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Verdampfer und Brenner für flüssige Brennstoffe, insbesondere für
Gasturbinen und Strahltriebwerke Die Erfindung bezieht sich auf Verdampfer und Brenner,
die mit flüssigem Brennstoff und unter Druck stehendem, gasförmigem Sauerstoffträger
arbeiten und die beispielsweise für Haupt- oder NTacherhitzungsbrennkammern von
Gasturbinen oder für Brennkammern von Strahltriebwerken bestimmt sind.
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Die Zuführung des Brennstoffs zu Brennkammern von Strahltriebwerken
kann in flüssiger, verdampfter oder in einer kombinierten Form erfolgen. Wünschenswert
jedoch ist es, den Brennstoff in möglichst aufbereiteter Form in der Brennkammer
vorliegen zu haben, um eine möglichst schnelle und vollkommene Verbrennung auf einer
möglichst kurzen Brennstrecke zu erreichen.
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Es sind bereits Vorrichtungen bekanntgeworden, bei denen flüssiger
Brennstoff durch ein Gehäuse geleitet wird, das den Flammen der Brennkammer ausgesetzt
ist. Der stark vorgewärmte Brennstoff wird dann in die Brennzone eingespritzt, in
der Mittel vorhanden sein müssen, um die Flamme zu stabilisieren. Weiterhin sind
Vorrichtungen bekannt, bei denen der Brennstoff in flüssiger Form auf stark erhitzte,
siebähnliche Bleche gespritzt
wird, die frei im Luftstrom liegen.
Dabei wird der Brennstoff teilweise verdampft und von der Luftströmung mitgerissen.
Naturgemäß sind auch bei diesen Vorrichtungen Flammhalter zusätzlich erforderlich,
die die Flamme stabilisieren.
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Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verdampfers und Brenners
für flüssige Brennstoffe. der gleichzeitig als Verdampfer und als Flammhalter dienen
kann, bei Gasturbinen oder Strahltriebwerken, deren Brennkammern mit einem Gehäuse
versehen sind, das mit radialem Spiel innerhalb eines Durchgangs angeordnet ist.
Erfindungsgemäß. ist dieses Gehäuse an seinem stromaufwärts gelegenen Ende geschlossen
und am stromabwärts gelegenen Ende offen, wobei Mittel vorgesehen sind, mit denen
stromaufwärts vom offenen Ende auf die äußere Oberfläche des Gehäuses flüssiger
Brennstoff aufgespritzt wird, der durch den durch den Durchgang fließenden Hauptstrom
längs der genannten Oberfläche mitgerissen wird. Durch diese Anordnung wird ein
Teil der sich an der Gehäusemündung bildenden stabilen Flamme durch den im Gehäuse
entstehenden Unterdruck in dieses hineingesaugt, wodurch das Gehäuse aufgeheizt
wird, so daß der auf der äußeren Oberfläche befindliche Brennstoff verdampft. Durch
diese Anordnung wird es möglich, die sonst üblichen Stabilisatoren, die zum sicheren
Betrieb einer Brennkammer unbedingt erforderlich sind, einzusparen und gleichzeitig
den Brennstoff in einer solchen Form der Brennzone zuzuführen, daß eine vollständige
Verbrennung auf einer sehr kurzen Strecke erfolgt.
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Die Erfindung kann sowohl auf Rohr- als auch auf Ringbrennkammern
angewendet werden. Im letzteren Fall wird das genannte Gehäuse koaxial in der Leitung
(die die Brennkammer bildet) angeordnet. Hierbei ist sein stromaufwärts gelegenes
Ende nach außen konvex, so daß der auf dieses Ende auftreffende flüssige Brennstoff
durch den Hauptstrom sowohl längs seiner radial inneren als auch äußeren Oberfläche
mitgerissen wird.
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Die Richtung, in der der Brennstoff auf das genannte stromaufwärts
liegende Ende des Gehäuses auftrifft, ist vorzugsweise so, da,ß die Verteilung des
Brennstoffs über die genannten Oberflächen unterstützt wird. Der Brennstoff kann
etwa in Form von divergierenden Strahlen auf das stromaufwärts liegende Ende des
Gehäuses gefördert werden.
