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Verbrennungskammer für Brennkraftturbinen Die Erfindung bezieht sich
auf eine Verbrennungskammer für Brennkraftturbinen mit zusammengefaßtem Verbrennungs-
und Düsenvorraum und mit diese beiden Räume vollständig umschließendem, gemeinsamem
Doppelmantel, durch den die Luft vor der Verbrennung , in zweifachem Gegenstrom
zieht.
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Die Verbrennungskammer dient dazu, Luft und Brennstoff - die beide
unter Druck stehen - in solcher Mischung zusammenzuführen, daß das durch die Verbrennung
entstehende Gasgemisch unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung von Leitungen,
Kanälen, Kühlvorrichtungen oder Absperrorganen, in die Düsen und Schaufeln der Turbine
übertreten und dort Arbeit leisten kann.
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In dieser Beschreibung wird mit dem Ausdruck Verbrennungskammer die
ganze Vorrichtung, mit dem Ausdruck Verbrennungsraum der Teil der Vorrichtung, in
dem die Verbrennung vor sich geht, und mit Düsenvorraum der vor den Düsen liegende
Raum bezeichnet.
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Da im Verbrennungsraum zu gleicher Zeit `hohe Drücke und hohe Temperaturen
herrschen, bestehen konstruktive Schwierigkeiten für die Gestaltung seiner Umwandung.
Wassergekühlte Wandflächen können nicht verwendet werden, da die zur. ausreichenden
Kühlung der heißesten Stelle der Maschine nötige Wärmeabfuhr dann so groß wird,
daß sie zu einem unwirtschaftlichen Brennstoffverbrauch führt.
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Man hat zur Behebung dieser Schwierigkeit schon vorgeschlagen, den
Verbrennungsraum mit mehreren Wänden zu umgeben, von denen die inneren, der Einwirkung
des Druckes möglichst entzogen, den hohen Temperaturen standhalten können, während
die äußere, der Einwirkung der hohen Temperatur möglichst entzogen, den Druck aufzunehmen
vermag. Diese zunächst einfach aussehende Konstruktion birgt dennoch Schwierigkeiten
in sich. Es erwärmen sich nämlich die inneren Wände an einzelnen Stellen so weit,
daß sie durch Strahlung lokale Erwärmungen der Außenwände hervorrufen können, welche
die Maschine gefährden. Diese Gefährdungen zu vermeiden, ist der Hauptzweck der
Erfindung.
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Die Erfindung besteht darin, daß die gesamte Luft der Verbrennungskammer
an einem Ende, und zwar an dem heißeren, zentral zugeführt wird und daß die Luftzuführung
die Brennstoffzuführung allseitig umgibt.
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Ferner ist mit den bisher bekanntgewordenen Vorschlägen, bei denen
die Verbrennungsgase unmittelbar aus der Verbrennungskammer in die Düse strömen,
der Übelstand verbunden, daß für jede einzelne Expansionsdüse
eine
besondere, nur diese eine Düse beschickende Verbrennungskammer nötig ist. Daraus
folgt, daß die Leistung, die mit einer Verbrennungskammer erzielt werden kann, verhältnismäßig
gering ist. Um nun zu einer Turbine mit einer einigermaßen großen Leistung zu kommen,
hat man bisher in Aussicht genommen, für ein Turbinenlaufrad eine mehr oder minder
große Zahl von Verbrennungskammern kreisförmig um die Turbinenachse anzuordnen.
Das führt zu einer vielteiligen Maschine, die in der Herstellung teuer ist, bei
der die Regulierung umständlich wird und deren Betrieb unbequem ist. Alle diese
Nachteile sollen bei vorliegender Erfindung dadurch vermieden werden, daß eine Mehrzahl
von Düsen von einer einzigen Verbrennungskammer beschickt wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Verbrennungskammer
nach der Erfindung im Längsschnitt schematisch dargestellt. Sie besteht im wesentlichen
aus drei konzentrisch zueinander liegenden Räumen, von denen im folgenden der äußerste
als Mantelraum, der innerste als Innenraum und der dazwischenliegende als Zwischenraum
bezeichnet ist. Der Innenraum setzt sich wieder aus drei Räumen zusammen, die ohne
irgendwelche Abgrenzung ineinander übergehen und von oben nach unten aufeinanderfolgen:
der Mischraum f, der Verbrennungsraum 1a und der Düsenvorraum h'.
