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Die Erfindung betrifft einen Brenner
für einen mit
flüssigem
oder gasförmigem
Brennstoff betriebene wärmetechnische
Anlage, mit einer an einen Abgaskanal angeschlossenen Brennkammer,
in die im Betrieb des Brenners zur Sauerstoffzufuhr ein mittels eines
Ventilators erzeugbarer und mittels eines feststehenden Drallelements
in Rotation um eine Drallachse versetzter Luftstrom eingeleitet
wird, in den der die Brennerflamme speisende Brennstoff unter einem
gegenüber
dem im Luftstrom herrschenden Druck signifikant höheren Druck
eingespeist bzw. eingeblasen wird.
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Bei bekannten Brennern dieser Art
(Prospekt MEKU-Blaubrand-Mischeinrichtung MB 800) ist als Drallelement
eine mit Luftdurchtrittsschlitzen versehene Stauscheibe vorgesehen,
die gleichsam den Abschluss eines Zuluftrohres bildet, über das
der mittels des Ventilators erzeugte Luftstrom in die Brennkammer
eingeleitet wird. In dem Zuluftrohr ist zentral die Brennstoffdüse angeordnet,
mittels derer Heizöl durch
eine zentrale Öffnung
der Stauscheibe hindurch in den Brennraum eingespritzt wird. Radial
außerhalb
des Zuluftrohres sind am Brennergehäuse in axialsymmetrischer Verteilung
bezüglich
der zentralen Achse des Brenners Zuluftöffnungen vorgesehen, über die
durch Injektionswirkung des Zuluftstromes zusätzliche Luft in die Brennkammer
eingeleitet wird. Die Flamme des Brenners brennt innerhalb eines
Flammrohres, das einen signifikant größeren Durchmesser hat als das
die Einspritzdüse
des Brenners enthaltende Zuluftrohr, das durch die Stauscheibe gleichsam
abgeschlossen ist. Die Luftdurchlassschlitze der Stauscheibe sind
bezüglich
der zentralen Achse radial verlaufend, im wesentlichen sternförmig, angeordnet
und haben schräg
zu der senkrecht zu der zentralen Achse verlaufenden "Mittelebene" der Stauscheibe
Anströmflächen gleicher
Neigung bezüglich
der Schlitzebene, so dass ein durch einen solchen Schlitz hindurchtretender
Teilluftstrom schräg
zu dieser umgelenkt wird, so dass stromab von der Stauscheibe eine
der Anzahl der Schlitze entsprechende Anzahl von Teilluftströmen entsteht, deren Überlagerung
und wechselseitige Störung stromab
von der Stauscheibe zu einer Verwirbelung mit einer Drehimpulskomponente
um die zentrale Brennerachse führt,
wobei jedoch diese Drehimpulskomponente – zunächst – nur dem durch die Stauscheibe
geleiteten Luftstrom aufgeprägt
wird, sich jedoch auch auf einen Teil des injizierten Zuluftstromes überträgt. Durch
die rotatorische Verwirbelung des Brennstoff-Luft-Gemisches soll
eine feine Vernebelung des Brennstoffes im Sinne einer möglichst
homogenen Verteilung desselben erreicht und eine möglichst
quantitative Verbrennung des Brennstoffes erreicht werden.
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Die bei den bekannten Brennern genutzte
Art der Verwirbelung ist insofern ineffizient, als nur ein Teil
des Luftstromes die Stauscheibe durchströmt und sich ein nennenswerter
Drall nur dadurch erzielen lässt,
dass die Luft mit relativ hoher Geschwindigkeit durch die Öffnungen
der Stauscheibe "gepresst" wird, was eine entsprechend
hohe Ventilatorleistung erfordert.
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Weitere Brenner der eingangs genannten
Art sind durch die
EP
0 507 233 A2 und die FR-A 2,054,741 bekannt.