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Nach einem weiteren Merkmal besitzt das Gehäuse auf seiner äußeren
Oberfläche am stromaufwärts liegenden Ende Taschen mit beiderseits offenen Enden,
in die der Brennstoff gerichtet wird.
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Das offene, stromabwärts liegende Ende des Gehäuses kann nach außen
erweitert sein, wodurch das Ansaugen von Brennstoff und Sauerstoffträger verstärkt
wird.
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Nach einem noch weiteren Merkmal wird etwas von dem Sauerstoffträger
zusätzlich durch eine Rohrleitung, die in das Gehäuse hineinführt, in das Innere
des Gehäuses gefördert, wobei der Teil des Rohres, der innerhalb des Gehäuses liegt,
ein Auslaßende besitzt, das gegen das geschlossene, stromaufwärts liegende Ende
des Gehäuses zeigt, und der Teil des Rohres, der außerhalb des Gehäuses liegt, ein
Einlaßende besitzt, das so gerichtet ist, daß es dem Hauptstrom etwas von dem Sauerstoffträger
entnimmt.
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Zusätzlich können Einrichtungen vorgesehen werden, mit denen ein Teil
des flüssigen Brennstoffs in das Einlaßende dieses Rohres eingeführt wird. In diesem
Falle kann sein Auslaßende in der Nähe des stromaufwärts gelegenen Endes des Gehäuses
liegen, da es hierbei nicht notwendig ist, das Ansaugen der genannten Menge des
für die Verbrennung bestimmten Gemisches in das stromabwärts gelegene Ende des Gehäuses
zu verstärken.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung am Beispiel einer Gasturbine veranschaulicht
und im nachstehenden in bezug auf diese Zeichnung im einzelnen beschrieben.
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Fig. a ist eine Gesamtansicht der Gasturbine von der Seite; Fig.2
zeigt in vergrößertem Maßstab einen schematischen Schnitt einer Ausbildungsform
eines ringförmigen Verdampfers und Brenners nach der Erfindung; Fig. 3 und 4 stellen
ähnliche Ansichten wie in Fig.2 dar, sie zeigen aber zusätzlich zwei verschiedene
Anordnungen von 1-förmigen Rohren; Fig. 5 und 6 geben Längs- bzw. Querschnitte wieder,
die eine andere Form des ringförmigen Verdampfers und Brenners veranschaulichen,
wobei Fig. 5 ein Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 6 ist; Fig. 7 ist ein Längsschnitt,
der wieder eine andere Form eines ringförmigen Verdampfers und Brenners darstellt;
Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen
Verdampfers und Brenners für eine Rohrbrennkammer; Fig. g stellt einen Längsschnitt
der Anordnung einer anderen Form eines Verdampfers und Brenners für eine Rohrbrennkammer
dar.
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Die in Fig. z gezeigte Gasturbine besteht aus einem Lufteinlaß 20,
einem Axialkompressor im Abschnitt 21, Brennkammern im Abschnitt 2z, einer, Axialturbine
im Abschnitt 23 und einem Strahlrohr 24, das mit Mitteln zur Nachverbrennung der
austretenden Verbrennungsgase versehen sein kann.
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Die in den Fig. 2, 5, 6 und g gezeigten Bauarten sind in erster Linie
für die Verwendung im Strahlrohr 24 gedacht, und zwar für die Nachverbrennung der
austretenden Verbrennungsgase, während die in den Fig.3, 4, 7 und 8-gezeigten in
erster Linie für die Verwendung im Abschnitt 22 innerhalb der Hauptverbrennungsvorrichtung
bestimmt sind.
