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Gegenstrombrcn1kammer für Gasturbinen Priorität der Anmeldung in
Frankreich vom 18. Oktober 1968 (PV Rhône 50 513) beansprucht.
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Die Erfindung betrifft eine Gegenstrombrennkammer für Gasturbinen,
bestehend aus einem äußeren Brennkammergehäuse mit einem Flammrohr als Einsatz,
an dessen Primärlufteintritt durch Wirbelschaufeln ein kreisringförmiger liuftwirbel
erzeugt Ixird, in den der I(raftstoff ein spritzbar ist, während Sekundärluft durch
Löcher und Schlitze im Flammrohr zum Teil als zusätzliche Verbrennungsluft in die
Brennzone einführbar und zum Teil als Misch- oder Kuhlluft am hinteren Ende des
Flamme rohres dem heißen Gas zusotzbar ist.
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Es ist in Fachkreisen bekannt, daß eines der wesentlichen Probleme,
an denen die Fortentwicklung von Gasturbinen hängt, insbesondere wenn man an ihre
Verwendung in Kraftfahrzeugen denkt, die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades
ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin,
eine Brennkammer zu schaffen, welche eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades
der Gasturbine erlaubt, wobei die Brennkammer für verschiedene
Arten
von Gasturbinen Anwendung finden kanal.
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Die Erfindungsaufgabe wird durch eine Gegenstrombrennkammer der eingangs
genannten Art gelöst, bei welcher das Brennkammergehäuse auf der Innenseite im Bereich
des Pritiiärlufteintritts mit radial gerichteten Leitschaufeln versehen ist.
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Diese Maßnahme bringt den Vorteil mit sich, daß in dem wesentlichen
Bereich des Lufteintritts aus dem Raum zwischen dem äußeren Brennkammergehäuse und
dem Flammrohr kreisende Luftwirbel, welche den Lufteintritt beeinträchtigen könnten,
verhindert werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Flammrohrdurchmesser
in einem zylindrischen Bereich der eine Einspritzdüse umgebenden Wirbel schaufeln
kleiner als im anschließenden Bereich der Brennzone.
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In bevorzugter Ausführung sind dabei Löcher im Flammrohr für die Zuführung
zusätzlicher Verbrennungsluft sowohl im erweiterten Bereich der Brennzone als auch
im Wandübergang vom kleineren Flammrohrdurchmesser an dem die Einspritzdüse und
die Wirbel schaufeln aufnehmenden Ende zu dem erweiterten Durchmesser des Bereichs
der Brennzone vorgesehen, wobei sich die Leitschaufeln bis in den Bereich der Löcher
im Wandübergang hinziehen.
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Eine weitere Fortbildung der erfindungsgemäßen Gegenstrombrennlcammer
wird dadurch erhalten, daß sich das Flammrohr von dem erweiterten Bereich der Brennzone
aus düsenförmig verengt und wieder erweitert und im Bereich der Verengung eine ungerade
Anzahl verhältnismäßig
großer Löcher für zusätzliche Verbrennungsluft
vorgesehen sind. Bei gleichmäßiger Verteilung dieser Löcher über den Umfang sind
Störungen des Strömungsverlaufs durch entgegengesetzt gerichtet einströmende Luft
wirksam verhindert. In entsprechender Erweiterung dieses Gedankens wird auch vorgeschlagen,
am hinteren Ende des Flammrohres Schlitze für Kühlluft in ungerader Anzahl vorzusehen.
Dabei ist es zweckmäßig, im Luftstrom vor diesen Schlitzen, das Flammrohr umgebend,
ein trichterförmiges Leitblech anzubringen, dessen Trichter sich in Strömungsrichtung
der Luft erweitert.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das Gasgemisch
in der Brennkammer gezündet durch eine im Bereich der Brennzone in das Flammrohr
vor.
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schiebbare und aus diesem herausziehbare Zündkerze.
