DE3821078A1 - Ringvergasungsbrenner fuer gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ringvergasungsbrenner mit neuer aerothermodynamischer Konstruktion zur Verwendung in Gasturbinentriebwerken, insbesondere einen Ringvergasungs­ brenner, der "schwierige" Treibstoffe wie Dieselöle sowie auch relativ einfache Treibstoffe verbrennen kann, wobei die Verbrennung mit sehr hohem Heizwert in einem sehr kleinen Volumen stattfindet; der Ringvergasungsbrenner kann sehr kostengünstig hergestellt werden und/oder eignet sich zur Verwendung als Teil von Gasturbinentriebwerken in einer Umgebung, die extrem kleine Triebwerksdurchmesser verlangt.

Im Gegensatz z. B. zu Strahlturbinentriebwerken werden die meisten der heute üblichen relativ kleinen Geschosse von Feststoffraketen vorwärtsgetrieben. Die Wahl einer Fest­ stoffrakete als Vortrieb wird im wesentlichen von zwei Faktoren diktiert. Erstens kann in vielen Fällen ein Strahlturbinentriebwerk nicht hinreichend kostengünstig hergestellt werden, um mit einem Festtreibstoff-Raketenan­ trieb zu konkurrieren. Zweitens war es bisher in kleinen Geschossen, d. h. solchen mit einem relativ kleinen Durch­ messer in der Größenordnung von ca. 15 cm, sehr schwierig, ein leistungsfähiges Strahlturbinentriebwerk herzustellen, das in die 15-cm-Ummantelung der Vortriebseinheit für ein solches Geschoß paßt.

Durch die Verwendung von Feststoff-Raketenantrieben geht ein gewisses Maß der Beeinflussung der Geschoßflugbahn gegenüber den Möglichkeiten verloren, die verfügbar wären, wenn das Geschoß durch einen Gasturbinenantrieb vortreibbar wäre, dessen Ausgangsleistung ohne weiteres änderbar ist. Selbst wenn der Gasturbinenantrieb mit relativ geringem Wirkungsgrad arbeitet, wird durch den Einsatz eines solchen Antriebs die Reichweite des Geschosses stark erweitert.

Die Schwierigkeit bei der wirtschaftlich vertretbaren Her­ stellung von Gasturbinenantrieben mit kleinem Durchmesser liegt nicht so sehr in der Fertigung des Verdichter­ und/oder Turbinenteils des Antriebs, sondern ist mehr der sehr arbeitsintensiven Herstellung des Vergasungsbrenners zuzuschreiben. Mit immer kleiner werdenden Vergasungsbren­ nern, die in eine gewünschte kleine Ummantelung, z. B. die 15-cm-Ummantelung eines relativ kleinen Geschosses der vor­ genannten Art passen sollen, ergeben sich ungleich größere Schwierigkeiten hinsichtlich der Erzielung einer wirksamen Treibstoffvergasung. Insbesondere kann bei verminderter Größe bzw. vermindertem Volumen eines Vergasungsbrenners nicht mehr genügend Volumen vorhanden sein, um zuerst eine vollständige Verdampfung des Treibstoffs, eine wirksame Verbrennung und dann eine gleichmäßige Vermischung zu erlauben.

Die Erfindung dient der Überwindung eines oder mehrerer der vorstehend angesprochenen Probleme.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen und verbesserten Gasturbinenantriebs, der einerseits wirt­ schaftlich herstellbar und/oder andererseits in eine unge­ wöhnlich kleine Ummantelung einbaubar ist. Insbesondere soll dabei ein neuer und verbesserter Vergasungsbrenner mit kostengünstiger Konstruktion angegeben werden, der trotz eines ungewöhnlich kleinen Volumens sowohl die vollständige und mit hohem Wirkungsgrad erfolgende Verdampfung und Ver­ gasung von Treibstoff als auch die gründliche Vermischung zwecks gleichmäßiger Austrittstemperatur zu einem Turbinen­ rad ermöglicht.

