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Brennkammer für kontinuierliche Verbrennung Bei der Durchführung einer
kontinuierlichen Verbrennung in Brennkammern ist es eine Hauptaufgabe des Konstrukteurs,
die Verbrennung durch besondere Maßnahmen so einzuleiten und aufrechtzuerhalten,
daß auf möglichst kleinem Raum eine möglichst vollständige Verbrennung erzielt wird.
Dies wird um so wichtiger, je mehr der Raumbedarf und das Gewicht der Brennkammer
als konstruktive Gesichtspunkte mit in die Waagschale fallen, was in besonders starkem
Maße der Fall ist bei einer Verwendung von Brennkammern auf Fahrzeugen und in noch
höherem Maße auf Flugzeugen. Das Volumen der Brennkammer ist andererseits weitgehend
bestimmt durch die Strömungsgeschwindigkeit des brennenden bzw. verbrannten Gases
in der Kammer, d. h., von diesem Standpunkt aus ist es wichtig, dem Gas in der Kammer
eine möglichst hohe Geschwindigkeit zu geben. Andererseits ist die Zündgeschwindigkeit,
d. h. die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme innerhalb des Gemisches durch
physikalische Daten gegeben und läßt sich auch bei feinster Zerstäubung und für
die Verbrennung günstigsten Verhältnissen nicht über ein gewisses Maß steigern,
so daß die Gefahr besteht, daß, wenn die Strömungsgeschwindigkeit größer als eben
diese Zündgeschwindigkeit ist, die Flamme nicht schnell genug auf das nachströmende
Medium übergeht und mit dem abströmenden
Gas aus der Kammer wandert.
Aus diesem Grunde werden verschiedene Wege beschritten, die teils darauf ausgehen,
durch einen glühenden Körper, der an der Stelle befestigt und in Glut gehalten wird,
wo die Zündung im fortlaufenden Strom dauernd einsetzen soll, die Verbrennung aufrechtzuerhalten,
teils aber anstrebt, durch örtliche Verzögerung und Verwirbelung der Strömungsgeschwindigkeit
eine Aufrechterhaltung der Flamme zu erzielen.
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Zum Zwecke der Verwirbelung der Verbrennungsluft und gleichmäßigen
Vermischung des Brennstoffes mit der Luft wurde bereits die Anordnung eines umlaufenden
Brennerkopfes in der Brennkammer vorgeschlagen, der in seinem Aufbau den von Ölfeuerungen
bekannten, aus einem oder mehreren konzentrischen zylinderförmigen Ringen bestehenden,
axial von der Verbrennungsluft durchströmten umlaufenden Zerstäuberbechern ähnlich
ist und den die Verbrennungsluft mittels einer Turbine antreibt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer mit einem umlaufenden
Brennerkopf in einer neuartigen Ausführung vorzuschlagen, welche den Erfordernissen
des Betriebes von Gasturbinen und Rückstoßantriebsvorrichtungen von Fahr- oder Flugzeugen
noch besser angepaßt ist.
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Erfindungsgemäß soll der umlaufende Brennerkopf so ausgebildet sein,
daß die Turbinenlaufschaufeln die Umlaufringe tragen. Gegebenenfalls können vor
den Laufschaufeln feststehende Leitschaufeln angeordnet sein, welche beispielsweise
die Lagerungsteile für die Umlaufringe tragen.