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Das selbsttätige Vorschieben und Herausziehen der Zündkerze läßt sich
dabei in der Weise erreichen, daß die Zündkerze durch Federbelccstung in die vorgeschobene
Arbeitsstellung schiebbar ist und durch einen mit dem Arbeitsdruck der Brennkammer
beaufschlagten Kraftzylinder in die zurückgezogene Stellung bewegbar ist. Sind,
wie bei verschiedenen Anwendungen bevorzugte zwei parallelliegende Brennkammern
torgesehens so läßt sich zweckmäßig eine Unterbrechung der Zündung während des Betriebs
durch eine Zundungen übertragende Verbindung, beispielsweise ein Überschlagrohr,
verhindern.
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Zur Sicherung einer störungsfreien Brennstoffzufuhr, welche Lufteinschlüsse
in der Zuleitung vermeidet, wird schließlich zur weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens
vorgeschlagen, die Brennstoffzufuhr zur Einspritzdüse durch ein einen kontinuierlichen
Zufluß entweder zur letzteren oder in eine Rückleitung
leitendes
Ventil zu steuern. Dieses besitzt dann vorzugsweise einen elektromagnetisch betätigbaren
Kolben, der jeweils mit einer Stirnseite einen Ventilsitz am Einlaß eines Kanals
zur Einspritzdüse bzw. zur Rückleitung freigibt oder verschließt, wobei die Brennstoff-Zuleitung
zum Ventil Anschluß hat an das auf Seiten des Einlasses des Kanals zur Einspritzdüse
gelegene Ende eines beide Ventilsitze verbindenden Axialkanals.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 eine perspektivische
Teilansicht einer Gasturbine mit zwei Brennkammern gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen
Längsschnitt durch eine der Brennkammern gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 4,
Fig. 3 eine Schnittansicht gemäß der Linie III-III in Fig. 6, Fig. 4 einen Querschnitt
durch beide Brennkammern der Gasturbine entsprechend der Schnittlinie IV-IV in Fig.
1, Fig. 5 eine vergrößerte Schnittansicht der auch in Fig. 2 und 3 gezeigten Einspritzdüse,
und schließlich Fig. 6 einen Teilschnitt durch eine Brennkammer in Höhe ihrer Zündkerze
entsprechend Schnittlinie VI-VI in Fig. 3.
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In Fig. 1 sind die wesentlichen Teile einer die heißen Brenngase erzeugenden
Anlage einer Gasturbine perspektivisch dargestellt, so daß ihre gegenseitige Lage
erkennbar ist. Zu der insgesamt mit 1 gekennzeichneten Vorrichtung gehören ein Rotor
2 eines Zentrifugalkompressors und zwei Brennkammern 3, die als Gegenstrom brennkammern
ausgebildet sind. In der Zeichnungsfigur zum eigsichtbar ist auch ein Rotor einer
Hochdruckturbine 4. Der Kompressor fördert Luft in die Brennkammern 3. Aus diesen
strömt heißes Gas unter Druck aus
und beaufschlagt die Xochdruckturbine
4. Auf eine weitere Darstellung der der Hochdruckturbine nachgeordneten Turbinenteile,
zu denen mehrere Leitschaufelringe und Mittel- und Niederdruckturbinen gehören können,
wird verzichtet, da Gegenstand der vorliegenden Erfindung nur die Ausbildung und
Funktion der Brennkammer ist.
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Wie bereits erwähnt, wird die in Fig. 1 gezeigte Anordnung von zwei
parallelliegenden Brennkammern 3 für zur Verwendung in Kraftfahrzeugen bestimmte
Gasturbinen bevorzugt. Die Brennkammern sind dabei zweckmäßigerweise in derselben
Querebene mit bezug auf die Richtung 5 der Turbinenwelle 6 angeordnet.
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Jede Brennkammer 3 besteht im grundsätzlichen Aufbau aus zwei konzentrischen
Stahlblechmänteln, namlich einem äußeren Brennkammergehäuse 7 und einem darin gehaltenen
Flammrohr 8 (s. Fig. 4).
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Jedes Brennkammergehäuse 7 ist unmittelbar an einem die Turbinenwelle
6 umgebenden Gehäuse 9 befestigt, wobei vom letzteren auch ein ringförmiger Sammelkanal
10 umschlossen wird, der die vom Rotor 2 des Kompressors geförderte Luft empfängt.