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Alle gezeigten Konstruktionen des erfindungsgemäßen Verdampfers und
Brenners, und zwar sowohl die für »Ring-« als auch die für Rohrbrennkammern vorgesehenen,
besitzen als gemeinsames Merkmal eine Erweiterung der stromabwärts gegelegenen Enden
25 des Gehäuses nach außen, um das Ansaugen eines Teiles des Hauptstromes des Sauerstoffträgers,
dessen Richtung durch die Pfeile
27 gekennzeichnet ist, in das Gehäuse
zu verstärken, wie durch die gebogenen Pfeile 26 angedeutet ist.
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In Fig.2 wird das gezeigte ringförmige Verdampfer- und Brennergehäuse
3 1 an drei Punkten, die jeweils um r2o° versetzt sind, von dem Strahlrohr
24 durch jeweils ein Stützenpaar 32 (von denen nur eines gezeigt ist) abgestützt.
Diese Stützen sind an dem Gehäuse befestigt und übergreifen zu beider. Seiten einen
Befestigungsblock 33, der an dem Strahlrohr befestigt ist, wobei die Stützen durch-
Schrauben 34 an den Befestigungsblöcken befestigt sind.
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Das stromaufwärts liegende Ende des Gehäuses ist konvex abgerundet.
Es liegt stromabwärts von einem ringförmigenBrennstoffverteilerrohr 35, dem der
Brennstoff durch eine Rohrleitung 36, die auf die Außenseite des Strahlrohres führt,
zugeführt wird. Der Brennstoff, der auf der stromabwärts liegenden Seite des Verteilerrohres
35 durch ringförmig angeordnete Öffnungen 35b, 35, mit divergierenden Achsen austritt,
ist auf das genannte konvexe Ende des Gehäuses gerichtet und wird durch den Strom
des Sauerstoffträgers längs der radial inneren und äußeren Wände des Gehäuses mitgerissen.
Die Mischung von Brennstoff und Sauerstoffträger, die in das stromabwärts liegende
Ende des Gehäuses hineingesaugt wird, wird über ein Rohr 37 durch eine Anlaßflamme
gezündet, die in einer Zündvorrichtung erzeugt wird, die keinen Teil der vorliegenden
Erfindung bildet und zusammenfassend mit 38 bezeichnet ist. Wenn die Verbrennung
innerhalb des Gehäuses eingeleitet ist, wird der dampfförmige Brennstoff und der
Sauerstoffträger oder, genauer gesagt, ein bereits brennendes Gemisch aus Brennstoff
und Sauerstoffträger, nämlich ein Teil der ann stromabwärts gelegenen Ende des Gehäuses
sicr bildenden stabilen Flamme längs der Achse des Gehäuses durch den im Inneren
des Gehäuses herrschenden Unterdruck in dieses hineingesaugt, verbrennt dort weiter,
strömt an der Innenseite des Gehäuses zurück zum offenen Ende und erwärmt dabei
die Gehäusewand so, daß der an der Außenwand des Gehäuses aufgespritzte flüssige
Brennstoff verdampft und dadurch der am stromabwärts gelegenen Ende des Gehäuses
liegenden Flamme neue Nahrung zuführt.
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In Fig. 3 wird der in das stromabwärts liegende Ende des Gehäuses
eingesogene Strom durch eine Mehrzahl J-förmiger Rohre 39 ergänzt, die im Kreis
angeordnet sind und deren einer Arm 39Q in das stromabwärts liegende Ende des Gehäuses
eingeführt ist. Der andere, 39b, liegt außerhalb des Gehäuses gegen den Strom, so
daß ein Teil des Sauerstoffträgers in ihn hineinströmt. Es ist weiter ein zusätzlicher
Brennstoffverteiler 40 vorgesehen, dem der Brennstoff durch ein Rohr 41 zugeführt
wird, das auf die Außenseite des Strahlrohres führt und das den Brennstoff in Strahlen
40a in die Arme 39b fördert. Man kann die Brennstoffzufuhr durch die Rohre 36 und
41 so einrichten, daß sie unabhängig voneinander gesteuert werden und so eine gewünschte
Regelung des Brennstoffs, der in das Gehäuse eintritt, bewirken. Die Arme
39" reichen vorzugsweise bis nahe an das stromaufwärts liegende Ende des
Gehäuseinneren, so daß in diesem Bereich eine brennbare -Mischung entsteht. Die
Verbrennung innerhalb des Gehäuses erwärmt zusätzlich die Arme 39d und verdampft
den hierdurch eintretenden Brennstoff.
