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Ringbrennkammer mit einer rotierenden KraftstofEeinspritzeinrichtung,
insbesondere für Kleingasturbinen Die Erfindung betrifft eine Ringbrennkammer mit
einer rotierenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere für Kleingasturbinen,
bei der die Verbrennungsgase axial austreten und die in der äußeren und inneren
Wand Öffnungen zum Eintritt vom Verdichter geförderter Primär- und Mischluft aufweist.
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Bei Ringbrennkammern mit einer rotierenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
insbesondere bei Verwendung derartiger Ringbrennkammern in Kleingasturbinen, wird
ein möglichst kleines Bauvolumen angestrebt. Hierbei muß jedoch ein großer Ausbrandwirkungsgrad
und eine genügend große Mischzone zur Zuführung von Luft in die Verbrennungsgase
zu ihrer Temperaturabsenkung vor Eintritt in die Turbine vorhanden sein. Daher wird
der Kraftstoff radial mittels der rotierenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung in
die Brennkammer eingeführt und werden die Verbrennungsgase innerhalb ihres Weges
in der Brennkammer um etwa 90° umgelenkt. Die Ringbrennkammer weist dadurch im Querschnitt
eine L-förmige Form auf, wobei der Kraftstoff in den radial zur Maschinenwelle gerichteten
kurzen L-Schenkel eingespritzt und zerstäubt wird. In der äußeren und inneren Wand
der Brennkammer befinden sich öffnungen zum Eintritt vom Verdichter geförderter
Primär-und Mischluft. Die in der inneren Wand angeordneten Öffnungen befinden sich
dabei turbinenseitig neben der Kraftstoffeinspritzvorrichtung. Die Austrittsmündung
der Öffnungen ragt zur Flamme geneigt in die Brennkammer hinein. Durch den in die
Brennkammer hineinragenden, die L-Form bildenden Innenmantel der Brennkammer wird
eine Trennung der im unmittelbaren Bereich der Kraftstoffeinspritzeinriehtung befindlichen
Primärzone von der hinter der Verbrennungszone liegenden Mischzone erreicht. Der
Verlauf der Verbrennungsgase in der Brennkammer ist somit durch die von dem Innenmantel
der Brennkammer herbeigeführte Umlenkung der radialen Strömung in eine axiale L-förmig.
Nachteilig ist jedoch bei dieser Ausführung, daß die heißen Verbrennungsgase bei
der Umlenkung den in die Brennkammer hineinragenden, die L-Form bildenden Innenmantel
beaufsahlagen. Dieser in die Brennkammer hineinragende Innenmantel weist durch die
dauernde Beaufschlagung mit heißen Gasen eine kurze Lebensdauer auf, wobei gleichzeitig
die Lebensdauer der gesamten Brennkammer herabgesetzt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Ringbrennkammer
mit einer rotierenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere für Kleingasturbinen
zu schaffen, bei der eine Trennung der Primär- von der Mischzone und ein S-förmiger
Verlauf der Hauptströmrichtung innerhalb der Brennkammer auftritt, ohne daß zusätzliche,
mit den angeführten Nachteilen behaftete Bauteile in die Brennkammer hineinragen.
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Erfindungsgemäß wird dies durch Ausbildung der in der inneren Wand
befindlichen öffnungen als Ringdüse erreicht, die mit ihrer Austrittsmündung derart
zur Flamme geneigt in die Brennkammer hineinragend angeordnet ist, daß durch die
aus der Ringdüse austretende Luft in der Brennkammer eine Trennung der Primär- von
der Mischzone und ein S-förmiger Verlauf der Hauptströmrichtung innerhalb der Brennkammer
auftritt.
