DE1104266B - Vorrichtung zum Wiederzuenden des Gasgemisches in einer Brennkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Wiederzünden des Gasgemisches in den Brennkammern, insbesondere von Stahltriebwerken mit kontinuierlicher, Verbrennung beim Erlöschen der Verbrennungsflamme infolge nur kurzzeitiger Betriebs-Störungen, z. B. in der Arbeitsmittel- bzw. Brennstoffzufuhr.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, nach Wegfall der Betriebsstörung das wieder nachfließende Arbeitsmittel bzw. den nachfließenden Brennstoff sofort wieder zu zünden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte Vorrichtung gekennzeichnet durch die Verwendung eines an sich bekannten, aus feuerbeständigem Werkstoff bestehenden und hohe Wärmekapazität aufweisenden, während des normalen Betriebs von den Verbrennungsgasen! auf Zündtemperatur des Brennstoffgemisches aufzuheizenden Glühkörpers, der wärmeisoliert an der Luftkammerwand (befestigt ist und durch die Brennkammerwand bis in die Primärverbrennungszone der Verbrennungskammer hineinragt.

Es ist eine Zünd- und Wiederzündeinrichtung für Brennkammern vorgeschlagen worden, die nicht selbsttätig durch aufgespeicherte Wärmeenergie arbeitet, sondern aus einer Brennstoffördereinrichtung und einer Brennstoff- bzw. Gemischaufbereitungs- sowie Zündvorrichtung besteht. Mit dieser Zündeinrichtung ist die Aufgabe der Erfindung nicht zu lösen.

Ferner ist eine einem Brennkammer- und Turbinensystem nächgeschaltete Verbrennungsvorrichtung in einem Abgasrohr bekannt, die mit einer Brennstoffförder- und Gemischzündungsvorrichtung versehen ist. Die Zündung wird durch einen im Schatten eines Schutzschirmes angeordneten Katalysator eingeleitet. Auch diese Einrichtung weicht von Aufbau und Zweck des Erfindüngsgegenstandes grundsätzlich ab.

Es ist ferner ein Katalysator zwischen Kompressor und Turbine bekannt, der in der Hauptsache zur Temperaturerhöhung des Brennstoffluftgemisches dient. Abgesehen von der im Rahmen der Erfindung noch zu beschreibenden Verwendung von Körpern aus schwer schmelzbarem Material (Platin und Platinlegierungen) als Katalysatoren zwecks Zündung bzw. Temperaturerhöhung eines Brennstoffluftgemisches in bzw. für Brennkammern besteht kein Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Konstruktion.

Es ist ferner eine Zündvorrichtung für Explosionsoder Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei der zum Zwecke der Zündung im Verbrennungsraum ein ständig in diesem verbleibender, durch die Verbrennungswärme zu erhitzender sowie aus. einem schlecht wärmeleitenden, feuerbeständigen Stoff bestehender Zündkörper vorgesehen ist. Der als Wärmespeicher dienende Zündkörper ist derart bemessen, gelagert Vorrichtung zum Wiederzünden
des Gasgemisches in einer Brennkammer

Anmelder:

Bristol Siddeley Engines Limited,
Bristol (Großbritannien)

Vertreter: Dr.-Ing. A. Weickmann,

Dipl.-Ing. F. Weickmann und Dipl.-Ing. H. Weickmann, Patentanwälte, München 2, Brunnstr. 8/9

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 16. Mai 1956

und gegebenenfalls gekühlt, daß er stets die für die Zündung des Gemisches günstigste Temperatur aufweist.

Wesentlich für die Erfindung ist jedoch die Maßnahme, einen solchen bekannten Zündkörper in der Hauptbrennkammer eines Turbinentriebwerkes zum Zwecke der selbsttätigen Wiederzündung, also als Betriebssicherheitsvorrichtung zu verwenden. Eine entsprechende einfache und selbsttätig wirkende Sicherheitsvorrichtung ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt.

In Ausbildung der Erfindung besteht der Glühkörper der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einem am freien Ende offenen Rohr. Das gesamte Rohr besteht vorzugsweise aus einer Platinlegierung.

Vorzugsweise ist der Glühkörper! außerhalb der Verbrennungskammer auf seinem aus der Verbrennungskammer vorstehenden Teil durch eine Isolierschicht gegen Wärmeverlust gesichert.