Der Ringvergasungsbrenner nach der Erfindung für eine Gas­ turbine ist gekennzeichnet durch ein glockenförmiges Ge­ häuse mit einer Achse, durch ein ringförmiges Futter mit einer inneren und einer äußeren Ringwand im Gehäuse und im Abstand davon unter Begrenzung eines radial äußeren Druck­ lufteinlasses zwischen dem Gehäuse und dem Futter, mit einem in Axialrichtung langen Druckluftringraum zwischen dem Gehäuse und der äußeren Wand und einem in Radialrich­ tung verlaufenden Druckluftringraum, der mit dem in Axial­ richtung langen Ringraum entgegengesetzt zum Einlaß in Fluidverbindung steht, wobei das Futter ferner einen im wesentlichen in Axialrichtung weisenden ringförmigen Auslaß zwischen den genannten Wänden und etwas radial einwärts vom Einlaß aufweist, durch einen kreisrunden Treibstoffein­ spritzverteiler in dem in Axialrichtung langen Ringraum mit einer Mehrzahl von winkelbeabstandeten, im wesentlichen in Axialrichtung gerichteten Öffnungen für den Durchtritt von Treibstoff, und durch eine Mehrzahl von rohrförmigen Düsen, die die äußere Wand durchsetzen und in den Raum zwischen den Wänden im wesentlichen tangential dazu eintreten, wobei jedes Düsenrohr einen Lufteinlaß innerhalb des in Axial­ richtung langen Ringraums und einen Treibstoffeinlaß, der jeweils mit einer zugehörigen Öffnung ausgerichtet ist, aufweist.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß das Futter eine im wesentlichen radiale Wand aufweist, die die innere und die äußere Wand entgegen­ gesetzt vom ringförmigen Auslaß miteinander verbindet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß mehrere Öffnungen in der äußeren Wand nahe der radialen Wand ausgebildet sind, durch die im in Axialrichtung langen Ringraum befindliche Druckluft in das Futter und gegen die radiale Wand gerichtet wird.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Öffnungen in der radialen Wand nahe der inneren Wand aus­ gebildet, durch die im radialen Ringraum befindliche Druck­ luft in das Futter und gegen die innere Wand gerichtet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß sowohl in der äußeren als auch in der radialen Wand Luft­ durchtrittsöffnungen ausgebildet sind.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die äußere und die radiale Wand aus Metallblech gestanzt und die Luftdurchtrittsöffnungen Stanzlöcher sind, wodurch die Kosten minimiert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Gehäuse eine mittige Hülse innerhalb der inneren Wand aufweist zur Begrenzung eines weiteren in Axialrichtung langen Ringraums, der mit dem radialen Ring­ raum in Fluidverbindung steht und sich unmittelbar einwärts vom ringförmigen Auslaß öffnet zwecks Kühlung der inneren Wand und Einleitung von Verdünnungsluft am ringförmigen Auslaß.

Dabei ist in bevorzugter Weiterbildung vorgesehen, daß der weitere in Axialrichtung lange Ringraum relativ zu dem in Axialrichtung langen Ringraum eng ist, um die Strömungs­ geschwindigkeit der durchströmenden Luft zu erhöhen und dadurch die Wärmeübertragung an der inneren Wand zu ver­ bessern.

Wenn die äußere Wand aus Metallblech geformt ist, weist sie vorteilhafterweise zwischen dem Einlaß und den Düsen eine in Umfangsrichtung verlaufende Serie von nach innen gebo­ genen Laschen auf, die zum Einlaß gerichtet sind, so daß Verdünnungsluft in das Futter nahe dem Auslaß eintreten kann.

Gemäß der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die Düsen in Form offenendiger Rohre ausgebildet und der Verteiler und die Rohre nebeneinander angeordnet sind. Dabei öffnet sich ein Ende der Rohre zu dem Raum zwischen der äußeren Wand und dem Gehäuse, und das andere Ende öffnet sich zu dem Raum zwischen der inneren und der äußeren Futterwand; die Fluidverbindung zwischen den Öffnungen im Verteiler und dem Inneren der Rohre wird durch ein Loch in der Seite jedes Rohrs, das mit der jeweils zugehörigen Treibstoffabgabe­ öffnung im Verteiler ausgerichtet ist, hergestellt.

Bevorzugt ist dabei der Verteiler an der Abstromseite der Düsen angeordnet, um dadurch jegliche Beeinträchtigung des Luftstroms im Raum zwischen dem Futter und dem Gehäuse zu minimieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung verläuft eine Treibstoffleitung zum Treibstoffverteiler und liegt vollständig innerhalb des Vergasungsbrenners zwischen dem Gehäuse und der äußeren Wand, um zur Minimierung der Größe der Gasturbine beizutragen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Gasturbinentriebwerk, insbesondere ein Strahlturbinentriebwerk, mit einem Ringvergasungsbrenner nach der Erfin­ dung;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Vergasungsbrenner;

Fig. 3 eine Endansicht eines in dem Vergasungsbrenner verwendeten Futters;

Fig. 4 eine größere Teildarstellung eines Abschnitts einer Treibstoffverteiler- und Düsenkonstruk­ tion, die bei der Erfindung angewandt wird;

Fig. 5 eine vergrößerte Teildarstellung der Düse und des Treibstoffverteilers aus einer anderen Richtung;

Fig. 6 eine vergrößerte Teildarstellung eines Ver­ dünnungslufteinlasses zum Vergasungsbrenner; und

Fig. 7 einen Schnitt durch den Verdünnungslufteinlaß.