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Die EP-A2 0 507 233 offenbart einen
Brenner, bei dem ein zentral durch ein zylindrisches Innengehäuse geleiteter
Primärluftstrom
mittels eines Drallelements, das am freien Austrittsende des Innengehäuses angeordnet
ist, verwirbelt wird. Der Brennstoff – Heizöl – wird in dem Innengehäuse zentral
durch eine Brennstoffleitung zugeführt, an deren Ende ein Sprühkopf angeordnet
ist, mittels dessen das Heizöl
in den Verwirbelungsbereich des Primärluftstromes eingesprüht wird,
dem durch die Verwirbelung eine konische Austrittscharakteristik
erteilt wird. Dem verwirbelten Primärluftbrennstoffgemisch wird
ein durch ein äußeres Gehäuseteil
zugeführter Sekundärluftstrom
beigemischt, dessen Massenstrom einstellbar veränderbar ist. Das Drallelement wird
von dem Primärluftstrom
axial durchströmt.
Das Primärluftstrombrennstoffgemisch
wird unmittelbar nach dem Austreten aus dem Sprühkopf, wo es noch leicht entzündbar – "fett" – ist, d. h. so viel Heizöl enthält, dass
das Gemisch nicht stöchiometrisch
verbrennen kann, mittels einer Zündelektrode
gezündet. Durch
die nachträgliche
Zuführung
der Sekundärluft wird
erst das in stöchiometrischem
Verhältnis
stehende Brennstoffluftgemisch erzielt.
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Bei dem durch das französische Patent 2,054,741
offenbarten Brenner wird die Variation eines drehimpulsbehafteten
Luftstromes dadurch erzielt, dass die effektive Höhe von Luftleitblechen,
die axial symmetrisch um die zentrale Achse einer Einströmöffnung, über die
die drallbehaftete Luft in die Brennkammer des Brenners gelangt,
angeordnet sind, veränderbar
ist.
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In dem französischen Patent ist auch die Möglichkeit
angesprochen, den Drehimpuls und den Massenstrom eines drehimpulsbehafteten
Luftstromes mit Hilfe von schwenkbaren Luftleitblechen zu variieren,
die axialsymmetrisch bezüglich
der zentralen Achse des Brenners angeordnet sind, die auch die Strömungsrichtung
des Luftstromes markiert, wobei die Schwenkachsen der Luftleitbleche
parallel zu dieser zentralen Achse in Radialebenen verlaufen, die
sich in der zentralen Achse schneiden. Je nach dem Anstellwinkel
der Luftleitbleche ergeben sich dann im Wesentlichen trichterförmige Luftleitkanäle und die
durch diese Kanäle
nach innen strömenden Teilluftströme ergeben
durch ihre Überlagerung
einen drehimpulsbehafteten Luftstrom der sich entlang der zentralen
Achse nur in einer Richtung ausbreiten kann, da das Gehäuse in der
anderen Richtung durch eine Wand abgeschlossen ist. Die Luftleitbleche
sind so angeordnet und dimensioniert, dass sie in eine Schwenklage
gebracht werden können,
in der sie einen geschlossenen polygonen Ring bilden, eine Konfiguration,
die Absperrung des rotierenden Luftstromes entspricht. Diese Art
der Drehimpulsregulierung bzw. Steuerung ist mit relativ großem technischem Aufwand
verknüpft.
