Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Brenner für den Betrieb eines Wärmeerzeugers gemäss
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus EP-0 780 629 A2 ist ein Brenner bekanntgeworden, der anströmungsseitig
aus einem Drallerzeuger besteht, wobei die hierin gebildete Strömung nahtlos in
eine Mischstrecke übergeführt wird. Dies geschieht anhand einer am Anfang der
Mischstrecke zu diesem Zweck gebildeten Strömungssgeometrie, welche aus Uebergangskanälen
besteht, die sektoriell, entsprechend der Zahl der wirkenden
Teilkörper des Drallerzeugers, die Stirnfläche der Mischstrecke erfassen und in
Strömungsrichtung drallförmig verlaufen. Abströmungsseitig dieser Uebergangskanäle
weist die Mischstrecke eine Anzahl Filmlegungsbohrungen auf, welche eine
Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Rohrwand gewährleisten.
Anschliessend folgt eine Brennkammer, wobei der Uebergang zwischen der
Mischstrecke und der Brennkammer durch einen Querschnittssprung gebildet
wird, in dessen Ebene sich eine Rückströmzone oder Rückströmblase bildet.
Die Drallstärke im Drallerzeuger wird denmach so gewählt, dass das Aufplatzen
des Wirbels nicht innerhalb der Mischstrecke, sondern weiter stromab erfolgt, wie
oben ausgeführt, im Bereich des Querschnittssprunges. Die Länge der Mischstrecke
ist so dimensioniert, dass eine ausreichende Mischungsgüte für die zum
Einsatz gelengenden Brennstoffarten gewährleistet ist.
Obschon dieser Brenner gegenüber denjenigen aus dem vorangegangenen Stand
der Technik eine signifikante Verbesserung hinsichtlich Stärkung der Flammenstabilität,
tieferer Schadstoff-Emissionen, geringerer Pulsationen, vollständigen
Ausbrandes, grossen Betriebsbereichs, guter Querzündung zwischen den verschiedenen
Brennern, kompakter Bauweise, verbesserter Mischung, etc., gewährleistet,
zeigt es sich, dass sich mit den immer höheren Anforderungen an solche
Brenner bezüglich tiefere Schadstoff-Emissionen allgemein Probleme ergeben,
wenn ein Teil des Luftmassenstromes für die notwendige Kühlung insbesondere
der Frontwand des Brenners benutzt wird, was natürlich nötig ist, und direkt in die
Brennkammer eingeleitet wird, ohne mit dem Brennstoff vorgemischt zu werden.
Je grösser dieser Anteil ist, der mit dem Vormischprozess bygepasst wird, desto
höher fallen die NOx-Emissionen aus.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen
gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der eingangs
genannten Art Vorkehrungen vorzuschlagen, welche die obengenannten Nachteile
zu beheben vermag, d.h. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Minimierung der
Schadstoff-Emissionen, insbesondere der NOx-Emissionen, zu erreichen.
Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, die zur der Brennerfront
eingesetzte Kühlluft nicht direkt in die Brennkammer abzulassen, sondern zurückzuführen
und als Filmluft der Hauptströmung innerhalb des Brenners beizumischen.
Diese Kühlluftmenge übernimmt zunächst vorzugsweise anhand einer Prallkühlung
die Kühlung der Frontwand des Brenners, bevor sie dann im obigen Sinn
rückgeführt wird.
