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Brenner für ringförmige Brennkammem Die Erfindung betrifft einen ringförmigen
Brenner für ringförmige Brennkammern mit einem Flammenstabilisator und einem Diffusor,
die koaxial zur Brennkammer angeordnet sind, jeweils die Gestalt eines Ringes mit
trapezförnügem Querschnitt aufweisen, dessen offene große Basis stromabwärts gerichtet
ist, und untereinander über radial verlaufende Rippen verbunden sind, wobei die
geschlossene kleine Basis des Flainmenstabilisators Öffnungen für Einspritzdüsen
enthält.
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Bei derartigen Brennem ist von wesentlicher Bedeutung ein gleichmäßiges
Temperaturprofil der Brenngase. Um ein solches gleichmäßiges Temperaturprofil zu
erzielen, ist ein bekannter Brenner wie folgt ausgebildet: Flammenstabilisator und
Diffusor haben die gleiche Länge. Die Rippen, über die der Diffusor mit dem Flammenstabilisator
verbunden ist, bestehen aus flachen Blechen und sind von innen nach außen entgegen
der Strömungsrichtung geneigt. Stromabwärts folgen dem Flammenstabilisator im Querschnitt
rechteckige Abreißkanten, durch die Wirbelzonen gebildet werden. Die stromabwärts
von den Abreißkanten herrschende Wirbelströmung wird über Öffnungen mit Sekundärluft
versorgt. Noch weiter stromabwärts sind Mischtaschen vorgesehen. Bei diesem Brenner
ist die Ausbildung des gleichmäßigen Temperaturprofils jedoch nur unvollkommen,
da die aus einer einfachen Stahlblechplatte bestehenden Rippen keine Querströmung
hervorrufen und nicht der Flammenstabilisierung dienen. Die Primärluft bewegt sich
in einer kreisförmigen Strämung gegen die Abreißkanten. Zwischen den beiden Flammenstabilisierungsstufen
strömt die Luft mit großer Geschwindigkeit und ist nicht in der Lage, auch in radialer
Richtung die Verbrennung kontinuierlich fortschreiten zu lassen. Um zu der notwendigen
Vergleichmäßigung des Temperaturprofils zu kommen, sind die Mischtaschen erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Brenner der eingangs
erwähnten Art ein gleichmäßigeres Temperaturprofil zu erzielen, als es mit bisher
bekannten Brennern erzielt wurde. Die Vergleichmäßigung des Temperaturprofils an
allen Meridianschnitten der Brennkammer ist notwendig für ein Arbeiten der nachgeordneten
Turbine mit gutem Wirkungsgrad.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Diffusor
in Strömungsrichtung über den Flammenstabilisator hinausragt und über von innen
nach außen stromabwärts geneigte Rippen aus je einer stromabwärts geöffneten
Rinne mit dem Flammenstabilisator verbunden ist und daß mindestens eine weitere
Flammenstabilisierungsstufe aus mit dem Diffusor verbundenen, von Öffnungen durchbrochenen
Ringblechen vorgesehen ist, der Primärluft aus dem Flammenstabilisator zwischen
den Rippen und Zusatzluft durch die Öffnungen zugeführt ist.