Ein Ausführungsbeispiel des Vergasungsbrenners ist in einem Gasturbinentriebwerk nach Fig. 1 gezeigt. Das Gasturbinen­ triebwerk ist als Strahlturbinenantrieb ausgebildet und leistet daher Arbeit durch die Erzeugung von Schubkraft. Für den Fachmann ist jedoch ohne weiteres ersichtlich, daß die Erfindung auch für andere Gasturbinentriebwerke geeig­ net ist, z. B. auch für solche, bei denen die Ausgangslei­ stung von einer umlaufenden Welle abgeleitet wird.

Der Strahlturbinenantrieb weist ein Lufteintrittsgehäuse 10 auf. Eine Mehrzahl von winkelbeabstandeten, nach radial innen gerichteten Streben 12 (nur eine gezeigt) trägt orts­ fest ein geeignet aerodynamisch ausgelegtes Gehäuse 14 mittig innerhalb einer um den Umfang verlaufenden Einlaß­ öffnung 16 am Gehäuse 10. Das Gehäuse 14 enthält Lager 18, die eine Welle 20 drehbar haltern, die mit der Nabe 22 eines sogenannten Monorotors 24 gekoppelt ist.

Die Welle 20 innerhalb des Gehäuses 14 kann mit einer kon­ ventionellen Treibstoffpumpe 26 verbunden sein, die einen Einlaß 28 und eine Auslaßleitung 30 hat.

Die Auslaßleitung 30 führt aufwärts an der Vorderkante der Strebe 12 vorbei, verläuft dann in Axialrichtung (siehe 32) und ist an einen Abschnitt 34 angeschlossen, der seiner­ seits zu einem Treibstoffverteiler 36 innerhalb eines Ring­ vergasungsbrenners 38 verläuft.

Der Monorotor 24 weist auf einer Seite mehrere Verdichter­ schaufeln 40 auf, die mit dem Einlaß 16 in Strömungsver­ bindung stehen und Druckluft radial durch einen konventio­ nellen Leitapparat 42 richten. Nach Durchströmen des Leit­ apparats wird die Druckluft in Axialrichtung in einen Ein­ laß für den Vergasungsbrenner 38 geleitet, wie noch im einzelnen erläutert wird.

Auf der den Verdichterschaufeln 40 entgegengesetzten Seite der Nabe 22 weist der Monorotor 24 Radialturbinenschaufeln 44 auf. Heiße Verbrennungsgase aus dem Vergasungsbrenner 38 werden aus einer Düsenkonstruktion 46 gegen die Schaufeln 44 gerichtet und treiben den Monorotor so an, daß sowohl die für den Turbinenbetrieb erforderliche Luft verdichtet als auch Leistung für die Treibstoffpumpe 26 und etwaige weitere Zusatzsysteme bereitgestellt wird. Die heißen Ver­ brennungsgase treten dann aus der Maschine durch eine Strahldüse 48 aus und erzeugen dabei eine Schubkraft.

In den meisten Fällen sind zwischen dem Leitapparat 42 und dem Einlaß zum Vergasungsbrenner 38 sogenannte Entwirbe­ lungsschaufeln 50 vorgesehen, die bekanntlich die Funktion haben, die schraubenförmige Luftstromkomponente vom Leit­ apparat 42 zu vermindern.

Für den Fachmann ist ferner ersichtlich, daß bei vielen Gasturbinen die Geometrie der den Schaufeln 50 entsprechen­ den Entwirbelungsschaufeln sehr komplex sein kann, um die schraubenförmige Luftstromkomponente zu minimieren.

Im vorliegenden Fall können die Entwirbelungsschaufeln 50 jedoch relativ einfach und damit kostengünstig ausgebildet sein, weil im Gegensatz zu konventionellen Konstruktionen ein hohes Maß an Verwirbelung innerhalb des Vergasungs­ brenners 38 nicht nur toleriert wird, sondern sogar vor­ teilhaft ist.

Wie bereits erwähnt, soll der Vergasungsbrenner 38 nicht nur kostengünstig herstellbar sein, sondern er soll sich auch in idealer Weise zum Einsatz in Umgebungen eignen, in denen eine kleine Ummantelung der Gasturbine vorgesehen ist, und soll alle denkbaren Treibstoffe verbrennen können. In dieser Hinsicht ist bei der folgenden Beschreibung zu beachten, daß die Konstruktion sich bereits bewährt hat, wobei der Außendurchmesser des Antriebs einschließlich des Vergasungsbrenners 38 nur ca. 15,2 cm und die Höhe des Ringkörpers ca. 2,5 cm beträgt.

Wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht, hat der Vergasungs­ brenner 38 ein glockenförmiges Gehäuse 52 mit einer zy­ lindrischen Wand 54, die in einem Rand 56 endet, der einen Ring 58 für Befestigungszwecke aufnimmt. Die Zylinderfläche 54 geht in eine im wesentlichen nach radial innen gerich­ tete Fläche 60 über, die ihrerseits in eine kurze, durch­ messerkleine, in Axialrichtung verlaufende Zylinderfläche 62 übergeht, die einen Befestigungsring 64 für die Strahl­ düse 48 aufnimmt.