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Diese durch die neuartige Anordnung der Turbinenlaufschaufeln verhältnismäßig
kurze Brennerausführung hat den Vorteil, daß bereits innerhalb des Brennerkopfes
eine gute Durchwirbelung von Brennstoff und Luft stattfindet, so daß auch an dieser
Stelle bereits die Verbrennung einsetzen kann. Weiter ermöglicht die verhältnismäßig
leichte erfindungsgemäße Ausführung, durch welche die erforderliche Antriebsleistung
klein gehalten wird, einen besonders verlustarmen Antrieb. Zum Beispiel besteht
hierdurch die Möglichkeit, nur einen Teil der insgesamt notwendigen Luft, die Primärluft,
zum Antrieb des Brenners zu benutzen, während ein weiterer Teil ohne Druckverlust
außerhalb um den Brenner, von der Brennkammer gegebenenfalls durch eine Wand getrennt,
strömen und dem Verbrennungsgas später als Sekundärluft oder nur als Mischluft zugeführt
werden kann, wobei diese äußere Luft gleichzeitig noch eine Kühlung der Brennkammeraußenwände
in bekannter Weise vornehmen kann. Ein eventuell auftretendes Druckgefälle der Sekundärluft
zum Innenraum der Umlaufringe hin ist insofern günstig, als es zu einer Beschleunigung
und Verwirbelung dieser dem dort bereits verwirbelten und gezündeten Gemisch aus
Brennstoff und Primärluft zuzuführenden Luftmenge benutzt werden kann.
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Durch geeignete Stellung der Turbinenschaufeln kann dafür gesorgt
werden, daß die Luft hinter denselben vollständig axial abströmt oder aber, was
für die Verwirbelung besser ist, daß sie erfindungsgemäß auch noch hinter dem Umlaufring
eine mehr oder weniger große Umfangskomponente hat, die durch ihren Drall und die
Fliehkraft die Luft verwirbelt und die Mischung mit Sekundärluft fördert. Natürlich
muß darauf geachtet werden, daß an den Laufschaufeln, an deren Austritt unter Umständen
durch Abreißen Wirbel ent-"telien, die Verbrennung, die in diesen Wirbeln unter
Umständen schon einsetzt, keine Zerstörung hervorruft. Auch sollten die Laufschaufeln
wie auch die Lagerung usw. in ausreichender Entfernung von dem gegebenenfalls glühenden
hintersten Teil des Umlaufringes gehalten oder durch Zwischenschalten von wärmedrosselnden
Ouerschnittsverengungen oder isolierenden Schichten vor Erwärmung geschützt werden.
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Die Lagerung des Brennerkopfes kann z. B. dadurch bewerkstelligt werden,
daß am umlaufenden Teil eine in der Achse des Umlaufringes liegende Welle befestigt
ist, die z. B. in einer feststehenden zylindrischen Hülse in Kugellagern läuft.
Ebenso kann natürlich auch der zylindrische Teil umlaufen und der feststehende als
Achsbolzen in den Umlaufring hineinragen. Um die Lager vor zu hohen Temperaturen
zu schützen, wenn .z. B. die Verbrennung unter Druck stattfindet und die Kompressionswärme
der Verbrennungsluft eine unzulässig hohe Erhitzung der von der Verbrennungsluft
umströmten Lager befürchten läßt, kann beispielsweise eine von einem Kühlmittel,
z. B. vom Brennstoff, durchströmte Schutzkappe die ganze Lagerung umgeben. Um andererseits
einer Erwärmung der Lager durch Strahlung von seiten der Brennkammer her vorzubeugen,
kann ein Strahlungsschutz so angebracht sein, daß er stillstehend oder mit umlaufend
die Lagerung vor der Einstrahlung von Wärme schützt.
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Eine Verbesserung der Anordnung der Umlaufringe kann auch dadurch
erzielt werden, daß mehrere, beispielsweise zwei Umlaufringe konzentrisch angeordnet
sind und möglichst in entgegengesetzter Richtung umeinander rotieren. Der Antrieb
beider Ringe erfolgt wieder erfindungsgemäß durch die Verbrennungsluft. Hierbei
gelten die für den ersten Umlaufring angeführten Möglichkeiten auch für den zweiten.