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Das Gehäuse a des Innenraumes wird von zwei Wänden b und c zentrisch
umgeben. Die Luft wird durch den Stutzen d zugeführt, welcher sie in den durch die
Wände b und c gebildeten Mantelraum hineinleitet. Sie durchströmt diesen von oben
nach unten und tritt dann in den Zwischenraum zwischen ca und b über. In letzterem
steigt sie wieder nach oben und gelangt in den Mischraum f, wo sie mit dem durch
das Rohr g zugeführten Brennstoff zusammentrifft. (Die bei k gezeichnete Unterbrechung
der Innenwand a ist zunächst wegzudenken; sie wird später besprochen.) Im Mischraum
beginnt die Verbrennung, und die sich bildende Flamme reicht ein kürzeres oder längeres
Stück in den Verbrennungsraum la hinein. Dieser wieder geht an seinem unteren Ende
unmittelbar in den Düsenvorraum 1ä über, aus welchem die Gase ebenfalls unmittelbar
in die Expansionsdüsen i der Turbine und in deren sich daran anschließende Schaufeln
übertreten.
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Die Luft umfließt also vor dem Eintritt in den Innenraum diesen in
doppeltem Gegenstrom. Sie strömt, allgemein gesprochen, von außen nach innen, d.
h. der aus dem Verbrennungsraum nach außen abströmenden Verlustwärme entgegen. Sie
erwärmt sich auf diesem ganzen Wege dauernd; im Mantelraum fließt daher die kälteste
Luft. Die Wärmeübertragung auf die Außenwand c bzw. d durch Leitung ist infolgedessen
so gering wie möglich, da diese Wand nur mit der kältesten Luft in Berührung kommt.
Gegen die Wärmeübertragung durch Strahlung auf die Außenwand c bzw. d bieten die
beiden Wände a und b und der zwischen ihnen liegende Zwischenraum genügenden
Schutz. Dies trifft allerdings nur für einen Teil, wenn auch den bei weitem größeren
Teil der Außenwand c bzw. d zu. Oben und unten ist es nicht der Fall. Denn oben
wird die Außenwand nicht zweifach, sondern allein durch die Haube des Mischraums
f, unten allein durch den Boden von d abgedeckt. Hier liegen also die Stellen, an
denen die Außenwand gefährdet ist.
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Die Haube f ist der Wärmeaufnahme sehr stark und besonders deswegen
ausgesetzt, weil sie sehr dicht an der Brennstelle liegt. Ihre Temperatur muß so
niedrig gehalten werden, daß die von ihr ausgehende Wärmestrahlung die gegenüberliegenden
Partien der Außenwände c bzw. d nicht gefährdet. Zu diesem Zweck wird die
eintretende Luft, die im Stutzen d in die Achsenrichtung umgelenkt ist, zuerst gegen
die Mitte, das Zentrum der Haube f, geführt (wenn man von der verhältnismäßig kleinen
Fläche; die die Brennstoffzuführung beansprucht, absieht). Die Luft fließt dann
an der Haube f, sich vom Zentrum nach allen Seiten gleichmäßig verteilend, weiter.
Diese zentrale Luftzuführung bewirkt eine so energische Kühlung der Haube f, daß
sich ihre Temperatur auf mittlerer Höhe hält und daß die von ihr ausgehende Wärmestrahlung
soweit herabgesetzt wird, daß keine Gefahr mehr für die gegenüberliegenden Teile
der Außenwand besteht.
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Für das untere Ende der Verbrennungskammer kommt der Schutz gegen
die Wärmestrahlung auf andere Weise zustande. Der untere Boden von a liegt bedeutend
weiter vom Verbrennungsraum h entfernt als die Haube f. Daher ist seine Wärmeaufnahme
durch Strahlung von der Flamme her bedeutend geringer. Außerdem bewirkt der durch
die Verbindung k fließende Luftstrom, wenn diese weiter unten besprochene Verbindung
vorgesehen ist, daß im Düsenvorraum li eine bedeutend tiefere Temperatur herrscht
als im Mischraum f und im Verbrennungsraum h. Infolgedessen ist auch die
Wärmeaufnahme des Bodens durch Leitung bedeutend geringer. Hinzu kommt noch, daß
sich die Gase im unteren Teil des Düsenvorraumes h' zwischen der letzten Düse und
dem Boden in Ruhe befinden, was auch die Wärmeübertragung durch Leitung herabsetzt.
Aus allen diesen Ursachen bleibt die Temperatur des
Bodens von a
so niedrig, daß durch Weiterstrahlung von ihm aus keine Gefährdung des Bodens von
c eintritt.