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Hiermit ähnlich ist ein durch die
DE 197 38 054 A1 bekanntes
Verfahren zur Veränderung
der Drallzahl der Verbrennungsluft eines Brenners für flüssige, gas-
und/oder staubförmige
Brennstoffe, mit dem Ziel der Beeinflussung der Abgasrezirkulationsmenge
während
des Betriebes. Hierzu wird einem drehimpulsfreien Luftstrom, der
durch eine Überströmöffnung hindurchfließt, ein
mit Drehimpuls behafteter Luftstrom zugemischt, der mittels eines
Drallelementes erzeugt wird, das zwischen zwei ringscheibenförmigen Blechen
angeordnete Luftleitbleche umfasst, die, jeweils paarweise, sich
von außen nach
innen trichterförmig
verjüngende
Strömungskanäle bilden,
die ebenflächig
begrenzt sind wobei die schräg
aufeinander zulaufenden Luftleitbleche schließen radial innen tangential
an eine Zylindermantelfläche
an, die die radial inneren Querkanten der Luftleitbleche enthält, wobei
diese Querkanten parallel zur zentralen Achse des Drallelements
verlaufen, und wobei die radial äußeren Querkanten,
die parallel zu den radial inneren Querkanten der Luftleitbleche
verlaufen, insgesamt eine äußere Zylindermantelfläche erzeugen,
mit der die – ebenen – Luftleitbleche
einen Winkel von etwa 55 bis 60° einschließen. Der
von radial außen
nach radial innen das Drallelement durchströmende Luftstrom, der dem das Drallelement
axial zentral durchströmenden
Luftstrom überlagert
werden kann, ist durch axiale Verschiebung eines rohrförmigen Stellelementes
veränderbar,
wobei die Variationsmöglichkeit
zwischen Absperrung dieses Luftstromes und weitestmöglicher Freigabe
der freien "Trichter"-Querschnitte des
Drallelements variiert werden kann.
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Die AT-PS 301 733 offenbart einen
auf eine hohe Wärmelast
ausgelegten Wirbelbrenner für Dampferzeuger,
bei dem die Brennluftzuführung durch
mindestens zwei innerhalb eines die Brennerlanze umgebenden Rohrstückes angeordnete
koaxiale Ringkanäle
erfolgt, in denen je ein Drallelement vorgesehen ist, die der zum
Brennerkopf strömenden Luft
gleichsinnige Drallbewegungen aufprägen. Diese Drallelemente sind
so dimensioniert, dass die Geschwindigkeit der aus dem achsnahen
Ringkanal austretenden Luft größer ist
als die der aus dem achsfernen Ringkanal austretenden Luft. Dadurch wird
erreicht, dass eine Luftrezirkulation erst innerhalb des von einer
Muffel umschlossenen Brennraumes auftritt, wo sie den Verbrennungs ablauf
unterstützen
und zu einer Erhöhung
der Leistungsdichte der Verbrennung beitragen kann. Der Wirbelbrenner ist
mit einem rohrförmigen
Stellglied versehen, mittels dessen der Luftstrom durch den äußeren Ringkanal
veränderbar
ist.
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Die
DE 42 28 817 C2 schließlich offenbart eine Brennkammer
für Gasturbinentriebwerke,
die eine luftreiche und demgemäß schadstoffarme
Verbrennung im sog. Marschflugbetrieb ermöglichen sollen. Die Dralleinrichtung,
mittels derer dem in der Brennkammer zirkulierende Brenngasstrom
ein geeigneter Drehimpuls aufgeprägt werden kann, umfasst mindestens
ein relativ zu einem feststehenden Element axial bewegliches Element,
durch dessen Verschiebung der Querschnitt von Luftzuführungskanälen veränderbar
ist, die Luftströme
führen,
aus deren Überlagerung
der verwirbelte Luftstrom entsteht, in den das Brenngas eingeleitet
wird. Die diesbezügliche
Verschiebung von Drallelementteilen gegeneinander kann geregelt
erfolgen mittels geeigneter hydraulischer, elektrischer oder pneumatisch
betätigter Stelleinrichtungen.
