist offen, so daß ein Teil der
in die Brennkammer eintretenden Luft in das Flammrohr gelangt. Ein, quer liegendes
Leitblech 15 mit vier radial angeordneten., etwa dreieckigen Öffnungen oder Schlitzen
1511 hat an seinem vorderen Ende eine Rohrplatte 16, an, der der Verdampfer 17 gleichachsig
zur Brennkammer befestigt ist.
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Der Verdampfer besteht aus vier einzelnen Rohren 18, die sich nach
vorn durch in der Rohrplatte 16 vorgesehene besondere Löcher erstrecken, die auf
den gleichen Radien wie die Öffnungen 15a liegen. Die Rohre stehen nach vorn etwas
über die Platte 16 vor, so, daß ihre Mündungen i9 dem in die Brennkammer eintretenden
Luftstrom zugeivendet sind und einen Teil dieses Stromes aufnehmen.
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Flüssiger Brennstoff wird den Verdampferrohren durch eine Leitung
2o und einen Brenner 21 zugeführt. Der Brenner ist mit einer Zündvorrichtung versehen,
die durch ein Zündkabel, das in dem Rohr 22 geführt ist, gespeist wird, und das
mittels des Steckers 23 angeschlossen wird. In dem Brenner sind Düsen 2.4 vorgesehen.,
die den Brennstoff in die vorderen Enden. i9 der Rohre 18 einspritzen, und da die
Düsen etwas aus den Achsen der zugehörigen Rohre nach innen versetzt sind, stören
sie den freien Eintritt der Luft in die Rohre kaum.
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In Strömungsrichtung hinter dem Leitblech 15 und der Rohrplatte 16
sind die Verdampferrohre etwas nach außen gebogen, so daß -sie in die radialen Ebenen.
schräg nach außen auseinanderlaufen. Infolgedessen. liegt jeweils ein Teil jedes
Rohres unmittelbar in. Strömungsrichtung hinter einer der Öffnungen i5a des Leitbleches
15. Hinter diesemTeil der Rohre sind diese so gebogen, daß der anschließende Teil
18a der Rohre in !der Nähe der Flammrohrwand und etwa parallel zu ihr verläuft.
Dieser in Längsrichtung verlaufende Teil geht an seinem hinteren Ende in. einen
Bogen i8v von etwa i8o° über, dessen Achse einen Radius des Flammrohres darstellt,
wobei. jedes Rohr im gleichen Sinn umgebogen ist wie die anderen. An den Bogen i8b
jedes Rohres schließt sich entgegen der Luftströmung gerichteter Zwischenteil iSc
an, der ebenfalls in der Nähe der Flammrohrwand und parallel zu ihr verläuft. Auf
diese Weise liegen die- in Längsrichtung verlaufenden Teile i8a und i8c im Kreise
in, dem äußeren Teil der Flammenzone, wo die Verbrennungstemperaturen verhältnismäßig
niedrig sind.
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Der entgegen der Luftströmung gerichtete Teil i 8a jedes Rohres geht
in, einen Bogen i8d über, von, dem aus die Rohre mit Endteilen i8a quer zur Luftströmung
zu einem mittleren Mundstück 25 zusammenlaufen.
Das Mundstück besteht
Zug einem zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Hohlkörper, der an seinem hinteren
Ende geschlossen, am vorderen dagegen geöffnet ist. Die Endteile 18e der Verdampferrohre
münden etwa ta.ngential in das Mundstück ein. Dadurch entsteht ein Wirbel, der die
aus den einzelnen Rohren austretenden Gemische nochmals gut durcheinandermischt
und gewährleistet, daß etwa noch nicht verdampfter Brennstoff gegen die Innenwand
des Mundstücks geschleudert und dort verdampft wird, bevor er mit dem übrigen Brennstoff-Luft-Gemisch
in die Flammenzone austritt. Die Abmessungen des Mundstücks und den- verschiedenen
Teile der Verdampferrohre werden so gewählt, daß die Endteile! 18e der Rohre eine
erhebliche Länge haben, und zwar mindestens dreimal so lang wie der. Rohrdurchmesser
sind.
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Im Betrieb strömt der größere Teil der in die Brennkammer eintretenden
Luft in den Ringraum 12 zwischen der Brennkammer io und dem Flammrohr 13 und dann
durch die verschiedenen Löcher 26 der Flammrohrwand in Höhe des Verdampfers 17 oder
weiter dahinter in das Flammrohr hinein. Der Rest gelangt; in das vordere Ende 14
des Flammrohres 13, und während ein Teil dieser Luft durch die Öffnungen 15a des
Leitbleches 15 strömt, tritt der andere Teil durch die vorderen Eintrittsöffnungen
i9 der Verdampferrohre 18 in diese ein und nimmt dabei den durch die Düsen 2,4 in
die gleichen Eintrittsöffnungen eingespritzten flüssigen Brennstoff mit. Das Brennstoff-Luft-Gemisch
v erläßt die Verdampferrohre durch das Mundstück 25 entgegen der allgemeinen Strömungsrichtung.