Eine im wesentlichen zylindrische Hülse 66 ist in den zy­ lindrischen Abschnitt 62 eingesetzt und daran befestigt. Die Hülse 66 verläuft im wesentlichen in Richtung auf den Befestigungsring 58, jedoch nicht vollständig bis zu diesem, und endet in einem geringfügig erweiterten Ende 68, das gemäß Fig. 1 in dem offenen Ende 70 eines mit der Düsenkonstruktion 48 verbundenen ringförmigen Gußteils 72 aufnehmbar ist.

Im Inneren des glockenförmigen Gehäuses 52 und im Abstand davon sowie von der Hülse 66 ist ein Futter 74 vorgesehen. Das Futter 74 besteht aus einer zylindrischen, in Radial­ richtung äußeren Wand 76, die mit einer im wesentlichen radial verlaufenden Wand 78 verbunden ist, die ihrerseits mit einer in Radialrichtung inneren Wand 80 verbunden ist. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind die Wände 76, 78 und 80 gesonderte Teile, die in geeigneter Weise zusammengesetzt sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind aus Gründen der Wirtschaftlichkeit der Konstruktion die Wände 76, 78 und 80 des Futters 74 wie auch das glockenförmige Gehäuse 52 und die Hülse 66 sämtlich durch ein Stanzver­ fahren o. dgl. aus Metallblech geformt.

Die Anordnung des Futters 74 in dem glockenförmigen Gehäuse 52 resultiert in einem in Axialrichtung verlängerten Ring­ raum 82, der angrenzend an den Befestigungsring 58 in einer ringförmigen Einlaßöffnung 84 für Druckluft endet. Dabei ist ein Ende 86 der radial äußeren Wand 76 des Futters 74 so ausgebildet, daß es an einem ortsfesten Gußteil 88 anliegt, das zwischen dem Leitapparat 42 und der Düse 46 angeordnet ist und diese dicht abschließt. Somit wird ver­ dichtete Luft aus dem Leitapparat 42 nach Vorbeiströmen an den Entwirbelungsschaufeln 50 in den Ringraum 82 zwischen dem Glockengehäuse 52 und der radial äußeren Wand 76 geleitet.

Ein in Radialrichtung langgestreckter Ringraum 90, der mit dem Ringraum 82 in Fluidverbindung steht, ist zwischen der radialen Wand 78 des Futters 74 und der Fläche 60 des glockenförmigen Gehäuses 50 ausgebildet. Dieser Ringraum 90 geht seinerseits in einen sehr engen, in Axialrichtung langgestreckten inneren Ringraum 92 über, der durch einen Raum zwischen der Hülse 66 und der radial inneren Wand 80 des Futters 74 gebildet ist. Um die Konzentrizität zwischen der Hülse 66 und der Wand 80 im Bereich des Endes 68 auf­ rechtzuerhalten, trägt das Futter 74 mehrere Abstandshalter 94. Die Abstandshalter 94 liegen an dem erweiterten Ende 68 der Hülse 66 und dem erweiterten Ende der Wand 80 an und sind daran befestigt, so daß eine Relativbewegung zwischen den Bauteilen infolge von thermischen Kräften möglich ist.

An in Umfangsrichtung beabstandeten Stellen um die radial äußere Wand 76 des Futters und unmittelbar angrenzend an die radiale Wand 78 weist erstere mehrere Stanzlöcher 96 auf. In dem Ringraum 82 strömende Luft kann in die Löcher 96 eintreten und zur Kühlung als Film an der Innenseite der radialen Wand 78 entlangstreichen. Der Luftstrom ist durch Pfeile 98 bezeichnet. Selbstverständlich wird eine zusätz­ liche Kühlung der radialen Wand 78 durch in dem radialen Ringraum 90 strömende Luft erreicht.

Nahe dem radial inneren Rand der radialen Wand 78 ist diese mit einer Serie von Stanzlöchern 100 versehen, so daß Druckluft aus dem radialen Ringraum 90 in das Innere des Futters 74 einströmen und als Film an der Innenfläche der Innenwand 80 entsprechend den Pfeilen 102 entlangstreichen kann, was ebenfalls der Kühlung dient.

Die Luft, die in dem Ringraum 90 weiter an den Öffnungen 100 vorbeiströmt, tritt in den Ringraum 92 ein. Wegen der extrem geringen Weite des Ringraums 92 muß die Geschwin­ digkeit dieser Luft erhöht werden, damit sie diesen Raum durchströmen kann. Die erhöhte Geschwindigkeit bedeutet natürlich erhöhte Reynolds- und Nußelt-Zahlen, was die Wärmeübertragung an der radial inneren Wand 80 verbessert.