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Die Düsen zur Einspritzung des Brennstoffes können in verschiedenartigster
Weise angeordnet sein. Eine in der Achsrichtung des Brennerkopfes liegende zentrale
Einspritzung in Strömungsrichtung der Luft hat den Vorteil, daß durch eine geeignete
Wahl des Kegels die Speichen vom Brennstoff freigehalten und dadurch vor Verbrennung
geschützt werden können. Dasselbe ist jedoch auch möglich, wenn in derAußenwand
derBrennkammer Düsen angebracht sind, die dem Luftstrom eiitgegenspritzen, wobei
sie zweckmäßig so angeordnet sind, daß sie tangential der Umlaufringdrehrichtung
entgegenspritzen. Auch hierbei können die Düsen so angeordnet sein, daß diejenigen
Teile, die vor der Verbrennung geschützt werden sollen, abgedeckt sind und der zerstäubte
Brennstoff teils in
den Raum innerhalb, teils in den Ringraum außerhalb
des bzw. derUmlaufringe gespritzt wird. Sind die Einspritzdüsen zentral oder tangential,
aber entgegen der Strömungsrichtung der Luft angebracht, so hat dies den Vorteil
einer sehr frühen Einleitung der Verbrennung, also einer guten Ausnutzung des Brennkammerraumes,
sowie einer großen Relativgeschwindigkeit zwischen der Luft und den Brennstoffteilchen,
also einer guten Vermischung. Bei Verwendung von zwei gegeneinander umlaufenden
Umlaufringen können außerdem oder auch allein Düsen verwendet werden, die von vorn
oder von hinten axial oder tangential in den Zwischenraum zwischen den Umlaufringen
einspritzen. Außerdem kann der Brennstoff auch im Innern der Laufschaufeln zugeführt
und bei zwei Umlaufringen beispielsweise von den Laufschaufeln des äußeren aus in
den Raum zwischen den beiden Umlaufringen eingespritzt werden. Hierbei kommt die
Pumpwirkung der umlaufenden. Ringe einer Erhöhung des Brennstoffdruckes noch zugute,
so daß unter Umständen eine Zuführung des Brennstoffes unter Druck sich überhaupt
erübrigt. Auch können die Brennstoffdüsen vorteilhaft so angeordnet sein, daß die
Drehung des Brennerkopfes durch die Rückstoßwirkung des ausgespritzten Brennstoffes
erzeugt oder verstärkt wird.
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Gemäß der Erfindung können zur Erhöhung der Verwirbelung, wenn der
Brennerkopf aus zwei Umlaufringen besteht, dieselben unabhängig voneinander, z.
B. gegeneinander, umlaufen. Weiter kann die Verwirbelung noch dadurch verbessert
werden, daß in dem Umlaufring Löcher angebracht sind, die radial gebohrt als schräge
oder gerade Schlitze oder auch kanalförmig ausgebildet und in beliebiger Weise mit
axial oder radial stehenden Leisten oder Rippen oder sonstigen Herv orragungen,
die am Umlaufring zur Erhöhung der Verwirbelung angebracht sind, kombiniert sein
können. Wichtig ist dabei, daß insbesondere in den Fällen, wo die Geschwindigkeit
so hoch ist, daß eine zusätzliche Verwirbelung der Luft und die dadurch entstehende
Verzögerung der Strömung zur Einleitung der Zündung unentbehrlich sind, für ein
Abreißen der Strömung an hierfür geeigneten Kanten gesorgt wird. Je weniger Wert
hierauf gelegt werden muß, um so mehr können die Gesichtspunkte einer Verringerung
der Strömungswiderstände in den Vordergrund geschoben werden.
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Schließlich kann der Umlaufring auch noch dazu benutzt werden, um
die eingangs geschilderte, in Brennkammern vielfach problematische fortwährende
Neuentzündung des Brennstoffes dadurch zu ermöglichen, daß das der Brennkammer zugekehrte
Ende durch Bestrahlung und durch die an dieser Stelle schon stattfindende Verbrennung
in Glut gehalten wird.
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Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung beispielsweise an drei
Ausführungsformen der neuen Brennkammer, die jeweils schematisch in einem Querschnitt
dargestellt sind, und zwar zeigt Abb. i eine Brennkammer mit feststehender Brennerkopflagerung
und tangentialer Brennstoffeinspritzung entgegen der Strömungsrichtung der Luft,
Abb. 2 eine Brennkammer mit umlaufender Brennerkopflagerung und zentraler Brennstoffeinspritzung
in Richtung der Luftströmung und Abb.3 eine weitere Brennkammerausführung mit zwei,
zweckmäßig gegenläufig rotierenden konzentrischen Brennerringen.