Die-Verbrennung wird durch den Zündbrenner eingeleitet und setzt sich dann durch
fortlaufende Selbstzündung fort, wie dies bei Gasturbinentriebwerken üblich ist.
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Die auf den gleichen Radien wie- die nach außen gerichteten Teile,
der Verdampferrohre 18 liegenden Öffnungen i5a ih dem Leitblech 15 dienen einem
doppelten Zweck, nämlich einerseits der Zuführung von Primärluft zu der Flammenzone
(das Leitblech 15 selbst hat die Aufgabe, in der Luftströmung ein Gebiet niedrigen
Drucks zu erzeugen, in dem eine stabile Verbrennung stattfinden kann) und andererseits
einen Luftstrom auf die auseinanderlaufenden Teile der Verdampferrohre zu richten,
um diese Teile zu kühlen und Verkokungsansätze darin zu verhindern.
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Da die Verdampferrohre 18 der Flammenzone ausgesetzt sind, werden
sie sehr heiß, und der durch sie hindurchströmende flüssige Brennstoff wird auf
dem Wege von den Einlaßöffnungen i9 bis zu dem Mundstück 25 verdampft. Weil jedes
Rohr jedoch von seiner Befestigungsstelle in der Rohrplatte 16 nach außen in. die
i'n. der Nähe der Flammrohrwand liegenden, verhältnismäßig kühlen Teile geführt
ist, gelangt ein. beträchtlicher Teil des Brennstoffs noch in flüssigem Zustand
bis zu dem Bogen i8b. Der Brennstoff wird hier gegen die äußere, d. h. in Strömungsrichtung
hintere Seite dieses Bogens geschleudert, doch ist die dadurch entstehende ungleiche
Kühlung der Wände dieses Bogens, insbesondere die schwächere Kühlung der angeströmtenWand
nicht gefährlich, weil dieser Bogen in dem äußeren kühleren Teil der Flammenzone
liegt. Anschließend strömt, das Gemisch durch den Zwischenteil i8° in eiiner der
Luftströmung entgegengesetzten Richtung und gelangt dann in den Endteil iSe, der
in dem mittleren und heißesten Teil der Flammenzone angeordnet ist. Der Brennstoff
wird hier vollständig verdampft und tritt. dann zusammen mit dem übrigen Gemisch
durch das Mundstück 25 in die- Flammenzone aus.
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Es ist klar, daß die angeströmten Oberflächenteile der Endteile 18e
der Verdampferrohre dem heißesten Teil der Flammenzone ausgesetzt sind. Durch die
Bauart gemäß der Erfindung wird die Strömungsrichtung des in diese Teile eintretenden
Brennstoff-Luft-Gemisches durch die Bögen 18d so geändert, daß noch vorhandener
flüssiger Brennstoff gegen die- genannten Oberflächenteile, geschleudert wird und
dadurch die am stärksten beheizten Teile bestreicht. Die Radien der Bögen 1811 können
zur Erzielung der gewünschten Wirkung sehr verschieden sein, doch werden sie normalerweise
so klein wie bei dem verwendeten Rohrquerschnitt möglich gewählt. Die Teile 18e
werden daher so lang wie möglich vorgesehen, um einen möglichst großen Wärmeübergang
in dieser heißesten Zone zur Erzielung einer vollkommenen Verdampfung des Brennstoffs
zu erhalten. Es wurde! gefunden, daß die Länge dieser Endteile mindestens dreimal
so groß wie der Rohrdurchmesser sein sollte, damit die vorteilhaftesten Ergebnisse
erzielt werden.
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Das Wichtigste der Erfindung besteht, um es nochmals kurz zusammenzufassen.,
darin, die Verdampferrohre oder ähnlicheVerdampfungsleitungen so zu formen, daß
das darin strömende Brennstoff-Luft-Gemisch gegen die angeströmten Seiten der Hauptverdampfungsteile
der Rohre gerichtet wird und die Verdampfungsflächen dadurch von dem verdampfenden
Brennstoff wirksam bestrichen werden, sowie in der Anordnung der Hauptverdampfungsteile
in dem heißesten Gebiet der Flammenzone, während die übrigen Teile des Verdampfers
so angeordnet sind, daß sie keinen unzulässig hohen Temperaturen ausgesetzt werden.
Dadurch werden Verbrennungen und Korrosionen der Verdampferrohre vermieden und eine
vollständigere Verdampfung des Brennstoffs erreicht.