Die vorstehend beschriebene Konstruktion arbeitet in wirk­ samer Weise mit Konvektionskühlung, unterstützt durch eine gewisse Filmkühlung, so daß unerwünschte, die Lebensdauer verkürzende thermische Gradienten vermieden werden. Gleich­ zeitig ermöglicht die Konstruktion die Unterhaltung einer relativ hohen Futtertemperatur, was zusammen mit der Kühl­ luft zur Minimierung der Kohlenstoffablagerung daran bei­ trägt.

Wie für den Fachmann ersichtlich ist, sind die zur Erzie­ lung dieses Kühleffekts eingesetzten Mittel kostengünstig. Die geringen Kosten der Konstruktion für eine solche Küh­ lung werden durch die spezielle aerothermodynamische Aus­ legung des Vergasungsbrenners unterstützt, der nachstehend noch im einzelnen erläutert wird. Bei Versuchen mit dem Vergasungsbrenner erfolgte die Verbrennung mit blauer Flamme mit der resultierenden geringen Strahlungswärme- Einwirkung auf die Wände des Futters 74, wodurch die oben beschriebene Kühlung praktikabel wird.

Nach Kühlung der radial inneren Wand 80 tritt die Luft aus einer ringförmigen Öffnung 104 aus und vermischt sich gründlich und wirksam mit Verbrennungsgas im Inneren des Vergasungsbrenners 74 und wirkt dabei als Verdünnungsluft.

An einer Stelle erstreckt sich ein in Axialrichtung ver­ laufendes Rohr 106 durch das Gehäuse 52 und die radiale Wand 70 zum Inneren des Futters 74. Das Rohr 106 kann irgendeine geeignete Zündvorrichtung oder pyrotechnische Vorrichtung zum Auslösen der Verbrennung im Futter 74 auf­ weisen.

Nach den Fig. 2 und 3 verläuft ein kreisrunder Treibstoff­ verteiler 108 um den Rand der Außenwand 76 des Futters 74. Der Verteiler 108 ist durch eine Reihe von Halterungen 110 in einer zur Achse des Vergasungsbrenners 38 quer verlau­ fenden Ebene gehalten.

An mehreren winkelmäßig beabstandeten Stellen verlaufen offenendige Rohre 112, die als Düsenöffnungen dienen, durch die Außenwand 76 des Futters 74. Bei der gezeigten Ausfüh­ rungsform werden elf Rohre 112 verwendet. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß weniger oder mehr Rohre verwendet werden können.

Jedes Rohr hat eine Mündung 114 in den Ringraum 82, die sich zu dem anströmenden Luftstrom hin öffnet. Das heißt, daß die Mündungen 114 der Rohre 112 so gerichtet sind, daß der Wirbelluftstrom im Inneren des Ringraums 82 in die Rohre 112 eintreten kann, ohne seine Richtung merklich zu ändern. Die Mündungen 114 können dabei erweitert sein (nicht gezeigt), um Druckverluste an dieser Stelle zu ver­ mindern.

Die entgegengesetzten Mündungen 116 der Rohre 112 liegen im Inneren des Futters 74, und aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Achsen der Rohre 112 im wesentlichen tangential zu dem Raum zwischen der inneren und der äußeren Wand 76 und 80 des Futters 74 verlaufen. Ferner ist aus Fig. 2 ersicht­ lich, daß die Achse jedes Rohrs 112 in einer zur Achse des Vergasungsbrenners 38 quer verlaufenden Ebene und unmittel­ bar benachbart der vom Treibstoffverteiler 108 eingenom­ menen Ebene liegt.

Nach den Fig. 4 und 5 weist jedes Rohr 112 eine kreisrunde Öffnung 120 in seiner Seitenwand nahe der Mündung 114 auf. Die Öffnung 120 ist mit einer entsprechenden kleinen Öff­ nung 122 im Treibstoffverteiler 108 ausgerichtet. Bevorzugt sind die Öffnungen 122 durch irgendein Bohrverfahren so gebildet, daß ihre Abmessungen ohne weiteres entsprechend dem gewünschten Treibstoffstrom einstellbar sind und jede Öffnung 122 in bezug auf die übrigen Öffnungen 122 relativ gleichförmig ist. Gleichzeitig wurde allerdings festge­ stellt, daß diese Art Einspritzvorrichtung erheblich tole­ ranter als konventionelle Einspritzvorrichtungen gegenüber nicht sauber gebohrten Löchern ist.

Durch die beschriebene Konstruktion wird Treibstoff aus dem Verteiler 108 aus den Öffnungen 122 und 120 in das Innere jedes Rohrs 112 eingespritzt. Die Rohre 112 durchströmende und in das Futter 74 tangential einströmende verdichtete Luft bewirkt eine sehr schnelle Verdampfung des Treibstoffs mit anschließender Verbrennung im Inneren des Futters 74. Da die Strömungsbahn des Treibstoffs und der Verbrennungs­ luft im Inneren des Futters 74 eine relativ hohe tangen­ tiale Komponente hat, verbleiben der Treibstoff und die Luft ausreichend lang im Futter 74, um sowohl eine effi­ ziente Vergasung als auch eine vollständige Verbrennung zu ermöglichen, und zwar ungeachtet der Tatsache, daß der Außendurchmesser des Futters kleiner als ca. 15 cm ist und der Ringkörper eine Höhe von nur ca. 2,5 cm hat.