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Bei der Erfindung werden durch die räumliche Zuordnung von Flammenstabilisator
und Diffusor und die Ausbildung der Rippen in dem Bereich stromabwärts von den Rippen
Wirbel gebildet, die der Vergleichmäßigung des Temperaturprofils dienen. Es wird
durch die Rippen ein Wirbelstrom geringer Geschwindigkeit erzeugt, die jedoch groß
genug ist, um Kontinuität und das Fortschreiten der Verbrennung in der mittleren
Zone und den äußeren Zonen der Brennkammer zu gewährleisten. Diese Maßnahme allein
reicht jedoch im allgemeinen für eine optimale Vergleichmäßigung des Temperaturprofils
noch nicht aus. Daher ist erfindungsgemäß die weitere Flammenstabilisierungsstufe
vorgesehen, durch die zwischen den Ringblechen und dem Diffusor weitere Wirbel gebildet
werden. Durch die Summe der getroffenen Maßnahmen wird eine Vergleichmäßigung
der
Temperatur sowohl in Radialwie in Umfangsrichtung der gesamten Brennkammer hervorgerufen
und somit ein gleichmäßiges Temperaturprofil erzeugt.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet. Bezüglich der einzelnen in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmale
ist folgender Stand der Technik zu beachten: Es ist bekannt, bei einem ringförmigen
Brenner ein Flammenrohr über Ringe mit einem den Flammenstabilisator und den Diffusor
enthaltenden Gehäuse zu verbinden. Das Flammenrohr ist dabei außerdem mit der äußeren
und der inneren Wand des Diffusors verbunden. Die Ringe sind gegenüber der die öffnung
des Diffusors enthaltenden Ebene stromaufwärts versetzt angeordnet. Es ist weiterhin
bekannt, die geschlossene kleine Basis eines Flarnmenstabilisierungstrapezes von
einem die Wände des Flammenstabilisators verbindenden flachen Ring zu bilden, in
dem Öffnungen zur Aufnahme von Einspritzdüsen vorgesehen sind, wobei zwischen öffnung
und Einspritzdüsen ein ringförnriger Luftspalt bleibt. Außerdem ist es bekannt,
jede Einspritzdüse für die Abgabe von zwei Brennstoffmengen auszubilden, und auch
jede Einspritzdüse für die Abgabe einer Brennstoffmenge auszubilden und
je eine zusätzliche Einspritzdüse für die Abgabe der zweiten Brennstoffmenge
vor dem Brenner anzuordnen oder innerhalb des Brenners unmittelbar nebeneinander.
Darüber hinaus ist es bekannt, als Einspritzdüse ein mit Zerstäubungsöffnungen
verschenes ringförmiges Einspritzrohr zu verwenden. Das Einspritzrohr kann mit radial
oder schräg zur Achse des Brenners liegenden Löchern versehen sein oder mit solchen,
über die der Brennstoff im Gegenstrom zu der Luft eingespritzt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele erläutert.
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F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Brenners, im wesentlichen im Axialschnitt, wobei jedoch nur der auf der einen Seite
der Achse liegende Teil dargestellt ist; F i g. 1 a ist ein vollständiger
Axialschnitt des Eingangsteiles der Brennkammer in kleinerem Maßstab; F i
g. 2 zeigt einen Abschnitt des in Richtung des Pfeiles X der F i
g. 1 gesehenen Brenners ohne Einspritzdüse und Ringbleche; F i
g. 3 ist der Querschnitt einer Ausführungsforin einer Rippe, wie sie bei
der Erfindung verwendet wird; F i g. 4 und 5 zeigen zwei Möglichkeiten
der Speisung des Brenners mit Brennstoff; F i g. 6 und 7 zeigen Vorrichtungen
zur konzentrischen Einstellung der Einspritzdüsenköpfe in den Öffnungen des Brenners;
F i g. 8 zeigt eine Zündvorrichtung; F i g. 9 zeigt einen im Vergleich
zu F i g. 1 anderen Einbau der Ringbleche, welcher einen zufälligen Eintritt
von Sekundärluft in die Primärzone verhindert; F i g. 11, 12 und 14 sind
Schnitte von Einspritzrohren mit einfacher (meistens radialen) Löchern, welche
zusammen mit den üblichen Zerstäubern benutzt werden; F i g. 10 und
13 zeigen zwei Möglichkeiten der doppelten Speisung entweder durch nebeneinander
liegende oder durch getrennte Rohre. Der die aus einem Verdichter in Richtung des
Pfeiles Ei ankommende Luft empfangende Brenner besteht aus (s. F i
g. 1, la und 2): einem koaxial zur Brennkammer angeordneten Flammenstabilisator
in Form eines Ringes mit trapezförmizem Querschnitt, dessen Seiten durch Mäntel
1 und 2 gebildet sind, welche auf der Eingangsseite der Luftströmung durch
einen flachen Ring 3 vereinigt sind. Dieser letztere ist mit auf demselben
Durchmesser liegenden öffnungen 4 versehen, welche gleich weit voneinander entfernt
und für den Durchtritt der Einspritzdüsenköpfe 5 zur Speisung mit Brennstoff
bestimmt sind; einem aus zwei ebenfalls koaxial zur Brennkammer angeordneten Diffusor
in Form eines Ringes mit trapezförinigem Querschnitt, dessen Seiten durch Mäntel
6 und 7 gebildet sind, welcher zur Führung der Primärluft dient und
den obigen Flammenstabilisator umschließt; Ringen 10 bzw. 11 als Stützen
für die inneren und äußeren als Mischer wirkenden Ringbleche 8 bzw.