Durch diese Prallkühlung wird die Oberfiäche der Brennerfrontwand vom heissen
Gas und von der Flammenstrahlung aus dem Brennraum weitgehend gekühlt, so
dass die thermische Belastung in diesem Bereich wesentlich verringert wird.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass die Kühlluft hier
zugleich der Filmluft für die Innenwand des Brenners resp. der Mischstrecke entspricht,
womit entlang der Wand im Sinne einer Filmlegung eine Erhöhung der
Durchflussgeschwindigkeit induzieren, welche einen Flammenrückschlag vom
Brennraum stromaufwärts nachhaltig verhindert. Darüber hinaus wird bei gleicher
Brennerleistung, d.h. bei gleichem Brennstoffmassenstrom, mehr Luft für die
Vormischung bereitgestellt, womit eine magerere Mischung und damit tiefere
NOx-Emissionen erzielt werden.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung
sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen
Merkmale sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen
Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung
der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
Kurze Bezeichnung der Zeichnungen
Es zeigt:
- Fig. 1
- einen als Vormischbrenner ausgelegten Brenner mit einer Mischstrecke
stromab eines Drallerzeugers und mit einem Kühlluft-Management,
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung des Brenners gemäss Fig. 1 mit Disposition
der zusätzlichen Brennstoff-Injektoren,
- Fig. 3
- einen aus mehreren Schalen bestehenden Drallerzeuger in perspektivischer
Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,
- Fig. 4
- einen Querschnitt durch einen zweischaligen Drallerzeuger,
- Fig. 5
- einen Querschnitt durch einen vierschaligen Drallerzeuger,
- Fig. 6
- eine Ansicht durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig
profiliert sind,
- Fig. 7
- eine Ausgestaltung der Uebergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und
Mischstrecke und
- Fig. 8
- eine Abrisskante zur räumlichen Stabilisierung der Rückströmzone.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners. Anfänglich ist ein Drallerzeuger
100 wirksam, dessen Ausgestaltung in den nachfolgenden Fig. 3-6 noch näher
gezeigt und beschrieben wird. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100 um
ein kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von einem tangential einströmenden
Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich hierein bildende
Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Uebergangsgeometrie
nahtlos in ein Uebergangsstück 200 übergeleitet, dergestalt,
dass dort keine Ablösungsgebiete auftreten können. Die Konfiguration dieser Uebergangsgeometrie
wird unter Fig. 6 näher beschrieben. Dieses Uebergangsstück
200 ist abströmungsseitig der Uebergangsgeometrie durch ein Mischrohr 20 verlängert,
wobei beide Teile die eigentliche Mischstrecke 220 bilden. Selbstverständlich
kann die Mischstrecke 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d.h.
dann, dass das Uebergangsstück 200 und das Mischrohr 20 zu einem einzigen
zusammenhängenden Gebilde verschmelzen, wobei aber die Charakteristiken eines
jeden Teils erhalten bleiben. Werden Uebergangsstück 200 und Mischrohr 20
aus zwei Teilen erstellt, so sind diese durch einen Buchsenring 10 verbunden,
wobei der gleiche Buchsenring 10 kopfseitig als Verankerungsfläche für den Drallerzeuger
100 dient. Ein solcher Buchsenring 10 hat darüber hinaus den Vorteil,
dass verschiedene Mischrohre eingesetzt werden können. Abströmungsseitig des
Mischrohres 20 befindet sich der eigentliche Brennraum 30 einer Brennkammer,
welche hier lediglich durch ein Flammrohr versinnbildlicht ist. Die Mischstrecke
220 erfüllt weitgehend die Aufgabe, dass stromab des Drallerzeugers 100 eine
definierte Strecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von
Brennstoffen verschiedener Art erzielt werden kann. Diese Mischstrecke, also
vordergründig das Mischrohr 20, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung,
so dass sich auch in Wirkverbindung mit der Uebergangsgeometrie
zunächst keine Rückströmzone oder Rückströmblase bilden kann, womit über
die Länge der Mischstrecke 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten
Einfluss ausgeübt werden kann. Diese Mischstrecke 220 hat aber noch eine andere
Eigenschaft, welche darin besteht, dass in ihr selbst das Axialgeschwindigkeits-Profil
ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so dass eine Rückzündung
der Flamme aus der Brennkammer nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig,
dass bei einer solchen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin
abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr
20 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl regelmässig oder
unregelmässig verteilter Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen
versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 20
strömt, und entlang der Wand im Sinne einer Filmlegung eine Erhöhung der
Durchfluss-Geschwindigkeit induzieren. Diese Bohrungen 21 können auch so
ausgelegt werden, dass sich an der Innenwand des Mischrohres 20 mindestens
zusätzlich noch eine Effusionskühlung einstellt. Ueber die Speisung dieser Bohrungen
21 mit Luft wird weiter unten näher eingegangen. Eine zusätzliche Möglichkeit
eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Gemisches innerhalb des Mischrohres
