Verfahren zum Betrieb von Brennkammern hoher Wärmebelastung für Gasturbinen anlagen, und Einrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens. hie Erfindung betrifft ein Verfahren znm Betrieb von Brennkammern hoher Wärmebelastung für Gasturbinenanlagen, insbesondere solchen, die zum Antrieb von Flugzeugen dienen und in :
deren Brennkam- mer aus der Umgebung angesaugte und in einem Gebläse verdichtete Luft durch Brenn stoffzufuhr auf höhere Temperatur zu brin gen ist, wobei -die gebildetem Verbrennungs gase unter Leistungsabgabe auf den Umge bungsdruck entspannt werden. Die Erfin dung betrifft ferner eine. Einrichtung zum 1us@führen dieses Verfahrenssi.
Für die Brennkammer solcher Gasturbi- nenanlagen wird hohe Wärmebelastung ge fordert, das heisst die je Einheit Brennkam- mervolumen zuführbare Wärmemenge muss gross sein. Im Zusammenhang damit spielt die Zeit, die benötigt wird, um die Volumen einheit Fördermittel auf eine vorgeschriebene Temperatur zu bringen, eine aussGhlag- nebende Ro'l'le.
Je kleiner diese Zeit ist, desto grösser fällt die erreichbare Wärmebelastung aus und desto kleiner wird somit das erfor derliche Brennkammervolumen bei gege bener zuzuführender Wärmemenge. Kleine Brennkammervolumina sind aber bekanntlich ein vor allem bei Gasturbinenanlagen für den Antrieb von Flugzeugen erstrebenswertes Ziel. Die Aufgabe, die sich bei solchen Brenn- kammern stellt, besteht somit darin, ein ge gebenes Luftvolumen durch Zugeben von Brennstoff in möglichst kurzer Zeit von einer niedrigen auf eine bestimmte höhere Tempe ratur zu bringen.
Zweck der Erfindung ist, diese Aufgabe zu lösen. Sie stützt sich dabei auf folgende Erkenntnisse: 1. Die zum Erhitzen der Luft erforderliche Zeit hängt in erster Linie von den physikalischen und chemischen Eigen schaften des Brennstoffes ab. Um kurze Ver brennungszeiten zu erreichen, müssen leicht flüchtige Brennstoffe verwendet werden. Fer ner spielt die Stabilität,der Moleküle in dem Sinne eine Rodle, dass langgestreckte Ketten moleküle in kürzerer Zeit zerfallen als Ring moleküle.
Im Gegensatz zu Benzinmotoren sind für Gasturbinenan'lagen der in Betracht kommenden Art somit Brennstoffe niedriger Oktanzahl geeigneter. 2. Damit überhaupt eine stabile Verbrennung stattfinden kann, muss die Flammengeschwindigkeit in der Umgebung des Brennstoffetrahls grösser sein als die in dieser Zone auftretende Luftge schwindigkeit. Ist dies nicht der Fall, so kann sich ohne Fremdzündung keine ständige Flammzone bilden.
Es ergeben sich somit hinsichtlich des für Brennkammern hoher Wärmebelastung zu verwendenden Brennstoffes zwei gegensätz liche Forderungen. Einmal sollte ein schwer flüchtiger Brennstoff, wie z. B. Rohöl oder Rohpetro#1, zur Verwendung kommen, weil dann die Sicherheit gegen Brandgefahr gross ist, ferner in der Brennstoffzuführung weni- Zer Betriebsstörungen (Dampfblasenbildung) zu befürchten sind und im weiteren das Tankvolumen bei begebenem Brennstoffge- wicht klein ausfällt.
Anderseits sollte der Brennstoff leichtflüchfig sein und aus lang gestreckten, unstabilen Kettenmolekülen be stehen, da. für solche Brennstoffe der Zünd- verzug klein ist und sich daher günstige Ver brennungsverhältnisse ergeben.
Gemäss dem Verfahren nach vorliegender Erfindung wer den diese gegensätzlichen Forderungen nun dadurch überbrückt, dass in der Brennkam mer ein schwerflüchtiger Brennstoff auf einen so hoch erhitzten Körper gespritzt wird, da.ss ein rascher Zerfall des Brenn stoffes in leichter flüchtige Bestandteile er folgt, die sich im Kontakt mit diesem Kör per entzünden, wobei in den körpernahen Grenzschichten sieh eine stabile Flamme aus bildet.
Wird nach diesem Verfahren vorgegan gen, so lässt sich erreichen, dass sich die flüchtigen Bestandteile, die beim Aufspritzen des schw-erflüchtiben Brennstoffes gegen den hocherhitzten, im Luftstrom liegenden Körper entstehen, rasch entzünden.
Die Anwendung des erfin.dungs.gemässen Verfahrens bietet den weiteren Vorteil, dass sich an dem erhitz ten Körper, auf den der Brennstoff gespritzt wird, Grenzschichten bilden, in welchen sich wegen der verringerten Gesc'hv-indigheiten der Gasteilchen stabile Flammen (Flammen geschwindigkeit grösser als die Geschwindig- keit der Gasteilchen) ausbilden können. Die Durchtrittsgesehwindigkeit der Luft durch die Brennkammer ist daher durch keine Rücksichten auf die Flammengeschwindig keit begrenzt.