9 der Brennkammer, welche durch Bearbeitung auf einen geeigneten Durchmesser
und ein geeignetes Profil gebracht sind und durch Mäntel oder Ringbleche 12 bzw.
13
gehalten werden, welche ihrerseits mit den Außenwänden des Diffusors vereinigt
sind; Rippen 14 und 15 geeigneter Form (z. B. mit dem in F i g. 3
dargestellten V-förmigen Profil), welche einmal den zentralen Flammenstabilisator
und den Diffusor miteinander verbinden und zum anderen durch ihre Ausbildung und
den Abstand voneinander die für die Verbrennung gewünschte Verteilung der Primärluft
herstellen. Das Ganze wird in dem Eingangsteil der Brennkammer durch an den Wänden
befestigte profilierte Arme 16 gehalten. Die Wände 1, 2,
6 und 7 sind innerhalb der Rippen 14, 15 zur Erleichterung
des FIammendurchtrittes ausgeschnitten.
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Die Teile 1, 2, 3, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12,
13 sind ringförmig und bilden Umdrehungskörper um die Achse A -A
der Turbomaschine (s. F i g. la).
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Die Versorgung mit Brennstoff kann in einer einzigen Menge oder in
mehreren, meistens zwei, erfolgen. Bei zwei Mengen können diese an derselben Stelle
der Kammer eingespritzt werden, oder auch in zwei verschiedenen Zonen. Unabhängig
von der gewählten Vorrichtung kann die Einspritzung entweder in Strömungsrichtung
oder im Gegenstrom erfolgen. Die Versorgungseinrichtungen sind einzelne Einspritzdüsen
oder Einspritzrohre mit Zerstäubungsöffnungen oder auch nur mit einfachen Löchern.
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F i g. 1 zeigt eine Einspritzdüse 5 für zwei Mengen,
die als Grundmenge und Hauptmenge bezeichnet seien. Mehrere derartige Einspritzdüsen
sind um die Achse A-A der Turbomaschine herum verteilt. Die durch die Löcher 4 der
Wand 3 tretenden Köpfe dieser Einspritzdüsen ermöglichen eine gegen den einströmenden
Luftstrom geschützte Einspritzung. Diese Löcher können mit Ringen oder Büchsen 4
a
zur geeigneten Dosierung der durch die kleinen ringförmigen Zwischenräume
zwischen den Köpfen der Einspritzdüsen und dem Umfang der Löcher 4 strömenden Luft
versehen sein. Für eine zweckmäßige
Regelung der Luft müssen die
Durchmesser der Düsenköpfe und der Büchsen aufeinander abgestimmt sein. Ferner müssen
die Düsenköpfe und die Büchsen genau konzentrisch sein, was für einen gleichmäßigen
Brennstoffstrahl und eine vorteilhafte Verteilung der Austrittstemperatur unerläßlich
ist.