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In Fig. 4 erstrecken sich die J-förmigen Rohre 139 (von denen nur
eines gezeigt ist) in das stromaufwärts liegende Ende des Gehäuses, wobei sie im
wesentlichen über ihre ganzeLänge derTemperatur innerhalb des Gehäuses ausgesetzt
sind, um den Brennstoff, der in die J-förmigen Rohre eintritt, zu verdampfen.
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In den Fig. 5 und 6 ist das ringförmige Verdampfer- und Brennergehäuse
durch drei gegabelte Laschen 42 von einem dreiarmigen Speichenstern 43 getragen.
Die äußeren Enden der Speichensternarme sind mit Flanschen 45 und Gewinden versehen,
die durch außen auf dem Strahlrohr angebrachte Warzen hindurchgehen und durch Muttern
48 befestigt sind. Der Brennstoffverteiler 35 ist gleichfalls durch drei Laschen
51 (von denen in Fig. 5 nur eine gezeigt ist) von dem Speichenst-rn gehalten. Die
Laschen 42 und 5I, die das Gehäuse und den Brennstoffverteiler abstützen, sind so
angeordnet, daß sie Ausdehnungen auf Grund von Temperaturänderungen ausgleichen
können.
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Der Brennstoffverteiler besitzt zwei Reihen von Öffnungen 35b, 35e
die so gerichtet sind, daß sie den Brennstoff in an beiden Enden offene Taschen
49" und 49b auf der radial inneren bzw. äußeren Oberfläche am stromaufwärts liegenden
Ende des Gehäuses spritzen. Auf diese Weise wird der Brennstoff gezwungen, längs
der Oberfläche des Gehäuses zu fließen.
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Zusätzlich weist der Verdampfer eine Mehrzahl von L-förmigen Rohren
52 auf, um Sauerstoffträger aus dem Strahlrohr in das Innere des Gehäuses zu fördern.
Ein Arm dieser Rohre erstreckt sich radial durch die radial innere Wand des Gehäuses
und reicht mit seinem Ende bis über die Dampfzone, die diese Wand umgibt,-hinaus.
Die offenen Enden 53 dieser Rohre sind schräg ausgebildet, um einen Strom des Sauerstoffträgers
in das Rohr hineinzudrücken.
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In Fig. 7 ist ein Paar konzentrisch angeordneter rinförmiger Verdampfer-
und Brennergehäuse 3 IQ, 34 gezeigt, die wenigstens durch ein radial gerichtetes
Verbindungsrohr 54 miteinander in Verbindung stehen. In diesem Falle ist der Brennstoffverteiler
35 so angeordnet, daß er zwischen den geschlossenen, stromaufwärts liegenden Enden
der beiden Gehäuse liegt und den Brennstoff so fördert,. daß dieser nur über die
angrenzenden Oberflächen der Gehäuse fließt. Zwischen den stromabwärts liegenden
Enden der Gehäuse befindet sich ein ringförmiger Zwischenraum 55, durch den der
verdampfte Brennstoff und der Sauerstoffträger hindurchgehen, wobei beide teilweise
in die beiden Gehäuse hineingesogen werden. Durch die gegenüberliegenden Wände der
beiden Gehäuse erstreckt sich eine ringförmige Reihe von L-förmigen
Rohren
52 und Brennstoffzufuhrleitungen 56, die den Brennstoff in die Einlaßenden 53 für
den Sauerstoffträger fördern.