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Das äußere Brennkammergehäuse 7 ist an seinem oberen Ende durch eine
kegelige Kappe 11 geschlossen, an welcher eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 12
befestigt ist. Zu dieser gehört eine Einspritzdtise 13, welche nachstehend noch
beschrieben wird.
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Die Einspritzdüse 13 der Brennstoffeinspritzvorrichtung mündet im
hinteren Ende 14 des Flammrohres 8. An das hintere Ende 14 schließt sich ein sich
kegelig erweiternder Wandübergang 15 an, dann ein erweiterter zylindrischer Bereich
16 der Hauptbrennzone, woraufhin sich das Flammrohr in Strömungsrich tung gesehen
düsenförmig verengt und wieder erweitert. Der Bereich der kegeligen Verengung ist
mit 17, der der Erweiterung mit 18 bezeichnet.
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Das Flammrohr endet in einer zylindrischen Kupplung 19, welche eine
Verbindung zwischen der Brennkammer und einem Gassammelraum 20 bildet, von dem aus
die heißen Brenngase konzentrisch zur Turbinenwelle 6 zu einem mit 21 angedeuteten
Einlaßdüsenring geleitet werden.
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Die Forn des Flammrohres 8 ist aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, bezüglich
der Einzelheiten wtrd nach stehend auf Fig. 4 bezug genommen.
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Das hintere Ende 14 des Flammrohres 8 enthält fest angebrachte profilierte
Wirbelschaufeln 22, welche die Einspritzdüse 13 umgeben und einen kreisringförmigen
Luftwirbel der einströmenden Primärluft erzeugen. Damit sich nun nicht auch Wirbelströme
außerhalb des Flammrohres dort ausbilden, wo die Primärluft in das Flammrohr hinein
umgelenkt wird (Strömung 23), sind erfindungsgemäß sich radial erstreckende Rippen
oder Leitschaufeln 24 vorgesehen, die mit gleichmäßigem Zwischenabstand das hintere
Ende 14 des Flammrohres umgeben und an der kegeligen Kappe 11 sowie dem Mantel des
äußeren Brennkammergehäuses 7 befestigt sind.
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In Strömungsrichtung gesehen unmittelbar unterhalb der Wirbel schaufeln
22 ist der sich kegelförmig erweiternde Wandübergang 15 mit zwei umlaufenden Reihen
von Löchern 25 kleinen Durchmessers versehen. Wenn z.B. der Gesamtdurchmesser 26
der Brennkammer 3 in der Größenordnung von 130mm liegt, dann können die Lochreihen
25 je zwölf gleichgroße Löcher umfassen, deren Durchmesser 3mm beträgt.
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In ähnlicher Weise sind auch Im erweiterten Bereich 16 des Flammrohres
zahlreiche kleine Löcher eilloebohrt. Unter Zugrundelegung einer Brennkammer der
vorstehend angegebenen Größe sind im Beispielsfall zwei Reihen von Löchern 27 vorhanden,
von denen jede aus zweiunddreißig Löcher mit einem Durchmesscr von mm besteht. Zwischen
diesen Lochreihen ist eine mittlere teit Löcher 28 angeordnet, welche durch 16 Löcher
mit einem Durchmesser von 4mm gebildet wird.
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Der sich verengende Bereich 17 des Flammrohres trägt eine ungerade
Anzahl verhältnismäßig großer Löcher mit eingeschweißten Rohrstücken 29, die mit
ihren radial inneren Enden schräg zur Sitze der Brennkammer 3 weisen Es sind in
gleichmäßiger Aufteilung rund um die Achse 30 der Bren.nkammer insgesamt sieben
solcher Fohrstücke 29, jeweils mit einem Durchmesser oii 14mm vorgesehen.
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Der sich düsenförmig erweiternde bereich 18 des Flammrohres tragt
zunächst unmittelbar hinter dem Übergang zum Bereich 17 einen Trans kleiner Löcher
31, deren Anzahl zwanzig ist und oberen Durchmesser 3mm beträt.