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Ausgehend von dem geschilderten Stand der
Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Brenner der eingangs
genannten Art dahingehend zu verbessern, dass bei vorgegebener Luftförderleistung dem
Luft-/Brennstoff-Gemisch,
das die Brennerflamme speist, ein signifikant erhöhter Drall
aufprägbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Durch die hiernach vorgesehene Ausbildung des
feststehend angeordneten Drallelements analog zur Form eines Radiallüfterlaufrades,
das in ein der Grundform nach zylindrisches Gehäuse eingesetzt und im Betrieb
des Brenners von radial außen
nach radial innen durchströmt
ist, wird der Zuluftstrom quantitativ in Rotation versetzt und diesem
ein Drall aufgeprägt,
der "stabil" in dem Sinne ist,
daß eine wohldefinierte
Auslaßcharakteristik
des Drallelements gegeben ist, die ihrerseits durch die justierbare Position
eines Stellelementes vorgebbar ist, sei es im Sinne einer Flachstrahlcharakteristik,
der ein um die Drallachse rotierender und sich im wesentlichen nur radial
aufweitender Gasstrom entspricht, sei es im Sinne einer Raumstrahlcharakteristik,
der ein sich im wesentlichen in Richtung der Drallachse ausbreitender,
ebenfalls rotierender Gasstrom entspricht, je nachdem, was bei vorgegebener
Gestaltung der Brennkammer und Anordnung der Wärmetauscherelemente der Heizanlage
am günstigsten
ist. Durch den gleichsam stabil um die Flamme rotierenden Brennstoff-/Luftstrom
wird eine besonders effiziente Art der Verbrennung gewährleistet.
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In der bevorzugten Gestaltung des
Brenners gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 2 ist die Einstellung einer extremen Flachstrahlcharakteristik
des Drallelements möglich,
derart, daß ein überwiegender
Teil des in der Brennkammer enthaltenen Gasgemisches in Rotation
versetzt werden kann.
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Desweiteren ist in bevorzugter Gestaltung des
Brenners eine steuerbare, insbesondere elektrisch ansteuerbare Antriebseinrichtung
vorgesehen, mittels derer das Stellelement – vorzugsweise wegkontrolliert – axial
hin- und herverschiebbar ist, so daß auch im Betrieb des Brenners
die Auslaßcharakteristik
des Drallelements veränderbar
ist.
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Eine zweckmäßig Art der Betriebssteuerung ist
dann z. B. dadurch gegeben, daß für eine Anheizphase
eine Flachstrahlcharakteristik des Drallelements eingesteuert wird
und, nachdem eine vorgegebene Kesseltemperatur der Heizanlage erreicht
ist, zu einer mehr einer Raumstrahlcharakteristik angenäherten Auslaßcharakteristik übergegangen
wird. Eine derart gesteuerte Verschiebbarkeit des Stellelements
kann zu einer adaptiven – selbsttätigen – Einstellung
einer optimalen Auslaßcharakteristik
für den Dauerbetrieb
genutzt werden, nachdem in einer einleitenden Brennphase eines Heizzyklus die
Flachstrahlcharakteristik gewählt
worden ist, die, eine übliche
Kesselbauweise vorausgesetzt, zu einer Verkürzung des Anheizvorganges nutzbar
ist.
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Durch die Merkmale des Anspruchs
4 ist eine konstruktiv besonders einfache Gestaltung des zur Einstellung
der Auslaßcharakteristik
des Drallelements vorgesehen Stellelements angegeben, die bei vergleichsweise
geringem Stellhub Veränderungen der
Auslaßcharakteristik
zwischen einem extremen Flachstrahl und einem praktisch zylindrisch-rohrförmigem Raumstrahl
ermöglicht.
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In bevorzugter Gestaltung ist der
Durchmesser D/4 der inneren, die Radschaufeln des Drallelements
einhüllenden
Zylinderfläche
größer als
der Durchmesser D/2 der Radscheibenöffnung, so daß gleichsam
im Inneren des Drallelements eine "austrittsseitige" Luftleitfläche der Radscheibe verbleibt, die
den in Drall versetzten Luftstrom zunächst radial nach innen lenkt,
bevor er über
die Austrittsöffnung der
Radscheibe in die Brennkammer gelangt, wobei in weiter bevorzugter
Gestaltung des Drallelements des Brenners vorgesehen ist, daß die Austrittsdüse mit glatter
Krümmung
an den Öffnungsrand
der Radscheibenöftnung
anschließt.