Es ist zu beachten, daß der Treibstoffverteiler 108 er­ wünschtenfalls auf jeder Seite der Rohre 112 angeordnet sein kann. Bevorzugt ist der Verteiler 108 aber auf der Abstromseite der Rohre 112 angeordnet, da das im Ringraum 82 an dieser Stelle strömende Luftvolumen geringer ist, weil ein beträchtlicher Teil der in den Einlaß 84 einströ­ menden Luft aus dem Ringraum 82 in die Rohre 112 selbst umgelenkt wird. An der Abstromposition ergibt sich also eine geringere Beeinträchtigung des Luftstroms um das Fut­ ter 74 durch den Verteiler 108.

Da ein relativ hoher Verwirbelungsgrad im Ringraum 82 erwünscht ist, kann die Treibstoffleitung 34 im übrigen eine teilweise schraubenförmige Ausbildung haben, um eine Beeinträchtigung der verwirbelten Luft bei Austritt aus den Entwirbelungsschaufeln 50 zu minimieren.

Die radial äußere Wand 76 des Futters 74 weist ferner eine in Umfangsrichtung angeordnete Serie von nach innen gebo­ genen Laschen 130 auf. Die Laschen 130 liegen zwischen den Rohren 112 und dem Ende 86 und haben die Funktion, Verdün­ nungsluft aus dem Ringraum 82 zum Inneren des Futters 74 einzulassen. Wie am besten aus Fig. 6 hervorgeht, ist jede Lasche 130 durch Ausstanzen eines U-förmigen Schlitzes 132 an der gewünschten Stelle in der äußeren Wand 76 und an­ schließendes Biegen der Lasche nach innen unter Bildung einer Öffnung 134 (Fig. 7) gebildet. Gemäß Fig. 2 ist das radial innerste Ende jeder Lasche 130 zum Ende 86 der Fut­ terwand 76 hin gerichtet.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß der so ausgebildete Vergasungsbrenner eine Anzahl spezieller Merkmale aufweist bzw. eine Anzahl Vorteile bietet. Durch die starke Einlaßluftverwirbelung können minimale Entwir­ belungsschaufeln 50 verwendet werden, was die Kosten nied­ rig hält. Ferner wird durch die starke Verwirbelung die umfangsmäßige Vermischung von Treibstoff und Verbrennungs­ luft im Inneren des Futters 74 unterstützt, während die hohe Geschwindigkeit aufgrund der Verwirbelung für eine kostengünstige Konvektionskühlung der Futterwandung sorgt, ohne daß teure Kühlstreifen vorgesehen werden müssen.

Die Zuführung von Verdünnungsluft wird in einfacher und billiger Weise durch die Verwendung billiger gestanzter Verdünnungsluftöffnungen erreicht.

Die Treibstoffeinspritzung erfolgt durch billige, tangen­ tial orientierte Rohre, die als Zerstäubungsluftdüsen wir­ ken. Dosieröffnungen für Treibstoff werden in zuverlässiger und gleichförmiger Weise durch relativ billige Bohrvorgänge gebildet.

Die Verwendung von Stanzlöchern an strategisch wichtigen Stellen im Futter führt zu einer Filmkühlung der Futter­ wand, und die Verwendung von Abstandshaltern 94 erlaubt das Auftreten sowohl radialer als auch axialer, thermisch bedingter Ausdehnung ohne Spannungskomponenten.

Die beschriebenen Luftströmungsverläufe ermöglichen außer­ dem einen äußerst kleinen Gesamtdurchmesser und eine sehr geringe Ringkörperhöhe des Ringvergasungsbrenners. In die­ ser Beziehung wurde gefunden, daß ein gemäß der Erfindung hergestellter Ringvergasungsbrenner bei Antriebsversuchen eine Steigerung des Heizwerts um mehr als 30% gegenüber bekannten Ringvergasungsbrennern erreicht (ca. 15 800×10⁴ kcal/m³ at [1776×10⁴ BTU(ft³ atm]).

Die in der angegebenen Konstruktion erzielbare hochwirksame Verbrennung sorgt für ein erwünschtes rauchloses Abgas, während gleichzeitig der Vergasungsbrenner so wirtschaft­ lich gefertigt werden kann, daß er als Wegwerfprodukt behandelt werden kann. D. h., der Vergasungsbrenner kann kostengünstig nur einmal eingesetzt werden, z. B. in einem Gasturbinenantrieb, der ein Geschoß vorwärtstreibt.