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Dadurch ist erreicht, daß ohne einen zusätzlichen, durch die hohen
Temperaturen einem frühzeitigen Verschleiß unterworfenen Bauteil in die Brennkammer
hineinzubringen, eine Trennung der Primärzone von der Mischzone und somit ein S-förmiger
Verlauf der Hauptströmrichtung innerhalb der Brennkammer auftritt. Die Temperaturen
sind am Ausgang der Brennkammer durch den S-förmigen Verlauf der Hauptströmrichtung
bei Zumischung von Mischluft der Turbine angepaßt. Vorteilhaft ist weiterhin, daß
durch einen Teil der durch die Ringdüse austretenden Luft die Verbrennungsluft in
der Primärzone ergänzt wird, so daß ein gutes Ausbrennverhalten auftritt. Der Rest
der durch die Ringdüse austretenden, an der Verbrennung nicht teilnehmenden Luft
vermischt sich mit der in der Mischzone befindlichen Mischluft, so daß als besonderer
Vorteil im Bereich des Ringkanals am Ausgang der Brennkammer eine über den ganzen
Querschnitt verteilte
gleichmäßige Temperatur auftritt. Das am Ausgang
der Brennkammer auftretende Temperaturprofil kann durch die Neigung der Ringdüse
beeinflußt werden, so daß bei abnehmender Neigung der Ringdüse durch die aus dieser
austretende Luft die Temperatur in axialef Richtung bis zum Ausgang der Brennkammer
abnimmt. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann erreicht werden durch einen
mit vom Verdichter geförderter Luft. beaufschlagten, neben der Kraftstoffeinspritzeinnchtung
in der nach außen verlaufenden Brennkammerwand derart in gleicher Höhe mit der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
angeordneten Ringspalt, daß im Bereich der Flamme ein Unterdruckgebiet geschaffen
ist. Durch das sich bildende Unterdruckgebiet wird vermieden, daß die Flamme vom
vorderen Bereich der Brennkammer durch den Luftstrom weggetragen wird. Die Anordnung
dieses Luftspaltes ist allein nicht Gegenstand der Erfindung, sondern stellt nur
eine Vervollkommnung der Erfindung dar.
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Als weiteres Merkmal der Erfindung ist, wie bei den Luftzuführungskanälen
zu den Öffnungen in der Innenwand bereits bekannt, die Ringdüse mit dem Zuführungskanal
durch zwei ringförmige, bis zu den Turbinenleitschaufeln verlaufende Wandungen gebildet,
wobei die eine Begrenzung des Zuführungskanals gleichzeitig die innere Wandung der
Brennkammer darstellt. Weiterhin ist durch einen an sich bekannten, von dem Verdichter
bis zu dem Zuführungskanal der Ringdüse über die hählen Turbinenleitschaufeln verlaufenden
Kanal, dessen innere Begrenzung durch die äußere Brennkammerwand gebildet wird,
erreicht, daß die Zuführung der vom Verdichter geförderten Luft gleichzeitig die
Brennkammerwandung kühlt, wobei keine zusätzlichen Zuführungskanäle benötigt werden.
Die Zeichnung veranschaulicht den Erfindungsgedanken an einem Ausführungsbeispiel.
Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch eine Kleingasturbine mit der erfindungsgemäßen
Ausbildung der Brennkammer, Fig. 2 einen Schnitt durch die Ringbrennkammer gemäß
Fig. 1 in einer größeren Darstellung.
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Das in Fig. 1 dargestellte Kleingasturbinentriebwerk besteht im wesentlichen
aus einem Verdichter 3, einer Turbine 4 und einer dazwischen angeordneten Ringbrennkammer
5. Die Ringbrennkammer ist in der Fig. 2 vergrößert dargestellt. Im Querschnitt
gegesehen weist die Brennkammer 5 etwa eine birnenförmige Form. auf. Das
sich verjüngende Ende der Brennkammer 5 bildet einen zu der Turbine
4 führenden, axial verlaufenden Kanal 6, der gleichzeitig den Ausgang
der Brennkammer darstellt. Im vorderen Bereich der Brennkammer ist eine radial in
diese gerichtete Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 angeordnet. Diese Kraftstoffeinspritzeinrichtung
7 wird von einer außerhalb des Brennkammergehäuses 9 angeordneten, nicht
mitdargestellten Kraftstoffzuleitung gespeist. Diese Kraftstoffzuleitung ist außerhalb
des Brennkammergehäuses 9 an eine Zuführungsbohrung 8, die in Richtung des Lagerstuhles
10 verläuft, in dem Brennkammergehäuse 9 angeschlossen. Die Bohrung 8 mündet
in eine axiale Bohrung 11 in den Lagerstuhl 10. Der Kraftstoff strömt
von der axialen Bdhrung 11 durch eine weitere Bohrung 12 in einen
Ringraum 14, der zwischen dem Lagerstuhl 10 und einer mit der Turbinenwelle
umlaufenden zylindrischen Scheibe 15 liegt. Der Ringraum 14 ist mit einem Labyrinth
16 abgedichtet. Aus dem Ringraum 14 strömt der Kraftstoff über Kanäle
17, die durch Abfräsen des Labyrinthes 16 gebildet sind, in einen Ringraum
18, der wiederum zwischen Lagerstuhl 10
und der Scheibe 15 liegt. In
die Brennkammer 5 gelangt der Kraftstoff dadurch, daß dieser aus dem Ringraum 18
über eine Abreißkante 19 spritzt.