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Zusammengefaßt ergibt sich folgendes: die Innenwände a und b sind
von jedem Druck entlastet; bei richtiger Materialwahl bleibt es gleichgültig, wie
hoch ihre Temperatur ansteigt. Die Außenwand c bzw. d bleibt kühl und ist daher
in der Lage, die Beanspruchungen, die ein innerer Überdruck hervorruft, mit Sicherheit
aufzunehmen. Auch die Wärmeverluste nach außen bleiben gering und lassen sich leicht
durch äußere Isolierung der Außenwand c und des Stutzens d in erträglichen Grenzen
halten.
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Der Verbrennungskammer wird -von den soeben erwähnten geringen Wärmeverlusten
abgesehen - keine Wärme entzogen. Es wird kein Kühlmittel irgendwelcher Art angewendet,
insbesondere kein Kühlmantel, in welchem ein Kühlmittel (Wasser) umläuft; es werden
auch keine Gase mit niedriger Temperatur zugemischt; es wird auch kein Kühlwasser
oder Wasserdampf eingespritzt. Sowohl der gesamte Inhalt an Wärme, den Luft und
Brennstoff in die Verbrennungskammer mitbringen, wie die ganze Wärme, die bei der
Verbrennung entsteht, bleiben den Gasen bis zu ihrem Eintritt in die Expansionsdüsen
der Turbine i erhalten. Denn die Wärme, die den Gasen während und nach der Verbrennung
auf ihrem Wege durch die Räume f, h und h'
durch die Innenwände
a und b verlorengeht, wird an die zuströmende Luft abgegeben und mit
dieser dem Innenraum wieder zugeführt. Im Inneren der Verbrennungskammer findet
also ein dauernder Kreislauf einer ganz bestimmten Wärmemenge statt, ohne an dem
Resultat etwas zu ändern, daß der Wärmeinhalt der Gase bei ihrem Eintritt in die
Turbinendüsen i gleich der Summe aus der durch die Verbrennung entstehenden Wärme
und aus den mit Luft und Brennstoff zugeführten Wärmen ist.
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Nach der Erfindung ist weiterhin an der Stelle 1z eine Verbindung
vom -Zwischenraum zum Innenraum geschaffen. Hier teilt sich die Luft in zwei Ströme.
Der eine geht, wie beschrieben, im Zwischenraum weiter aufwärts nach dem Mischraum
f; der andere tritt, wie die Pfeile bei k andeuten, hier direkt in den Düsenvorraum
über. Wie diese Verbindung hergestellt wird, ob einfach durch Unterbrechen der Innenwand
a, wie in der Figur bezeichnet, oder in anderer Weise, ist an und für sich gleichgültig.
Wesentlich ist, daß die richtige Luftverteilung auf beiden Wegen erreicht und daß
diese Verbindung an der richtigen Stelle angebracht wird. Sie muß eine gewisse Strecke
oberhalb der ersten Düse liegen; andererseits inuß sie vom Mischraum- f so weit
entfernt sein, daß bei ihr die Verbrennung ganz oder wenigstens fast ganz beendet
ist.
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Diese Verbindung k vom Zwischenraum zum Innenraum hat folgende Wirkungen:
In bezug auf die Luft auf ihrem Wege vom Eintritt bei d bis zur Stelle k ändert
sich gegenüber der früheren Darstellung nichts; desgleichen ändert sich nichts in
bezug auf die Gase im Innenraum auf der Strecke von k bis i. Die dazwischenliegende
Strecke von k im Zwischenraum aufwärts durch den Mischraum f und abwärts durch den
Verbrennungsraum h, bis die Stelle k wieder erreicht ist, wird von einer kleineren
Luftmenge durchströmt. Daher ist auf dieser Strecke die Luftgeschwindigkeit geringer,
die Temperatur aber höher als früher. Denn die bei der Verbrennung freu werdende
Wärmemenge, die unverändert bleibt, verteilt sich auf eine kleinere Luftmenge. -
Mit Hilfe der Verbindung k läßt sich also einerseits die Geschwindigkeit bei f so
weit herabsetzen, daß die Zündgeschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches nicht
überschritten wird, andererseits die Temperatur bei f so weit steigern, daß die
Entflammungstemperatur nicht unterschritten wird: Nur eine Grenze ist hierbei gegeben;
es muß unbedingt dem Raum f die zur vollständigen Verbrennung nötige Luftmenge zugeführt
werden.
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In der Zeichnung sind am Düsenvorraum h' eine Reihe Düsen winklig
zur. Längsachse und mit seitlichem Austritt angedeutet. Die Beschauflung der Turbine
ist unmittelbar an den Düsenaustritt anschließend zu denken. Diese seitliche Anordnung
der Düsen ermöglicht es, an einer einzigen Verbrennungskammer eine Mehrzahl von
Düsen anzuordnen und dadurch eine hohe Beaufschlagung des Turbinenrades zu erzielen.