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In Kombination hiermit ist es besonders
vorteilhaft, wenn das Stellelement einen zylindrisch rohrförmigen austrittsseitigen
Endabschnitt hat und mindestens soweit in die Austrittsdüse hinein
verschiebbar ist, daß der
freie Rand dieses Endabschnitts in der durch den kleinsten Durchmesser
der Austrittsdüse
markierten Ebene verläuft.
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Bei dieser Gestaltung des Drallelements
läßt sich
sowohl zur Erzielung einer besonders ausgeprägten Flachstrahlcharakteristik
als auch zur Erzielung einer ausgeprägten Raumstrahlcharakteristik der
Coanda-Effekt besonders wirkungsvoll ausnutzen.
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Durch die Merkmale der Ansprüche 7 und
8 sind konstruktiv einfache Gestaltungen des Stellelements angegeben,
die dessen leichtgängiger
Verschiebbarkeit dienen.
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Durch die Merkmale der Ansprüche 9 und
10 ist eine Gestaltung der Antriebseinrichtung angegeben, die sich
insbesondere für
eine motorisch gesteuerte Verschiebung des Stellelements des Drallauslasses
eignet.
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Durch die Merkmale des Anspruchs
11 ist eine hierzu alternative Gestaltung der Antriebseinrichtung
angegeben, die sowohl für
eine von Hand als auch für
eine motorisch gesteuerte Einstellung der Drallelementauslaßcharakteristik
geeignet ist, wobei es in beiden Fällen besonders zweckmäßig ist, wenn
die jeweilige Antriebseinrichtung selbsthemmend ausgebildet ist.
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Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Brenners
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen
Ausführungsbeispiels und
möglicher
Abwandlungen desselben anhand der Zeichnung. Es zeigen
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brenners
mit einem Drallelement mit einstellbarer Auslaßcharakteristik des die Brennerflamme
speisenden Zuluftbrennstoffgemisches in schematisch vereinfachter
Längsschnittdarstellung;
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2 Einzelheiten
des Drallelements des Brenners gemäß 1 im Schnitt längs der Linie II – II der 1;
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3a bis c je eine schematisch vereinfachte Auslaßcharakteristik
des Drallelements des Brenners gemäß 1 zur Erläuterung seiner Funktion; und
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
in einer der Darstellung der 1 entsprechenden
Detaildarstellung.
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In der 1 ist
durch einen insgesamt mit 10 bezeichneten Brenner eine
Gebäudeheizanlage
repräsentiert,
für die
im übrigen
ein für
sich bekannter Aufbau vorausgesetzt sei, d. h. eine Heizanlage,
bei der die durch die Flamme 11 des Brenners 10,
die in eine Brennkammer 12 eines Kessels hineinschlägt, auf
hohem Temperaturniveau erzeugte Wärme mittels nicht dargestellter
Wärmetauscher
auf ein Wärmetransportmedium,
in der Regel Wasser, übertragen
wird, mittels dessen die aufgenommene Wärme auf dem für die Raumheizung
erforderlichen wesentlich niedrigeren Temperaturniveau zu den einzelnen Heizkörpern transportiert
wird.
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Die Brennkammer 12 ist in
der 1 lediglich durch
einen Abschnitt der als eben vorausgesetzten Brennkammerwand 13 veranschaulicht,
an der eine kreisrunde Wandöffnung 14 angeordnet
ist, über die
die Brennerflamme 11 in die Brennkammer 12 hineinschlägt.
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Der Brenner 10 umfaßt in koaxialer
Anordnung bezüglich
seiner senkrecht auf der Öffnungsebene 16 der
ebenen Brennkammerwand 13 stehenden zentralen Längsachse 17 eine
Einspritzdüse 18 für flüssigen Brennstoff,
ein Drallelement 19 sowie ein an diesem axial verschiebbar
geführtes
Stellelement, die von einem insgesamt mit 22 bezeichneten, der
Grundform nach zylindrisch topfförmig
ausgebildeten Gehäuse
aufgenommen sind. Das Gehäuse 22 schließt mit dem
schmalen ringförmigen
Stirnrand 23 seines zylindrischen Mantels 24 unmittelbar
an die Außenseite
der Brennkammerwand 13 an, wobei dieser Stirnrand 23 die
Wandöffnung 14 in
einem radialen Abstand umgibt.