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In der ringförmigen Brennkammerwand 20 befinden sich Öffnungen
21 und 22. Durch die Öffnungen 21, die sich in der Nähe der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 befinden, strömt die zur Verbrennung notwendige
Primärluft und durch die Öffnungen 22
die zur Erhaltung einer der Turbine
angemessenen Temperatur benötigte Mischluft. Neben der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
in der nach außen verlaufenden Brennkammerwand 20 befindet sich weiterhin
ein mit Primärluft durchströmter Ringspalt 23, der dazu dient, den Kraftstoff aufzuwirbeln
und die Flamme zu halten.
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Die Primär- und Mischluft strömt aus einem Ringkanal 24, welcher von
dein Verdichter beaufschlagt wird, in einen zwischen der Brennkammergehäusewandung
9 und der Brennkammerwand 20 verlaufenden Ringraum 25 und 26. Aus
dem Ringraum 25 strömt die Primärluft durch die Öffnungen 21 und den Ringspalt
23 und die Mischluft durch die öffnung 22 in die Brennkammer. Turbinenseitig
neben der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 befindet sich eine zur Flamme geneigte,
in die Brennkammer hineinragende Ringdüse 27, die mit vom Verdichter geförderter
Luft beaufschlagt und derart angeordnet ist, daß durch die aus der Ringdüse 27 austretende
Luft in der Brennkammer 5 eine Trennung der Primär- von der Mischzone und somit
ein S-förmiger Verlauf der Hauptströmrichtung innerhalb der Brennkammer 5 auftritt.
Die von dem Verdichter geförderte Luft strömt aus dem Ringraum 26 in Richtung der
Turbine durch hohl ausgebildete Turbinenleitschaufeln 28 in den ringförmigen
Zuführungskanal 29 und von dort durch die Ringdüse 27 in die Brennkammex.
Der von den hohlen Turbinenleitschaufeln 28 bis zu der Ringdüse
27 verlaufende ringförmige Zuführungskanal 29 ist dadurch gebildet, daß parallel
der inneren Brennkammerwandung 30 eine ringförmige Wandung 31 angeordnet
ist, wobei die innere Brennkammerwandung 30 gleichzeitig die Begrenzung dieses
Zuführungskanals 29 darstellt.
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Im folgenden ist die Arbeitsweise der Ringbrennkammer beschrieben.
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Nach der Zündung der in der Brennkammer befindlichen Gase mit einem
nicht mitdargestellten, im Umfang der Brennkammer befindlichen Zündgerät bildet
sich eine Flamme, welche durch die axial eintretende Primär- und Mischluft zu dem
sich verjüngenden Teil der Brennkammer gedrängt wird. Es bildet sich dadurch im
Bereich der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eine Primärzone, im hinteren Bereich
der Brennkammer eine Sekundär- bzw. Mischzone und dazwischen eine Verbrennungszone.
Durch die aus der Ringdüse 27 austretende, vom Verdichter geförderte Luft wird durch
den daraus entstehenden Luftkeil die Primärzone von der Mischzone getrennt und somit
erreicht, daß die Hauptströmrichtung innerhalb der Brennkammer S-förmig verläuft,
da die in der Primärzone befindliche heiße Luft gezwungen ist, entlang der äußeren
Brennkammerwandung 20 zu strömen. Ein Teil der aus der Ringdüse 27 austretenden
Luft vermischt sich mit der Verbrennungsluft in
der Primärzone,
so daß ein gutes Ausbrennverhalten auftritt. Der Rest der aus der Ringdüse
27 austretenden Luft vermischt sich mit der in der Mischzone befindlichen
Mischluft, so daß im Bereich des Ringkanals 6 am Ausgang der Brennkammer eine über
den ganzen Querschnitt verteilte gleichmäßige, der Turbine angepaßte Temperatur
auftritt. Je nach Neigung der Ringdüse 27 kann dabei das Temperaturprofil
in dem Kanal 6 beeinflußt werden.