20 zu erzielen, besteht darin, dass dessen Durchflussquerschnitt abströmungsseitig
der Uebergangskanäle 201, welche die bereits genannten Uebergangsgeometrie
bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau
innerhalb des Mischrohres 20 angehoben wird. In der Figur
verlaufen die Bohrungen 21 unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse
60. Andere Verläufe dieser Bohrungen 21 sind auch möglich. Möglich ist
des weiteren, das Mischrohr 20 intermittierend mit solchen Bohrungen zu versehen,
beispielsweise am Anfang und am Ende desselben. Vorzugsweise werden
diese Bohrungen am Umfang des Mischrohres verteilt. Des weiteren entspricht
der Auslauf der Uebergangskanäle 201 dem engsten Durchflussquerschnitt des
Mischrohres 20. Die genannten Uebergangskanäle 201 überbrücken demnach
den jeweiligen Querschnittsunterschied, ohne dabei die gebildete Strömung negativ
zu beeinflussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung
40 entlang des Mischrohres 20 einen nicht tolerierbaren Druckverlust
auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende dieses
Mischrohres 20 ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende
des Mischrohres 20 schliesst sich sodann eine Brennkammer 30 (Brennraum)
an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten ein durch eine Brennerfront
gebildeter Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale
Flammenfront mit einer Rückströmzone 50, welche gegenüber der Flammenfront
die Eigenschaften eines körperlosen Flammenhalters aufweist. Bildet sich
innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmassige
Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen
entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der
Rückströmzone 50. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, dass die Erzeugung
einer stabilen Rückströmzone 50 auch eine ausreichend hohe Drallzahl in einem
Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen
durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen am Rohrende,
beispielsweise durch tangentiale Oeffnungen, erzeugt werden. Dabei geht
man hier davon aus, dass die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge
beträgt. Was die Ausgestaltung der Brennerfront am Ende des
Mischrohres 20 zur Stabilisierung der Rückströmzone oder Rückströmblase 50
betrifft, wird auf die Beschreibung unter Fig. 8 verwiesen.
Konzentrisch zum Mischrohr 20, im Bereich seines Auslaufes, wird ein Kühlsystem
300 vorgesehen. Dieses besteht aus einer äusseren Ringkammer 302, in
welche eine Kühlluftmenge 301 einströmt. Diese Ringkammer 302 schliesst mit
einer gelochten Platte 303 ab, wobei die hier vorgesehenen Bohrungen so gestaltet
sind, dass die dort durchströmende Luftmenge 304 eine Prallkühlung auf eine
von der gelochten Platte 303 beabstandete Bodenplatte 305 bewirkt. Diese Bodenplatte
305 als Frontwand des Brenners hat die Funktion eines Hitzeschutzbleches
gegenüber der kalorischen Belastung aus dem Brennraum 30, so dass diese
Prallkühlung hier äusserst effizient ausfallen muss. Nach vollzogener Kühlung
strömt die Luftmenge 307 innerhalb einer geschlossenen Ringkammer 306 zu den
Bohrungen 21, deren Oeffnungen innerhalb der geschlossenen Ringkammer 306
verteilt sind. Die durch die Prallkühlung kalorisch angereichte Kühlluft strömt sodann
durch die bereits erwähnten Bohrungen 21 in den Innenraum des Mischrohres
20 und sie wirkt dann dort als Filmluft entlang der Innenwand. Diese Filmlegung
erhöht die Durchflussgeschwindigkeit der durch das Mischrohr 20 strömenden
Hauptströmung 40, was sich positiv gegen einen Flammenrückschlag auswirkt,
und des weiteren dazu beiträgt, dass bei gleicher Brennerleistung mehr Luft
für die Vormischung bereitgestellt werden kann, womit eine magerere Mischung
entsteht und damit tiefere NOx-Emissionen erreicht werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht des Brenners gemäss Fig. 1, wobei hier
insbesondere auf die Umspülung einer zentral angeordneten Brennstoffdüse 103
und auf die Wirkung von Brennstoff-Injektoren 170 hingewiesen wird. Die Wirkungsweise
der restlichen Hauptbestandteile des Brenners, nämlich Drallerzeuger
100 und Uebergangsstück 200 werden unter den nachfolgenden Figuren näher
beschrieben. Die Brennstoffdüse 103 wird mit einem beabstandeten Ring 190
ummantelt, in welchem eine Anzahl in Umfangsrichtung disponierter Bohrungen
161 gelegt sind, durch welche eine Luftmenge 160 in eine ringförmige Kammer
180 strömt und dort die Umspülung der Brennstoffdüse 103 vornimmt. Diese Bohrungen
161 sind schräg nach vorne angelegt, dergestalt, dass eine angemessene
axiale Komponente auf der Brennerachse 60 entsteht. In Wirkverbindung mit diesen
Bohrungen 161 sind zusätzliche Brennstoff-Injektoren 170 vorgesehen, welche
eine bestimmte Menge vorzugsweise eines gasförmigen Brennstoffes in die
jeweilige Luftmenge 160 einspeisen, dergestalt, dass sich im Mischrohr 20 eine
gleichmässige Brennstoffkonzentration 150 über den Strömungsquerschnitt einstellt,
wie die Darstellung in der Figur versinnbildlichen will. Genau diese gleichmässige
Brennstoffkonzentration 150, insbesondere die starke Konzentration auf
der Brennerachse 60 sorgt dafür, dass sich eine Stabilisierung der Flammenfront
am Ausgangs des Brenners einstellt, womit aufkommende Brennkammerpulsationen
vermieden werden.