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An seinem in Strömungsrichtung gesehen hinteren Ende sind in den sich
erweiternden Bereich 18 des Flammrohres unmittelbar vor der zylindrischen Kupplung
19 rund um die Achse 30 weite Schlitze 32 eingearbeitet. Auch für die Schlitze 32
wird zweckmäßigerweise eine ungerade Anzahl gewählt, um zu verhindern, daß nicht
genau entgegengesetzt gerichtete Gasströme entstehen. Insgesamt sind'sieben Schlitze
vorhanden, deren jeder eine Breite 33 von ungefahr 20mm und eine Höhe 34 von 50mm
aufweist.
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Es versteht sich, daß die vorstehend wiedergegebenen Zahlen- und Maßangaben,
be-treffend die verschiedenen Lufteinlässe in das Flammrohr, nur beispielhaften
Charakter haben und sich zum Beispiel mit der Größe der Turbine ändern.
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Die Schlitze 32 am Ende des Flammrohrbereiches 18 sind im wesentlichen
abgedeckt durch ein trichterförmiges Gleitblech 35, das sich mit bezug auf Fig.4
nach obenhin im Durchmesser erweitert. Es ist an dem den Gassammelraum 20 bildenden
Gehäuseteil in Höhe der zylindrischen Kupplung 19 befestigt.
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Damit beide im Beispielsfall zur Anwendung kommenden, parallelliegenden
Brennkammern gleichmäßig arbeiten und damit vor allem in beiden die Verbrennung
ununterbrochen aufrechterhalten wird, sind die erweiterten Flammrohrbereiche 16
miteinander verbunden. Diese mit 36 bezeichnete Verbindung kann aus einem Überschlagrohr
mit einem Dehnungsbalg 37 bestehen. Wenn bei dieser Anordnung die Flamme in der
einen Brennkammer für einen Augenblick ausgeblasen wird, so wird sie von der anderen
Brennkammer herautomatisch wieder entzündet.
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Fig. 5 zeigt die Einzelheiten der Brennst pffe inspritzvorrichtung
12 einer Brennkammer. Hierzu gehören ei-ne Spule 38 zur elektromagnetischen Betätigung
eines Ventils mit einem axial verschieblichen Ventilkolben 39. Solange die Spule;
38 nicht erregt ist, liegt der Ventilkolben 39 an einem Ventil sitz 40 an und verschließt
dadurch dicht den Einlaß eines Kanals zur Einspritzdüse 13, welche auf diese Weise
von einer Brennstoffzuleitung 41 abgeschnitten ist. In dieser in Fig4 5 gezeigten
Ventilstellung fließt der herangeführte Brennstoff durch Axialkanäle 42 des Ventilgehäuses
und über einen Kanal 43 (Pfeil 44) zu einer Rückleitung hin ab.
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Wird andererseits die Spule 38 unter Strom gesetzt, so verschiebt
sich der Ventilkolben 39 in seine mit bezug auf Fig. 5 entgegengesetzte Stellung,
wobei er mit der oberen Stirnflache einen Ventilsitz 45 verschließt, während nunmehr
der Ventilsitz 40 freigegeben ist. Bei verschlossener Rückleitung wird somit der
Brennstoff von der Brennstoff zuleitung 41 zur Einspritzdüse' 13 geleitet.
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Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß der Ventilkolben-59 den
Brennstoffzufluß zur Einspritzdüse 13 entweder ganz öffnet oder vollständig schließt.
Die der Brennkammer 3 über die Einspritzdüse 13 zugeführte Brennstoffmenge wird
von der Turbine her geregelt (nicht gezeigt).
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Zu jeder Brennkammer gehört schließlich ein Eraftzylinder 46, der
am äußeren Brennkammergehäuse 7 -befestigt ist und eine in dan Flammrohr vorschiebbare
bzw. daraus zurückziehbare Zündkerze 47 trägt.
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Die vorgeschobene Stellung der letzteren ist in
Fig.