Durch die Erfindung wird also ein Ringvergasungsbrenner angegeben, der einerseits billig ist und sich andererseits in idealer Weise zum Einsatz in einer Umgebung eignet, in der eine kleine Ummantelung verlangt wird. Infolgedessen eignet er sich in idealer Weise als Teil eines Gasturbinen­ antriebs für den Vortrieb relativ kleiner Geschosse, und er kann vorteilhaft auch in anderen Umgebungen eingesetzt werden.

Claims (19)

1. Ringvergasungsbrenner für Gasturbine, gekennzeichnet durch
ein glockenförmiges Gehäuse (52) mit einer Achse; ein ringförmiges Futter (74) mit einer inneren und einer äußeren Ringwand (80, 76) im Gehäuse und im Abstand davon unter Begrenzung eines radial äußeren Drucklufteinlasses (84) zwischen dem Gehäuse (52) und dem Futter (74), mit einem in Axialrichtung langen Druckluftringraum (82) zwi­ schen dem Gehäuse (52) und der äußeren Wand (76) und einem in Radialrichtung verlaufenden Druckluftringraum (90), der mit dem in Axialrichtung langen Ringraum (82) entgegenge­ setzt zum Einlaß (84) in Fluidverbindung steht, wobei das Futter (74) ferner einen im wesentlichen in Axialrichtung weisenden ringförmigen Auslaß (104) zwischen den genannten Wänden und etwas radial einwärts vom Einlaß (84) aufweist;
einen kreisrunden Treibstoffeinspritzverteiler (108) in dem in Axialrichtung langen Ringraum (82) mit einer Mehrzahl von winkelbeabstandeten, im wesentlichen in Axialrichtung gerichteten Öffnungen (122) für den Durchtritt von Treib­ stoff; und
eine Mehrzahl von rohrförmigen Düsen (112), die die äußere Wand (76) durchsetzen und in den Raum zwischen den Wänden im wesentlichen tangential dazu eintreten, wobei jedes Düsenrohr (112) einen Lufteinlaß (114) innerhalb des in Axialrichtung langen Ringraums (82) und einen Treibstoff­ einlaß, der jeweils mit einer zugehörigen Öffnung ausge­ richtet ist, aufweist.

2. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Futter (74) ferner eine im wesentlichen radiale Wand (78) aufweist, die die innere und die äußere Wand (80, 76) gegenüber dem ringförmigen Auslaß miteinander ver­ bindet.

3. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mehrere Öffnungen (96) in der äußeren Wand (76) nahe der radialen Wand (78), durch die im in Axialrichtung langen Ringraum (82) befindliche Druckluft in das Futter (74) und gegen die radiale Wand (78) gerichtet wird.

4. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mehrere Öffnungen (100) in der radialen Wand (78) nahe der inneren Wand (80), durch die im radialen Ringraum (90) befindliche Druckluft in das Futter (74) und gegen die innere Wand (80) gerichtet wird.

5. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mehrere erste Öffnungen (96) in der äußeren Wand (76) nahe der radialen Wand (78), durch die im in Axialrichtung lan­ gen Ringraum (82) befindliche Druckluft in das Futter (74) und gegen die radiale Wand (78) gerichtet wird, und mehrere zweite Öffnungen (100) in der radialen Wand (78) nahe der inneren Wand (80), durch die im radialen Ringraum (90) befindliche Druckluft in das Futter (74) und gegen die innere Wand (80) gerichtet wird.

6. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere und die radiale Wand (76, 78) aus Metall­ blech gestanzt und die Luftdurchtrittsöffnungen (96, 100) Stanzlöcher sind.

7. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (52) ferner eine mittige Hülse (66) inner­ halb der inneren Wand (80) aufweist zur Begrenzung eines weiteren in Axialrichtung langen Ringraums (92), der mit dem radialen Ringraum (90) in Fluidverbindung steht und sich unmittelbar einwärts vom ringförmigen Auslaß (104) öffnet zwecks Kühlung der inneren Wand (80) und Einleitung von Verdünnungsluft am ringförmigen Auslaß.

8. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere in Axialrichtung lange Ringraum (92) rela­ tiv zu dem in Axialrichtung langen Ringraum (82) eng ist, um die Strömungsgeschwindigkeit der durchströmenden Luft zu erhöhen und dadurch die Wärmeübertragung an der inneren Wand (80) zu verbessern.

9. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wand (76) aus Metallblech geformt ist und zwischen dem Einlaß und den Düsen eine in Umfangsrichtung verlaufende Serie von nach innen gebogenen Laschen (130) aufweist, die zum Einlaß gerichtet sind, so daß Verdün­ nungsluft in das Futter (74) nahe dem Auslaß eintreten kann.