Um den Aufbau des Drallerzeugers 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil,
wenn gleichzeitig zu Fig. 3 mindestens Fig. 4 herangezogen wird. Im folgenden
wird bei der Beschreibung von Fig. 3 nach Bedarf auf die übrigen Figuren hingewiesen.
Der erste Teil des Brenners nach Fig. 1 bildet den nach Fig. 3 gezeigten Drallerzeuger
100. Dieser besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102,
die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Anzahl der kegelförmigen
Teilkörper kann selbstverständlich grösser als zwei sein, wie die Figuren 5
und 6 zeigen; dies hängt jeweils, wie weiter unten noch näher zur Erläuterung
kommen wird, von der Betriebsart des ganzen Brenners ab. Es ist bei bestimmten
Betriebskonstellationen nicht ausgeschlossen, einen aus einer einzigen Spirale
bestehenden Drallerzeuger vorzusehen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse
oder Längssymmetrieachsen 101b, 102b (Vgl. Fig. 4) der kegeligen Teilkörper
101, 102 zueinander schafft bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher
Anordnung, jeweils einen tangentialen Einströmungskanal, d.h. einen Lufteintrittsschlitz
119, 120 (Vgl. Fig. 4), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum
des Drallerzeugers 100, d.h. in den Kegelhohlraum 114 desselben strömt. Die
Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen
bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können
die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende
Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten
Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann ohne
weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je
einen zylindrischen ringförmigen Anfangsteil 101a auf. Im Bereich dieses zylindrischen
Anfangsteils ist die bereits unter Fig. 2 erwähnte Brennstoffdüse 103 untergebracht,
welche vorzugsweise mit einem flüssigen Brennstoff 112 betrieben wird.
Die Eindüsung 104 dieses Brennstoffes 112 fällt in etwa mit dem engsten Querschnitt
des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraumes
114 zusammen. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Brennstoffdüse 103
richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. Die kegeligen
Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108,
109 auf, welche entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 angeordnet
und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein
gasförmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst
wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen
108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung,
vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, angeordnet, dies um eine optimale
Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Bei dem durch die Brennstoffdüse 103
herangeführten Brennstoff 112 handelt es sich, wie erwähnt, im Normalfall um einen
flüssigen Brennstoff, wobei eine Gemischbildung mit einem anderen Medium,
beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas, ohne weiteres möglich ist.