Bei Vorliegen eines inneren Flammrohrs und eines äußeren, einen Luftdurchgang zwischen beiden belassenden Luftgehäuses ist bevorzugt der Glühkörper durch eine mit Spiel umfassende Zwischenwandung gegenüber dem Raum zwischen dem Luftgehäuse und dem Flammrohr isoliert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Figuren. Es zeigt

Fig. 1 den Teil einer Verbrennungskammer im Axiialschnitt,

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Fig. 2 und 3 andere Ausführungsformen eines Zünders im Schnitt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht jede Verbrennungskammer aus einem äußeren Luftgehäuse 11 und einem inneren Flammrohr 12. Zwischen dem Gehäuse 11 und dem Flammrohr 12 ist ein Luftspalt 13· vorgesehen. Die Luftkammer 11 besitzt einen stumpfkegelförmigen Endteil (Oberstrom). Das Ende kleineren Querschnittes dieses Endteiles ist zum Anschluß an den Auslaß eines Kompressors bestimmt, der der Gasturbine zugehörig ist. Das Flammrohr besitzt in ähnlicher Weise einen stumpfkegelförmigen Endteil, der eine zentrische Öffnung für den Sprühbrenner 14 aufweist. Dieser erstreckt sich in das Flammrohr 12 und beläßt an seinem Umfang einen Luftdurchgang 15 für primäre Verbrennungsluft. In diesem Luftdurchgang 15 sind ringförmig Flügel 16 und 17 angeordnet, weiche der Primärluft eine Drallbewegung um die Achse des Brenners 14 verleihen. Der stumpfkegelförmige Endteil des Flammrohres 12 ist doppe!- wandig ausgebildet. Die periphere Kante 18 der inneren 'Wandung 20, 21 liegt im Abstand vom zylindrischen Teil des Flammrohres 12, und zwar nächst derjenigen Stelle, an der der zylindrische Teil 12 in den stumpfkegelförmigen Endteil übergeht. Dadurch ist erreicht, daß durch Öffnungen 19¹ der Außenwand des stumpfkegelförmigen Endteiles des Flammrohres 12 eintretende Luft in einer Schicht auf der Innenseite des zylindrischen Teiles des Flammrohres 12 zu strömen vermag. Die innere Wandung des stumpfkegelförmigen Endteiles des Flammrohres 12 besteht aus dem peripher außenliegenden Teil 20 und dem peripher innenliegenden Teil 21. Der Teil 20 übergreift den Teil 21 auf der Eintrittsseite derart, daß ein Ring-Schlitz 22 verbleibt, durch welchen Luft in einer Schicht über die Innenseite des peripher äußeren Teiles 20 zu strömen vermag. Durch diese Anordnung ist erreicht, daß die die Verbrennungszone der Verbrennungskammer umgebenden Teile des Flammrohres 12 (die Zone, die den stromabwärts gelegenen Bereich des Brenners 14 darstellt; derart gekühlt sind, daß frühzeitige Zerstörungen des Materials vermieden sind.

Der zylindrische Bereich des Flammrohres 12 ist mit Öffnungen 23 geeigneter Größe und geeigneten Abstandes versehen, um einen progressiven Eintritt von Sekundärluft, tertiärer Verbrennungsluft und schließlich von Verdünnungsluft zur Verbrennungskammer zuzulassen, derart, daß das Öl vollkommen wirkungsvoll verbrannt wird und die Verbrennungsprodukte vollumfanglich mit Verdünnungsluft vermischt werden, ehe das Gemisch aus dem Flammrohr 12 in den Turbinenteil der Maschine gelangt.

Eine Maschine kann, um ein Beispiel zu nennen, acht derartiger Verbrennungskammern aufweisen, und die Primärverbrennungszonen zweier benachbarter Flammrohre 12 können durch Rohre miteinander verbunden sein, die einen Druckausgleich herbeiführen und die Flamme vom einen Verbrennungsrohr 12 zum anderen führen.