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Die ringförmige Hauptbrennkammer wird einerseits durch die sich überlappenden
äußeren Ringe 57, 58, 59, 6o und 61 und andererseits durch die sich überlappenden
inneren Ringe 62, 63, 64, 65 und 66 gebildet. Die Ringe 57 und 62 weisen von dem
stromabwärts liegenden Ende der Verdampfer radialen Abstand auf, wodurch an diesen
Stellen der Sauerstoffträger eintreten kann. Weiterer Sauerstoff kann in die Brennkammer
durch ähnliche Zwischenräume zwischen den äußeren Ringen und durch Öffnungen
67, 68 in einigen dieser Ringe eintreten. Mit 22" ist eine Wand bezeichnet,
die zusammen mit der Wand 22 einen Ring bildet, durch den der Sauerstoffträger strömt
und in dem die Verdampfer konzentrisch angeordnet sind.
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Zum Anlassen sind Mittel 69 vorgesehen, um einen Brennstoffstrahl
in das Gehäuse zu fördern, sowie eine Zündvorrichtung 70.
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Eine Rohrbrennkammer; wie sie in Fig.8 gezeigt ist, enthält eine äußere
rohrförmige Wand 71, innerhalb der sich ein Flammrohr befindet, das aus einer Reihe
sich überlappender Ringe 72, 73, 74
und 75 besteht, die mit radialen Zwischenräumen
angeordnet sind. Das offene, stromabwärts liegende Ende des Ringes 7a und die radialen
Zwischenräume führen dem Flammrohr aus dem ringförmigen Raum innerhalb der Wand
7 1 Luft zu, die durch den Kompressor in die -stromaufwärts liegende Öffnung
76 gefördert wird. Wie gezeigt, kann der Fing 75 mit Öffnungen 75a versehen sein,
durch die weitere Luft eintreten kann. Der ringförmige Raum erstreckt sich stromabwärts
weiter zwischen die Wand 71 und den Ring 75, um den letzteren zu kühlen.
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Innerhalb des Ringes 72 befindet sich ein fingerhutähnliches Verdampfer-
und Brennergehäuse 77, auf dessen konvex gebogenes, geschlossenes, stromaufwärts
liegendes Ende in, divergierenden Strahlen aus einer Rohrleitung 78 Brennstoff gefördert
wird. Dieser Brennstoff wird durch die Luft, die in das stromaufwärts liegende Ende
des Ringes 72 eintritt, gezwungen, längs der Außenfläche des Fingerhutes entlang
zu laufen, wobei er, wie im vorstehenden unter Bezug auf die Ringform des Verdampfers
beschrieben, verdampft wird. Ein Teil des Gemisches aus Luft und Brennstoff tritt
in das stromabwärts liegende Ende des Fingerhutes 77 ein, wie durch die Pfeile.26
angedeutet. Ein L-förmiges Rohr 79 erstreckt sich aus dem ringförmigen Zwischenraum
innerhalb des Gehäuses 7 1 durch den Ring 72 und den Fingerhut 77
in das Innere dieses Fingerhutes. Ein Rohr 8o fördert Brennstoff in das Innere des
Rohres 79, um ein brennbares Gemisch innerhalb des Fingerhutes zu erzeugen.
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Fig.9 zeigt eine kreisförmige Anordnung von Verdampfer- und Brennergehäusen
8i von Rohrform, auf deren stromaufwärts liegende, konvex gebogene Enden durch einen
Verteiler 35 Brennstoff gefördert wird, wobei die Gehäuse durch Rohre 83 miteinander
in Verbindung stehen. Weiter ist eine Verbindung 84 gezeigt, die nicht zur vorliegenden
Erfindung gehört, in der eine Anlaßflamme erzeugt wird.
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Durch die Erfindung ist ein Verdampfer und Brenner geschaffen, der
eine ruhige Zone bildet, in die dampfförmiger Brennstoff und gasförmiger Sauerstoffträger
zum Brennen eingeführt werden und über dessen äußere Oberfläche, die durch die Verbrennung
im Innern erwärmt wird, man wenigstens einen Teil des flüssigen Brennstoffs fließen
läßt, um ihn zu verdampfen.