Dieser Brennstoff 112 wird unter einem vorzugsweise sehr spitzen Winkel in den
Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Brennstoffdüse 103 bildet sich sonach ein
kegeliges Brennstoffspray 105, das von der tangential einströmenden rotierenden
Verbrennungsluft 115 umschlossen und abgebaut wird. In axialer Richtung wird
sodann die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 112 fortlaufend durch die
einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer Vermischung Richtung Verdampfung
abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 113 über die Oeffnungsdüsen 117
eingebracht, geschieht die Bildung des Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende
der Lufteintrittsschlitze 119, 120. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt,
oder beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas oder Abgas angereichert,
so unterstützt dies nachhaltig die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes
112, bevor dieses Gemisch in die nachgeschaltete Stufe strömt, hier in das
Uebergangsstück 200 (Vgl. Fig. 1 und 7). Die gleichen Ueberlegungen gelten
auch, wenn über die Leitungen 108, 109 flüssige Brennstoffe zugeführt werden
sollten. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich des Kegelwinkels
und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind an
sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der
Verbrennungsluft 115 am Ausgang des Drallerzeugers 100 einstellen kann. Allgemein
ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze
119, 120 die schnellere Bildung einer Rückströmzone bereits im Bereich des
Drallerzeugers begünstigt. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Drallerzeugers
100 lässt sich durch eine entsprechende unter Fig. 2 (Pos. 160) näher beschriebene
Zuführung einer Luftmenge erhöhen bzw. stabilisieren. Eine entsprechende
Drallerzeugung in Wirkverbindung mit dem nachgeschalteten Uebergangsstück
200 (Vgl. Fig. 1 und 7) verhindert die Bildung von Strömungsablösungen innerhalb
des dem Drallerzeuger 100 nachgeschalteten Mischrohr. Die Konstruktion des
Drallerzeugers 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen
Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge
des Drallerzeugers 100 eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst
werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 101, 102 auch in einer anderen
Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Ueberlappung derselben
vorgesehen werden kann. Es ist des weiteren möglich, die Teilkörper 101, 102
durch eine gegenläufig drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln.
Somit ist es möglich, die Form, die Grösse und die Konfiguration der tangentialen
Lufteintrittsschlitze 119, 120 beliebig zu variieren, womit der Drallerzeuger
100 ohne Veränderung seiner Baulänge universell einsetzbar ist.
Aus Fig. 4 geht unter anderen die geometrische Konfiguration von wahlweise vorzusehenden
Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion,
wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der kegeligen
Teilkörper 101, 102 in Anströmungsrichtung gegenüber der Verbrennungsluft 115
verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum
114 kann durch Oeffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 121a, 121b um einen im
Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt
123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche
Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 dynamisch verändert
werden soll, beispielsweise um eine Aenderung der geschwindigkeit der Verbrennungsluft
115 zu erreichen. Selbstverständlich können diese dynamische
Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmässige Leitbleche
einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden.
Fig. 5 zeigt gegenüber Fig. 4, dass der Drallerzeuger 100 nunmehr aus vier Teilkörpern
130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen
zu jedem Teilkörper sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser
Konfiguration ist zu sagen, dass sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringeren
Drallstärke und im Zusammenwirken mit einer entsprechend vergrösserten
Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungsseitig
des Drallerzeugers im Mischrohr zu verhindern, womit das Mischrohr die ihm
zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.
Fig. 6 unterscheidet sich gegenüber Fig. 5 insoweit, als hier die Teilkörper 140,
141, 142, 143 eine Schaufelprofilform haben, welche zur Bereitstellung einer gewissen
Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Drallerzeugers
die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Verbrennungsluftstromes
115 geschieht aus dem Innern der Schaufelprofile heraus,
d.h. die Brennstoffleitung 108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert.
Auch hier sind die Längssymmetrieachsen zu den einzelnen Teilkörpern mit der
Buchstabe a gekennzeichnet.
Fig. 7 zeigt das Uebergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Uebergangsgeometrie
ist für einen Drallerzeuger 100 mit vier Teilkörpern, entsprechend
der Fig. 5 oder 6, aufgebaut. Dementsprechend weist die Uebergangsgeometrie
als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper vier Uebergangskanäle
201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche der genannten Teilkörper verlängert
wird, bis sie die Wand des Mischrohres schneidet. Die gleichen Ueberlegungen
gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als den unter
Fig. 3 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung
verlaufende Fläche der einzelnen Uebergangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung
spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen
Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, dass sich vorliegend der Durchflussquerschnitt
des Uebergangsstückes 200 in Strömungsrichtung konisch erweitert.
Der Drallwinkel der Uebergangskanäle 201 in Strömungsrichtung ist so gewählt,
dass der Rohrströmung anschliessend bis zum Querschnittssprung am
Brennkammereintritt noch eine genügend grosse Strecke verbleibt, um eine perfekte
Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerkstelligen. Ferner erhöht
sich durch die oben genannten Massnahmen auch die Axialgeschwindigkeit
an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeugers. Die Uebergangsgeometrie
und die Massnahmen im Bereich des Mischrohres bewirken eine deutliche Steigerung
des Axialgeschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt des Mischrohres hin, so
dass der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegengewirkt wird.