Eine Wiederzündvorrichtung für die Verbrennungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Zeichnung mit 30 bezeichnet. Für alle Verbrennungskammern ist mindestens eine solche Zündvorrichtung 30 vorgesehen. Zweckmäßig ist jede einzelne Verbrenmmgskammer mit einer derartigen Zündvorrichtung ausgerüstet. Die Zündvorrichtung besteht aus einem Glied 31, in diesem Falle einem Rohr, aus schwer schmelzbarem Material. Das Rohr 31 erstreckt sich von einer mit 32 bezeichneten Fassung aus in das Flammrohr 12. Die Fassung ist auf der Außenseite des Luftgehäuses 11 befestigt und schließt eine Öffnung 33 dieses Gehäuses ab. Das Rohr 31 ist an der Innenseite offen, am außerhalb des Flammrohres 12 liegenden Ende geschlossen. Das Rohr 31 erstreckt sich in die primäre Verbrennungszone des Flammrohres 12 durch eine Öffnung 34 dieses Flammrohres.

Die Fassung 32 besteht aus einer Hülse 29, welche einen äußeren Flansch 35 aufweist. Dieser ist durch Bolzen 37 an einem verdickten Teil 36 des Luftgehäuses 11 befestigt. Zwischen dem Flansch 35 und dem verdickten Teil 36 ist eine aus einem schlechten Wärmeleiter bestehende Lage, z. B. Asbestlage, angeordnet.

Die Hülse 29 besitzt einen sich in der Zeichnung nach unten erstreckenden zylindrischen Fortsatz 38, welcher mit Spiel denjenigen Teil des Rohres 31 umfaßt, welcher den Luftraum 13 durchsetzt. Der Fortsatz 38i setzt mit seinem unteren Ende an einem auf die Außenseite des Flammrohres 12 aufgeschweißten, die Öffnung 34 umfassenden Stutzen 39 an. Er schützt so einerseits das Rohr 31 gegenüber zu starker Kühleinwirkung durch die in dem Luftkanal 13 fließende Luft und fixiert andererseits das Flammrohr 12 gegenüber dem Luftgehäuse 11.

Das Rohr 31 ist verschiebbar innerhalb der Hülse 29 gehalten, derart, daß das Ausmaß des Hineinragens in das Flammrohr 12 verstellt werden kann. Es ist innerhalb! der Hülse 29 an axial beabstandeten Punkten oder Ringen 40 und 41 gehalten. Zu diesem Zweck ist die Hülse 29 innenseitig mit axial beabstandeten Flanschen versehen. Das äußere Ende des Rohres 31 ragt über die Fassung 32 hinaus, so daß das Rohr 31 sowohl zum Zwecke der Inspektion als auch des Ersatzes entfernt werden; kann. Zur Befestigung des Rohres 31 ist auf dieses ein geschlitzter Klemmring 43 aufgesteckt, der vermittels einer Schraubenmutter 42 auf das kegelförmig ausgebildete Ende 44 der Hülse 29 aufgepreßt ist.

Dadurch, daß das Rohr 31 innerhalb der Hülse 29 an zwei axial beabstandeten Ringansätzen 40 und 41 anliegt, ist ein Lufthohlraum 50 geschaffen, welcher den Wärmeübergang vom Rohr zur Fassung vermindert. Der Luftraum 50 kann mit Isoliermaterial, z. B. mit einer Glimmerhülse, gefüllt sein.

Das Rohr 31 erstreckt sich so weit in die primäre Verbrennungszone des Flammrohres 12, daß der freie Randteil des Rohres während der stattfindenden Verbrennung in dem Flammrohr 12 zum Glühen gelangt. Die Querschnittsfläche der Wandung des Rohres ist durch entsprechende Auswahl des äußeren Durchmessers und des inneren Durchmessers, unter Berücksichtigung der beim Aussetzen der Verbrennung in der Kammer stattfindenden Kühlung so gewählt, daß im Falle des Erlöschens der Flamme mindestens der Randteil des Rohres 31 eine über der Verbrennungstemperatur des Öles liegende Temperatur beibehält. Dabei müssen die Ouerschnittsverhältnisse so sein, daß die hohe Temperatur des Randteiles des Rohres 31 so lange aufrechterhalten bleibt, bis nach erfolgtem Aussetzen der Verbrennung, zufolge vorübergehender Störung des Gaszuflusses oder der Brennstoffzufuhr, die normalen Verhältnisse wieder eintreten und infolgedessen sodann eine Wiederzündung erfolgen kann. Die hohe für die Wiederzündung" erforderliche Temperatur muß im vorliegenden Falle der Randteil des Rohres 31 etwa 7 Sekunden lang beibehalten.