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An seiner der Brennkammerwandöffnung 14 gegenüberliegenden "Boden"-Seite schließt der zylindrische Mantel 24 des
Gehäuses 22 über eine
ringscheibenförmige
Abschlußwand 26 an
einen mit der zentralen Achse 17 des Brenners 10 ebenfalls
koaxialen zylindrisch-rohrförmigen
Anschlußstutzen 27 an,
mit dem ein seinerseits rohrförmiger
Luftzuführungskanal 28 verbunden
ist, über
den ein mittels eines nicht dargestellten Ventilators erzeubarer
Zuluftstrom, der durch den Pfeil 29/1 repräsentiert
ist, zentral in den Gehäuseinnenraum 31 einleitbar
ist.
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Das Drallelement 19 hat
eine dem Laufrad eines Radialventilators entsprechende Ausbildung. Es
umfaßt
eine ebene, der Nabenscheibe eines Radialventilatorlaufrades entsprechende
Kreisscheibe 32, die – der
genannten Analogie wegen – nachfolgend
ebenfalls als "Nabenscheibe" bezeichnet wird, sowie
eine im wesentlichen kreisringförmige
Radscheibe 33 und zwischen der Nabenscheibe 32 und der
Radscheibe 33 angeordnete, gewölbte Radschaufeln 34,
die mir der Nabenscheibe 32 und der Radscheibe 33 jeweils
fest verbunden sind.
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Die Radschaufeln 34 haben – qualitativ – die Form
von Zylindermantelsektoren, die senkrecht auf den einander zugewandten – ebenen – parallelen Flächen der
Nabenscheibe 32 und der Radscheibe 33 stehen,
die in einem Abstand α voneinander
angeordnet sind, der bei dem zur Erläuterung gewählten Ausführungsbeispiel etwa 3/8 des
Durchmessers der Nabenscheibe 32 bzw. des Außendurchmessers
der Radscheibe 33 entspricht, die mit ihrem radial inneren
Rand 36 eine der Wandöffnung 14 der
Brennkammerwand 13 gegenüberliegende Austrittsöffnung des
Drallelements 19 begrenzt, deren Durchmesser D/2 signifikant
kleiner ist als der Durchmesser D/3 (1)
der Brennkammerwandöffnung 14,
von der die Radscheibe 33 in einem Abstand a/2 angeordnet ist,
der bei dem zur Erläuterung
gewählten
Ausführungsbeispiel
der Hälfte
der Differenz (D/3 – D/2)
des Durchmesser D/3 der Brenn kammerwandöffnung 14 und der
Austrittsöffnung 37 der
Radscheibe 33 entspricht.
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Die Radschaufeln 34 des
Drallelements 19 sind, gesehen in Richtung der zentralen
Längsachse 17 des
Brenners 10, azimutal äquidistant
angeordnet, wobei ihr Winkelabstand α bei dem zur Erläuterung
gewählten,
speziellen Ausführungsbeispiel
einen Wert von 15° hat.
Sie erstrecken sich in radialer Richtung zwischen einer äußeren zylindrischen
Hüllfläche 38,
die die gemeinsame Einhüllende
der Nabenscheibe 32 und der Radscheibe 33 ist,
und einer radial inneren zylindrischen Hüllfläche 39, deren Durchmesser
D/4 mindestens dem Durchmesser D/2 der Austrittsöffnung 37 des Drallelements 19 entspricht,
beim dargestellten, speziellen Ausführungsbeispiel jedoch etwas
größer ist
als dieser, gleichwohl signifikant kleiner als der Durchmesser D/1
der äußeren zylindrischen
Hüllfläche 38.