6 mit 47a bezeichnet, die zurückgezogene Stellung mit 47b. Die Zündkerze besitzt
zwei (nicht gezeigte) Elektroden, zwischen welchen unter hoher Spannung Zündfunken
erzeugt werden. Einstückig mit der Zündkerze 47 verbunden ist ein Kolben 48, der
im Kraftzylinder 46 geführt ist. In dem letzteren befindet sich auf der einen Seite
des Kolbens 48 eine Druckfeder 49, welche die Tendenz hat, die Zündkerze in die
Stellung 47a vorzuschieben. Die der Feder gegenüberliegende Kolbenseite wird beaufschlagt
vom Druck in dem diesseitigen Zylinderraum 50 welcher mit dem Inneren der Brennkammer
in Verbindung steht. Während der Brenndauer ist der Druck in der Brennkammer groß
genug um die Zündkerze in die zurückgezogene Stellung 47b zu drücken.
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Solange das Brennstoff-Luftgemisch im Flammrohr noch nicht gezündet
hat,-ister Druck im Zylinderraum 50 gleich dem von dem Kompressor 2 erzeugten Druck,
und die Feder 49 hält die Zündkerze in der vorgeschobenen Stellung 47a. Sobald dann
jedoch die Turbine zu drehen beginnt, steigt der Druck in der Brennkammer. Die von
der Zündkerze erzeugten Funken entzünden den eingespritzten Brennstoff und danach-steigt
der Druck in der Brennkammer weiter an, bis die Turbine mit Vollast fährt. Der steigende
Druck läßt die Zündkerze in die-zurückgezogene Stellung 47b zurückfahren, welche
sie dann solange einnimmt, wie die Verbrennung andauert.
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Die-Arbeitsweise der Brennkammer 3 ist wie folgt:> Die vom ringförmigen
Sammelkanal 10 kommonde Luft wird entsprechend dem in Fig. 4 oinSezeichneten Pfeil
51 zwischen das äußore Bronnkammergehäuse 7
und das Flammrohr 8
geleitet. Das trichterförmige Leitblech 35 verhindert dabei, daß die einströmendc
Luft direkt auf die sieben Schlitze 32 trifft. Im Bereich der kegelförmigen Kappe
11 ändert der Luft strom seine Richtung (Pfeil 23) und tritt über die Wirbelschaufeln
22 in das Flammrohr ein. Der dabei erzeugte kreisende Luftwirbel ist der Feinverteilung
des durch die Einspritzdüse 13 eingespritzten Brennstoffes förderlich. Zusätzliche
Verbrennungsluft tritt in diesem obersten Bereich des Flammrohres durch die Löcher
25, 27 und 28 hinzu.
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Weitere Verbrennungsluft wird im Bereich .17 des Flammrohres, welcher
zur Brennzone gehört, über die großen, mit Rohrstücken 29 versehenen Löcher zugcführt,
um eine gleichmäßige und vollständige Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches zu
erhalten. Die Rohrstücke 29 unterstützen dabei durch ihre Neigung die Einführung
der Luft.
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Schließlich wird noch über die kleinen Löcher 31 zusätzliche Sekundärluft
in dasFlaolmrohr eingeleitet.
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Der Betrag der Primärluft und der die Verbrennung fördernden Sekundärluft,
welche in den Bereichen 16 und 17 des Flammrohres in dieses eingeführt werden, ist
diejenige unterste Luftmenge, welche zur vollständigen Verbrennung notwendig ist.
Die heißen Brenngase strömen dann in dem sich erweiternden Bereich 18 des Flammrohres
(Pfeil 52) im Gegenstrom zu der am Umfang entlanggeleiteten Luft (Pfeil 51). In
Höhe der weiten Schlitze 32 wird dem heißen Gasstrom ein bestimmter Betrag kühlender
Luft beigemischt (Pfeile 53). Auf diese
Weise wird die Temperatur
der so erhaltenen Gasmischung auf ein gewünschtes tiaß gesenkt, bevor der Gasstrom
über den Sammelraum 20 zur Hochdruckturbine 4 geleitet wird.
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Ansprüche