Die Temperatur des Rohres 31 hängt natürlich von der Wärmeleitfähigkeit des Materials, aus dem das Rohr besteht, ab, zum Teil aber auch von der Fassung

32. Da während der Tätigkeit der stattfindenden Verbrennung in der Kammer durch den Luftspalt 13 verhältnismäßig kühle Luft strömt, ist die Kühlung des Rohres 31 naturgemäß etwas verstärkt. Um dem Rechnung zu tragen, ist dlas Rohr 31 in dem den Spalt 13 durchsetzenden Bereich gegen Kühlung abgeschirmt. Dies geschieht im vorliegenden Falle durch den Fortsatz 38, welcher mit Spiel das Rohr 31 umfaßt und dieses gegenüber dem Zutritt der im Spalt 13 strömenden kühlen Luft schützt.

Es ist dafür Vorsorge getroffen, daß die Abkühlung des Randteiles des Rohres 31 so eingestellt ist, daß nach Aussetzen der Verbrennung dieser Randteil genügend lange Zeit eine genügend hohe Temperatur beibehält, um das Öl nach vorübergehender, das Aussetzem der Verbrennung bedingender Strömungsstörung wieder zu entzünden. Die Ableitung von Wärme von dem Randteil des Rohres 31 hinweg findet in gleichem Maße statt^ ob eine Verbrennung¹ in der Kammer vorliegt oder nicht. Das Ausmaß der Kühlung des Randteiles des Rohres 31 soll ein solches sein, daß die Verwendung eines solchen Materials möglich ist, welches den höchsten stattfindenden Verbrennungstemperaturen nicht standhält. Das Material muß allerdings so schwer schmelzbar sein, daß es gegenüber denjenigen Temperaturen widerstandsfähig ist, die. erforderlich sind, um ihm die Eignung der Wiederzündung nach dem Aussetzen der Verbrennung zu belassen.

Das) Rohr 31 besteht zweckmäßig in seiner ganzen Ausdehnung aus schwer schmelzbarem Material. Es kann aber auch, für die Wärmeabführung aus verschiedenen Materialien bestehen. Zum Beispiel kann der Teil, der sich an den Randteil des Rohres 31 anschließt, durch solches Material gebildet sein, welches einen niedrigeren Wärmeleitungskoeffizienten aufweist als das Material, aus dem der Randteil besteht. Mindestens der Randteil des Rohres 31, vorzugsweise aber das ganze Rohr 31, besteht aus einer Platinlegierung. Gemäß dem Beispiel besteht das Rohr in seiner ganzen Ausdehnung aus einer Platinlegierung und enthält 10 bis 20 Gewichtsprozent Rodium und! O',25 bis 1 Gewichtsprozent Thoriumoxyd. Eine geeignete Platinlegierung für das Rohr 31 ist in der britischen Patentschrift 578 956 beschrieben. Im übrigen kann das Rohr aus irgendeinem geeigneten, schwer schmelzbaren Material, einer Metallegierung oder Metallverbindung bestehen. Das Material muß lediglich der Oxydation und der Wärmeeinwirkung einen entsprechenden Widerstand entgegensetzen,, um für eine solche Zeit standzuhalten, welche mindestens gleich ist der längsten Periode, während welcher kontinuierlich eine Verbrennung in der Kammer stattfindet. Es kann aber auch für das Rohr 31 eine schwer schmelzbare Metallegierung oder Metallverbindung verwendet werden, welche bei den Arbeitstemperaturen in der Kammer einer Oxydation unterliegt. Das Rohr muß in diesem Falle lediglich einen Überzug aus einem gegenüber der Oxydation widerstandsfähigen Material besitzen. Der Überzug muß in der Lage sein, die Oxydation des Rohres 31 für eine solche Zeit zu verhindern, während welcher in der Verbrennungskammer kontinuierlich eine Verbrennung stattfindet. Als Überzugsmaterial für das Rohr 31 kommt vorzugsweise Platin in Betracht.