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In allen drei Abbildungen bezeichnet i eine Brennkammer bekannter
Bauart. Bei der Ausführungsform nachAbb. i ist dieKammer in einem Luftführungsgehäuse
2 angeordnet und in ihrem hinteren Teil mit Schlitzen 3 versehen. An der Lufteintrittsseite
der Kammer sind als Leitschaufeln ausgebildete Stege d. angeordnet, die die Lagerung
5 des Brennerkopfes in sich aufnehmen. Dieser besteht aus einem zylinderförmigen
Umlaufring 6 mit stromlinienförmigem Querschnitt, der von Speichen 7 getragen und
mit einer Achse 8 in den Stegen q. gelagert ist. Die Speichen 7 sind turbinenschaufelartig
gestaltet und treiben in Verbindung mit den feststehenden, leitschaufelartigen Stegen
q.- den Brennerkopf an. Eine Brennstoffleitung 9 führt durch die Stege q. in einen
die Lagerung 5 umgebenden Kühlmantel io. In den Speichen 7 können Einspritzdüsen
i i angeordnet sein, die durch Kanäle mit dem Kühlmantel io verbunden sind. In der
Brennkammerwandung sind Einspritzdüsen 12 hinter dem Ende des Umlaufringes 6 so
angeordnet, daß sie den Brennstoff entgegen der Luftströmung und gegebenenfalls
tangential zu dieser in das Innere des Ringes 6 und den Raum zwischen diesem und
der Kammerwandung einspritzen. In Innern der Kammer ist vor der Lagerung 5 des Brennerkopfes
ein Schutzschild 13 gegen die Wärmestrahlung angebracht.
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Bei der Ausführungsform nach Abb.2 ist der Brennerkopf mit seiner
Lagerung 5' auf einem feststehenden, an der Brennkammer i angebrachten Achsbolzen
14 gelagert. Der Brennerkopf besteht wiederum aus einem Umlaufring 6, der mit der
Nabe durch Turbinenlaufschaufeln 7 und im Gegensatz zur ersten Ausführungsform mit
Durchbohrungen 15 und Leisten 16 versehen ist. Die Leitschaufeln bestehen hier aus
rippenartigen Vorsprüngen a' an der Brennkammer i. Eine Brennstoffeinspritzdüse
17 ist feststehend am rückwärtigen Ende des Achsbolzens 1.4 angeordnet, der mit
einer Bohrung 18 zur Zuführung des Brennstoffes versehen ist. Vor der Lagerung 5'
ist wiederum ein Strahlungsschutz 13 angebracht.
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Bei der in Abb. 3 dargestellten Ausführungsform besteht der Brennerkopf
aus zwei konzentrisch angeordneten Umlaufringen 6 und 6' mit Speichen 7 und 7'.
Der innere Ring 6 ist mit seiner Achse 8 in der in den Stegen q. feststehend angeordneten
Lagerung 5 und der äußere Ring 6' auf dieser mit seiner umlaufenden Lagerung 5'
gelagert. Auch hier ist vor den Lagerungen 5 und 5' ein Strahlenschutz 13 angeordnet.
Die Turbinenlaufschaufeln 7 und 7' sind so ausgebildet, daß sie in Verbindung mit
den feststehenden Leitschaufeln q.' die beiden Umlaufringe 6 und 6' gegenläufig
antreiben. Zur
besseren Verwirbelung der Luft sind beispielsweise
an dem inneren Umlaufring 6 axiale Leisten 16 und radiale Rippen i9 angebracht,
und der äußere Umlaufring 6' ist mit kanalförmigen Schlitzen 2o versehen. Im unteren
Teil der Abb. 3 ist die Anordnung einer feststehendenDüse in einer derLeitschaufeln
4' veranschaulicht, und im oberen Teil ist eine Düse i i' in einer Laufschaufel
7' angebracht, die den Brennstoff in den Raum zwischen den beiden Umlaufringen 6
und 6' einspritzt.