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Die unvermeidlichen Herstellungsunregelmäßigkeiten machen die Benutzung
einer Büchse 19 für jede Einspritzdüse zweckmäßig, welche in der Querrichtung
mit leichter Reibung auf der Einspritzdüse verschiebbar ist (s. F i g. 6
und 7). Diese Büchse 19 ist zur Zentrierung mit drei oder vier Führungsstegen
20 versehen, welche dem Luftdurchtritt keinen Widerstand entgegensetzen und die
richtige Lage auf dem Düsenkopf gewährleisten.
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Eine erste Ausführungsabwandlung dieser Einspritzart ist in Fig.4
dargestellt. Das Vorhandensein des flachen Ringes 3 gestattet, vor diesem
ohne Veränderung des Luftdurchtrittes kreisförinige Rohre zur Versorgung mit Brennstoff
anzuordnen. Die Grundmenge und die Hauptmenge können so den Düsenköpfen durch zwei
getrennte Speiserohre 21 und 22 zugeführt werden.
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Die Wirkungsweise der Flammenstabilisatoren hängt von der Belastung
der Kammer ab. Bei gerinzwischen den Büchsen 19 und den Düsenköpfen durchströmt
und durch Entspannung eine geringe Geschwindigkeit hat. Der Ring 3 kann zwischen
den Köpfen gegebenenfalls mit kleinen Luftdurchtrittslöchern zur Erzielung einer
gleichmäßigeren Flamme versehen sein. Die Flamme ist sehr stabil und besitzt eine
sehr niedrige Auslöschgrenze.
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Da der Luftstrom unverändert bleibt, wenn die Brennstoffmenge zunimmt,
bildet sich die Flamme ger Brennstofflieferung (Grundmenge allein) bildet sich die
wenig umfangreiche Flamme am Grund des Flammenstabilisators aus, welcher durch eine
geringe Luftmenge gespeist wird, die durch die Löcher 4 und hinter den Rippen 14
und 15 aus (F i g. 1 und 2), wobei der Durchtritt durch die Ausschnitte
der Flächen 1 und 2 an der Stelle, wo die Rippen angeordnet sind, begünstigt
wird. Ein Teil der Luft, welcher zwischen den Rippen in den Ringkanälen zwischen
den Flächen 1 und 6 bzw. 2 und 7 strömt, wird dann für die
Verbrennung in der hinter jeder Rippe auftretenden Rückstrom- und Wirbelzone tj,
t. benutzt. Bei weiterer Vergrößerung derBrennstoffmenge sucht die Flamme nicht
nur den Raum der Rippen 14 und 15 auszufüllen, sondern auch die Zonen des
inneren und äußeren Ringbleches 8 und 9. Es werden dann Rückstrom-
und Wirbelzonen bei t31 t4 erzeugt. Auf die Bleche 12 und 13 verteilte
Luftdurchtrittsöffnungen 17 und 18 gestatten, die Flamme zu unterhalten,
ohne sie auszublasen. Man erhält so eine sehr breite Flammenfront, welche für die
Verkürzung der Flamme und für hohe Wirkungsgrade der Brennkammer günstig ist.
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Die Sekundärluft gelangt in die Ringkanäle 8 a
und 9a
und von da in den hinteren Teil der von den Ringblechen 8 und 9 gebildeten
ringförmigen Brennkammer.
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Ein derartiger fast ausschließlich aus Blechmänteln bestehender Brenner
ist besonders einfach herzustellen. Da er selbst einen Ring bildet, enthält er keinen
besonderen Brennerhalter. Er kann daher unmittelbar in dem Gehäuse der Maschine
befestigt werden, was eine große Vereinfachung ergibt. Die gleichen Gründe bewirken
eine erhebliche Verringerung des Gewichtes des Brenners gegenüber den bekannten
Ausführungen.
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Die Zündung erfolgt ohne eine besondere Anlaß-,2inspritzdüse durch
eine Zündkerze 24, welche zwi-=hen zwei Einspritzköpfen angebracht ist (F ig.
8).
Nach Zündung des Brenners pflanzt sich die Flamme in dem zentralen Ring
augenblicklich fort.