Gemäß der Ausführung'sform der Fig. 2 sind die Fassung 50 und der aus schwer schmelzbarem Material bestehende Stab 58 starr miteinander verbunden. Die Fassung besteht aus anderem Material als der Stab 58. Sie besteht aus einem rohrförmigen Körper 51, welcher einen äußeren, mit Durchbrechungen versehenen Flansch 52 aufweist. Die Durchbrechungen sind zur Hindurchführung von Befestigungsbolzen bestimmt, welche den verdickten Teil 36 des Luftgehäuses 11 erfassen (s. Fig. 1). Der rohrförmige Teil 51 besitzt einen nach unten gerichteten Fortsatz 53, welcher dem Fortsatz 38 der Fig. 1 entspricht.

Der Körper aus schwer schmelzbarem Material besteht, wie erwähnt, im vorliegenden Falle aus einem Stab 58j welcher innerhalb des Rohrkörpers 51 gehalten und an seinem Ende 54 mit diesem verschweißt ist. Der Stab ist mit Ausnahme einer stirnseitigen Axialbohrung 55 massiv. Die Tiefe und der Durchmesser der Bohrung 55 sind entsprechend gewählt, um das Ausmaß der Wärmeableitung vom unteren (inneren) Randteil des: Stabes zur Fassung zu regeln. Der Stab 58 ist mit einem Platinüberzug 56 versehen und! besteht aus einer beliebigen, hitzebeständigen Legierung, einem Metall oder einer Metallverbindung. Das Material, aus dem der Stab 58 besteht, kann sogar bei den herrschenden Arbeitsbedingungen einer Oxydation zugänglich sein. Der Rohrteil 51 ist im übrigen oben durch eine die Bohrung 55 abdeckende Platte 57 verschlossen.

Der Zünder gemäß der Ausführungsform der Fig. 3 ist der gleiche wie derjenige der Ausführungsform der Fig. 2, mit der Abweichung, 'daß die Fassung 50, d. h. deren Rohrteil 51, und der Stab 58 aus einem einzigen Stück und dem gleichen Material bestehen.

Wenn es erwünscht ist, den Zünder 31 bzw. 58 leicht auswechseln bzw. ersetzen zu können, so besteht er, wie dargestellt, aus einem langgestreckten Körper mit einem sich in die Verbrennungszone erstreckenden Randteil. Die Lösbarkeit und Auswechselbarkeit des Zünders ist jedoch nicht erfindungswesentlich. Der Zünder könnte vielmehr auch sphärische oder irgendeine andere Form besitzen, welche dazu geeignet ist, die für die Wiederzündung erforderliche AVärme aufzuspeichern. In diesem Falle könnte der Körper aus schwer schmelzbarem Material in ähnlicher Weise wie das Rohr 31 der Fig. 1 gehalten werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Wiederzünden des Gasgemisches in den Brennkammern, insbesondere von Strahltriebwerken mit kontinuierlicher Verbrennung beim Erlöschen der Verbrennungsflamme infolge nur kurzzeitiger Betriebsstörungen, z. B. in der Arbeitsmittel- bzw. Brennstoffzufuhr, gekennzeichnet durch die Verwendung eines an sich bekannten, aus feuerbeständigem Werkstoff bestehenden und hohe Wärmekapazität aufweisenden, während des normalen Betriebs von den Verbrennungsgasen auf Zündtemperatur des Brennstoffgemisches aufzuheizenden Glühkörpers (31, 58), der wärmeisoliert an der Luftkammerwand (11) befestigt ist und durch die Brennkammerwand (12) bis in die Primärverbrennungszone der Verbrennungskammer hineinragt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper aus einem am freien Ende offenen Rohr (31) besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Rohr (31) aus einer Platinlegierung besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper (31, 58) außerhalb' der Verbrennungskammer auf seinem

aus der Verbrennungskammer vorstehenden Teil durch eine Isolierschicht (50; gegen Wärmeverlust gesichert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen eines inneren Flammrohres (12; und eines äußeren, einen Luftdurchgang (13) zwischen beiden belassenden Luftgehäuses (11) der Glühkörper (31, 58) durch eine

mit Spiel umfassende Zwischen wandung (38 bzw. 53) gegenüber dem Raum (13) zwischen dem Luftgehäuse (11) und dem Flammrohr (12) isoliert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 267 760; britische Patentschrift Nr. 696 756; USA.-Patentschrift Nr. 2 624 172.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 1OS 539/189 S. 61