Ferner erfolgt der Wärmeüber gang in den erwähnten Grenzschichten längs des erhitzten Körpers. In der Brennkammer ist daher keine künstliche Turbulenz zu schaffen, um die Wärmeabgabe von der Flammenzone an die Luft durch Konvektion zu verstärken. Die Druckverluste durch Rei bung am erhitzten Körper lassen sich um so mehr verkleinern, je höher die zulässige Tem peratur dieses Körpers ist, weil sich dann mit.
kleinerer Oberfläche auskommen .lässt. Damit die Brennstoffteilchen schon beim Eintritt in die Flammenzone eine hohe Tem peratur haben, empfiehlt es sich, den schwer- f <B>flür 1</B> hti,-:en Brennstoff vor der Einspritzung in die Brennkammer stark vorzuwärmen.
Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine Rückstossantriebsvorrichtung für ein Flug- zeug, deren Brennkammer mit einer beispiels- ,veisen Einrichtung zur Ausführung des er findungsgemässen Verfahrens ausgerüstet ist, in vereinfachter Darstellungsweise veran- schaulieht, und zwar zeigt:
Fig. l einen axialen Längsschnitt durch die Antriebsvorrichtunb und Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 11-II der Fig. 1.
In den Figuren bezeichnet 1 den E.in- trittsdiffusor der Rückstossantriebsvorrieh- tung für ein Flugzeug, das sich in Richtung des Pfeils A fortbewegt. Ferner bezeichnet die feststehenden Leitschaufeln und 3 die Laufschaufeln eines Gebläses, das seinen An trieb über eine Welle 4 von einer Turbine 5 mit Laufschaufeln 6, und Leitschaufeln 7 er hält. Beim Fliegen strömt Luft dem Gebläse 2, 3 durch den Diffusor 1 zu, wobei in diesem ein Teil der kinetischen Energie der Luft in Druck umgewandelt wird.
Der im Gebläse 2, 3 weiter verdichtete Luftstrom wird in eine ringförmige Brennkammer 8 gefördert. In diese sind drei konzentrisch um ihre Längs achse ineinander angeordnete, nach Art eines Siebes durchlochte Rotationskörper 9, 10 und 11 a.us hitzebeständigem Werkstoff, der Tem peraturen über 500 C aushalten kann, einge baut. Als solche Werkstoffe kommen in Be tracht: hitzebeständige Stähle, Kunststoffe, Asbest, keramische Baustoffe und derglei chen. 23 bezeichnet Abstützungen für die Rotationskörper.
Im weiteren bezeichnet 12 Düsenreihen, die über den Umfang der Aussenwand 13 der Rückstossantriebsvorrich- tung verteilt wind, und 14 bezeichnet Düsen reihen, die über den Umfang einer Verscha lung 15 verteilt sind. Diese Verschalun5 15 bildet die innere Begrenzungswand der Brennkammer B.
Die verschiedenen Düsen- reilien 12 und 14 werden mit echwerflüchti- gem Brennstoff aus einem Tank 16 gespienen, wobei dieser Brennstoff von einer Pumpe 17 in die Düsenleitungen 19, 20 und 21 geför dert wird. Der durch die Düsen 12, 14 in die Brennkammer 8 eingespritzte Brennstoff prallt nach dem Verlassen der Düsen auf den durchlochten Rotationskörper 9 bezw. 11, wobei er rasch zum Zerfallen in leichter Flüchtige Bestandteile gebracht wird. Letz tere entzünden sich im Kontakt mit den erhitzten Rotationskörpern 9 und 11.
Ein Teil des Brennstoffes gelangt durch die Öff nungen der Körper 9 und 11 zum dritten Rotationskörper 10 und wird dort ebenfalls zur Entzündung gebracht. Auf diese Weise wird eine restlose Verbrennung des gesamten, in die Brennkammer 8 eingespritzten, schwer flüchtigen Brennstoffes erreicht. Dabei er fährt die durch die Kammer 8 durchziehende Luftströmung durch die eingebauten Rota tionskörper praktisch keine Ablenkung, was mit einem Mindestmass an DruekveTlusten auszukommen gestattet.
Die in der Brenn kammer 8 auf die beschriebene Weise erzeug ten Verbrennungsgase werden in der Turbine 5, 6, 7 unter Leistungsabgabe entspannt, um schliesslich nach Durchströmen einer Düse 2.2 reit grosser Geschwindigkeit in die Umgebung ausgestossen zu werden. Dadurch, dass die in die Brennkammer 8 eingebauten, durchloch ten Körper 9, 10 und 11 konzentrisch um die Achse der Antriebsvorrichtung angeordnet sind, lässt sich erreichen, dass nur wenig Wärme den Schaufelungen von Turbine und Gebläse durch Strahlung abgegeben wird.
Unter Umständen wird sich schon mit einem einzigen, nach Art eines Siebes durch lochten Rotationskörper in der Brennkammer 8 auskommen lassen. Anderseits können aber auch mehr als drei solche Rotationskörper konzentrisch um die Längsachse der An triebsvorrichtung in der Brennkammer in einander angeordnet sein.
Für das Anfahren der beschriebenen Rückstossantriebsvorrichtung empfiehlt es sich, in Verbindung mit dem oder den in die Brennkammer eingebauten Rotationskörpern Drähte 24 vorzusehen und diese z. B. an eine elektrische Batterie anzuschliessen, so dass beim Einschalten der letzteren jene Drähte zum Glühen kommen.
Brennkammern der beschriebenen Art las sen sich bei jeder Art von Gasturbinen an wenden, sobald von der Brennkammer eine hohe Wärmebelastung gefordert wird.