Fig. 8 zeigt die bereits angesprochene Abrisskante, welche am Brenneraustritt
gebildet ist. Der Durchflussquerschnitt des Rohres 20 erhält in diesem Bereich einen
Uebergangsradius R, dessen Grösse grundsätzlich von der Strömung innerhalb
des Rohres 20 abhängt. Dieser Radius R wird so gewählt, dass sich die
Strömung an die Wand anlegt und so die Drallzahl stark ansteigen lässt. Quantitativ
lässt sich die Grösse des Radius R so definieren, dass dieser > 10% des Innendurchmessers
d des Rohres 20 beträgt. Gegenüber einer Strömung ohne Radius
vergrössert sich nun die Rückströmblase 50 gewaltig. Dieser Radius R verläuft
bis zur Austrittsebene des Rohres 20, wobei der Winkel β zwischen Anfang
und Ende der Krümmung < 90° beträgt. Entlang des einen Schenkels des Winkels
β verläuft die Abrisskante A ins Innere des Rohres 20 und bildet somit eine Abrissstufe
S gegenüber dem vorderen Punkt der Abrisskante A, deren Tiefe > 3 mm
beträgt. Selbstverständlich kann die hier parall zur Austrittsebene des Rohres 20
verlaufende Kante anhand eines gekrümmten Verlaufs wieder auf Stufe Austrittsebene
gebracht werden. Der Winkel β', der sich zwischen Tangente der Abrisskante
A und Senkrechte zur Austrittsebene des Rohres 20 ausbreitet, ist gleich gross
wie Winkel β. Die Vorteile dieser Ausbildung dieser Abrisskante gehen aus EP-0
780 629 A2 unter Dem Kapitel "Darstellung der Erfindung" hervor. Eine weitere
Ausgestaltung der Abrisskante zum selben Zweck lässt sich mit brennkammerseitigen
torusähnlichen Einkerbungen erreichen. Diese Druckschrift ist einschliessend
des dortigen Schutzumfanges was die Abrisskante betrifft ein integrierender
Bestandteil vorliegender Beschreibung.
Bezugszeichenliste
- 10
- Buchsenring
- 20
- Mischrohr, Teil der Mischstrecke 220
- 21
- Bohrungen, Oeffnungen
- 30
- Brennkammer, Brennraum
- 40
- Strömung, Rohrströmung im Mischrohr, Hauptströmung
- 50
- Rückströmzone, Rückströmblase
- 60
- Brennerachse
- 100
- Drallerzeuger
- 101, 102
- Kegelförmige Teilkörper
- 101a
- Ringförmiger Anfangsteil
- 101b, 102b
- Längssymmetrieachsen
- 103
- Brennstoffdüse
- 104
- Brennstoffeindüsung
- 105
- Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)
- 108, 109
- Brennstoffleitungen
- 112
- Flüssiger Brennstoff
- 113
- Gasförmiger Brennstoff
- 114
- Kegelhohlraum
- 115
- Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)
- 116
- Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen 108, 109
- 117
- Brennstoffdüsen
- 119, 120
- Tangentiale Lufteintrittsschlitze
- 121a, 121b
- Leitbleche
- 123
- Drehpunkt der Leitbleche
- 130, 131, 132, 133
- Teilkörper
- 131a, 131a, 132a, 133a
- Längssymmetrieachsen
- 140, 141, 142, 143
- Schaufelprofilförmige Teilkörper
- 140a, 141a, 142a, 143a
- Längssymmetrieachsen
- 150
- Brennstoffkonzentration
- 160
- Luftmenge, Mischluft
- 161
- Bohrungen, Oeffnungen
- 170
- Brennstoff-Injektoren
- 180
- Ringförmige Luftkammer
- 190
- Ring
- 200
- Uebergangsstück, Teil der Mischstrecke 220
- 201
- Uebergangskanäle
- 220
- Mischstrecke
- 300
- Kühlsystem
- 301
- Kühlluftmenge
- 302
- Ringkammer
- 303
- Gelochte Platte
- 304
- Prallkühlluft
- 305
- Bodenplatte, Frontwand
- 306
- Geschlossene Ringkammer
- 307
- Kalorisch aufbereitete Kühlluftmenge