10. Ringvergasungsbrenner für Gasturbine, gekennzeichnet durch
ein glockenförmiges Gehäuse (52) mit einer Achse;
eine in Axialrichtung verlaufende Hülse (66) im Inneren des Gehäuses (52);
ein ringförmiges Futter (74), das im Gehäuse (52) die Hülse (66) umgebend angeordnet ist und eine innere (80) und eine äußere (76) Wand, die konzentrisch angeordnet sind und in Axialrichtung verlaufen und jeweils von der Hülse (66) und dem Gehäuse (52) beabstandet sind, sowie eine die innere und die äußere Wand (80, 76) am einen Ende miteinander verbindende radiale Endwand (78) aufweist;
wobei das Gehäuse (52), die Hülse (66) und die innere, die äußere und die radiale Endwand (80, 76, 78) jeweils aus Metallblech geformt sind;
einen kreisrunden Treibstoffverteiler (108) mit winkelbe­ abstandeten Treibstoffabgabeöffnungen (122), der zwischen dem Gehäuse (52) und der Außenwand (76) angeordnet ist und in einer zu der Achse quer verlaufenden ersten Ebene liegt;
eine Mehrzahl von offenendigen langen Rohren (112) in der Außenwand (76) angrenzend an den Verteiler (108), wobei die Rohre in einer zu der ersten Ebene parallelen zweiten Ebene liegen und im wesentlichen tangential in den Raum zwischen der inneren (80) und der äußeren (76) Wand gerichtet sind, wobei ein Ende jedes Rohrs in diesem Raum und das andere Ende jedes Rohrs zwischen dem Gehäuse (52) und der äußeren Wand (76) liegt und jeweils ein Rohr (112) für jede Treib­ stoffabgabeöffnung vorgesehen ist; und
Mittel (120), die die Fluidverbindung zwischen jeder Treib­ stoffabgabeöffnung (122) und dem Inneren ihres zugehörigen Rohrs (112) herstellen.

11. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler (108) und die Rohre (112) nebeneinander angeordnet sind und die Mittel zur Herstellung der Fluid­ verbindung jeweils eine Öffnung (120) in der Seite jedes Rohrs (112) und in Ausrichtung mit der zugehörigen Treib­ stoffabgabeöffnung (122) umfassen.

12. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ebene näher an der Endwand (78) als die zweite Ebene liegt.

13. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Treibstoffleitung, die zu dem Treibstoffverteiler (108) führt und vollständig zwischen dem Gehäuse (52) und der äußeren Wand (76) liegt.

14. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch mehrere Öffnungen (96) in der äußeren Wand (76) nahe der radialen Wand (78), durch die im in Axialrichtung langen Ringraum (62) befindliche Druckluft in das Futter (74) und gegen die radiale Wand (78) gerichtet wird.

15. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch mehrere Öffnungen (100) in der radialen Wand (78) nahe der inneren Wand (80), durch die im radialen Ringraum (90) befindliche Druckluft in das Futter (74) und gegen die innere Wand (80) gerichtet wird.

16. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch
mehrere erste Öffnungen (96) in der äußeren Wand (76) nahe der radialen Wand (78), durch die im in Axialrichtung langen Ringraum (82) befindliche Druckluft in das Futter (74) und gegen die radiale Wand (78) gerichtet wird, und
mehrere zweite Öffnungen (100) in der radialen Wand (78) nahe der inneren Wand (80), durch die im radialen Ringraum (90) befindliche Druckluft in das Futter (74) und gegen die innere Wand (80) gerichtet wird.

17. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere und die radiale Wand (76, 78) aus Metall­ blech gestanzt und die Luftdurchtrittsöffnungen (96, 100) Stanzlöcher sind.

18. Ringvergasungsbrenner für Gasturbine, gekennzeichnet durch
ein glockenförmiges Gehäuse (52) mit einer Achse;
eine in Axialrichtung verlaufende Hülse (66) im Gehäuse (52);
ein ringförmiges Futter (74), das im Gehäuse (52) und die Hülse (66) umgebend angeordnet ist und eine innere (80) und eine äußere (76) Wand, die konzentrisch angeordnet sind und in Axialrichtung verlaufen und jeweils von der Hülse (66) und dem Gehäuse (52) beabstandet sind, sowie eine die innere und die äußere Wand (80, 76) am einen Ende mitein­ ander verbindende radiale Endwand (78) aufweist;
wobei das Gehäuse (52), die Hülse (66) und die innere, die äußere und die radiale Endwand (80, 76, 78) jeweils aus Metallblech geformt sind;
Elemente (112) zur Einleitung von zu verbrennendem Treib­ stoff in das Futter (74) an mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Stellen;
eine erste Serie von Stanzlöchern (96) in der äußeren Wand (76) angrenzend an die radiale Wand (78); und
eine zweite Serie von Stanzlöchern (100) in der radialen Wand (78) nahe der inneren Wand (80).

19. Ringvergasungsbrenner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (66) und die innere Wand (80) voneinander engbeabstandet sind, so daß durchströmende Luft mit hoher Geschwindigkeit strömen muß und dadurch eine verstärkte Kühlung der inneren Wand (80) erreicht wird.