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F i g. 9 zeigt eine andere Ausf ührung des Anschlusses der
Ringbleche 8, 9, bei welcher die Stützringe 10 und 11 im Vergleich
zu der Ausführung nach F i g. 1 weiter nach hinten in die Kammer verlegt
sind. Versuche haben gezeigte daß diese Anordnung einen unerwünschten Eintritt von
Sekundärluft während des Betriebes infolge eines zufälligen Spieles zwischen den
Ringblechen und den Stützringen unwahrscheinlicher macht. Wenn jedoch trotzdem ein
Lufteintritt erfolgen würde, so wäre er an dieser Stelle weniger schädlich als unmittelbar
hinter dem Brenner. Der vordere Teil der Kammer bildet so einen kompakten Block,
welcher die Zufuhr der Primärluftmenge nur durch die hierfür vorgesehenen öffnungen
zuläßt. Hierdurch werden die Güte der Verbrennung und die guten Eigenschaften der
Kammer gewährleistet.
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F i g. 10 zeigt eine andere Ausführung der Speisevorrichtung
mit zwei nebeneinander liegenden Speiserohren 25 und 26. Das Einspritzrohr
25 führt die Grundmenge, das Einspritzrohr 26 die Hauptmenge. Diese
Rohre können radiale Löcher enthalten, welche z. B. zu der Luftströmung senkrecht
gerichtete Brennstoffstrahlen erzeugen. Derartige Löcher 25a sind in F i
g. 11 dargestellt.
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Die Zufuhr getrennter Brennstoffmengen kann auch durch ein einziges
Rohr erfolgen, welches mit zwei oder mehreren inneren Kanälen 25b,
26b
(Fig.-12) versehen ist.
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Anstatt die Brennstoffmengen in die gleiche Zone der Kammer einzuspritzen,
können sie auch an ganz verschiedenen Stellen durch zwei oder mehrere mit einer
großen Zahl von Zerstäubern versehene Rohre eingespritzt werden (F i g. 13).
Diese Einspritzart bietet den Vorteil, daß dem Brenner bereits mit Brennstoff vermischte
Luft zugeführt wird, was eine Verkürzung der Kammer ermöglicht.
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Das innerhalb des Brenners endende Rohr 27
dient zur Einspritzung
der Grundbrennstoffmenge in die wirksame Rückstromzone des Brenners, während das
strömungsaufwärts liegende Rohr 28 zur EinspritzungderHauptbrennstoffmengedient.DieEinspritzung
erfolgt in Strömungsrichtung oder im Gegenstrom.
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Versuche auf dem Prüfstand haben gezeigt, daß das Vorhandensein einer
großen Zahl von Zerstäubern für die Stabilität der Verbrennung und ein gleichmäßiges
Temperaturprofil am Ausgang der Kammer günstig ist.
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Die beiden Mengen können außerdem durch eine doppelte Reihe von Einspritzdüsen
oder durch ein vor dem Brenner liegendes Rohr 23 und eine Einspritzdüsenreihe
(z. B. F i g. 5) eingespritzt werden.
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Ausgezeichnete Ergebnisse werden auch erzielt, wenn nur das Rohr
27 (F i g. 13) zur Einspritzung der gesamten Brennstoffmenge beibehalten
wird. Bei richtiger Bemessung können nämlich die Zerstäuber eines derartigen Rohres
eine tadellose Zerstäubung bei niedrigem Druck (insbesondere bei Langsamlauf des
Turbostrahltriebwerkes und beim Flug in großer Höhe) erzeugen. Diese einzige Menge
kann natürlieh
auch durch getrennte Einspritzdüsen (z. B. die der
F i g. 5) erfolgen.
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Die Zerstäubungslöcher können in dem Rohr oder den Rohren so angeordnet
sein, daß die Brennstoffstrahlen quer zur Luftströmung liegen (F i g. 10,
12, 13, 14).