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Bei dem speziellen Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ist der Durchmesser D/4
der inneren Hüllfäche 39 etwas
kleiner als der Mittelwert (D/1 + D/2)/2 des äußeren Radscheibendurchmesser
D/1 und des "inneren" Durchmessers D/2
der Radscheibe 33.
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Die Radschaufeln sind gemäß der Querschnittsdarstellung
der 2 so gestaltet,
daß sie
radial innen "tangential" – glatt – an den die innere zylindrische
Hüllfläche 39 repräsentierenden,
gestrichelt eingezeichneten Kreis anschließen und daß ihre Krümmungsachsen 41 jeweils
senkrecht zu der Nabenscheibe bzw. der Radscheibe verlaufende Mantellinien
einer äußeren, in
der 2 durch den äußeren gestrichelten
Kreis 42 repräsentierten
Zylinderfläche
sind, deren Durchmesser D/5 um so viel größer ist als der Außendurchmesser
D/1 der Radscheibe, daß die
gekrümmten
Schaufelflächen
rechtwinklig an den äußeren Rand 43 der
Nabenscheibe 32 bzw. den äußeren Rand 44 der
Radscheibe 33 anschließen.
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Zwischen dem kreisrunden, inneren
Rand 36 der Radscheibe 33 und dem damit konzentrischen Rand
der Brennkammerwandöffnung 14 vermittelt eine
insgesamt mit 46 bezeichnete Austrittsdüse, die, gesehen in der Längsschnittsdarstellung
der 1, rechtwinklig
vom Rand 36 der Austrittsöffnung 37 der Radscheibe 33 ausgeht
und, sich zur Öffnung 14 der Brennkammerwand 13 hin
schalltrichterförmig über einen
90°-Bereich
hinweg erweiternd, glatt an den Rand der Öffnung 14 anschließt, d. h.
der Krümmungsradius
der konvex gekrümmten
inneren Mantelfläche 47 der
Austrittsdüse 46 entspricht
dem Abstand a/2 der Öffnungsebene 16 der
Brennkammerwandöffnung 14 von
der Radscheibe 33 des Drallelements 19.
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Die räumlichen Dimensionen des Drallelements 19,
der Austrittsdüse 46 und
des Gehäuses 22 sind
dahingehend aufeinander abgestimmt, daß der axiale Abstand a/3 der
Nabenscheibe 32 des Drallelements von der ringscheibenförmigen Abschlußwand 26 des
Brennergehäuses 22 etwa
der Hälfte der
gesamten axialen Länge
L des zylindrischen Mantels 24 des Gehäuses entspricht, und daß der Innendurchmesser
D/6 (1) des Gehäuses 22 etwa der
Länge L
seines Zylindermantels 24 entspricht.
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Das im Inneren des Drallelements 19 angeordnete
Stellelement 21, mittels dessen einem über den Zuluftkanal 28 in
den Innenraum 31 des Gehäuses 22 eingeleiteten
Zuluftstrom 29/1, der das Drallelement von radial außen nach
radial innen durchströmt
und über
die Austrittsdüse 46 in
die Brennkammer 12 des Brenners 10 gelangt, eine
wählbare Austrittscharakteristik
aufprägbar
ist, durch die gleichsam die Form der Brennerflamme 11 beeinflußbar ist,
ist bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 als kurzes Flanschrohr
ausgebildet, das einen von einem rohrförmigen Führungsabschnitt 48 radial
nach außen
abstehenden Steuerflansch 49 umfaßt, dessen äußerer Rand 51 die
radial innere Begrenzung eines Ringspaltes 52 veränderbar
einstellbarer effektiver Spaltweite bildet, über den ein durch das Drallelement 19 in
Rotation versetzter Zuluftstrom in die Austrittsdüse 46 überströmen und
durch diese in die Brennkammer eintreten kann.
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Das Stellelement 21 ist
mit seinem rohrförmigen
Führungsabschnitt 48 in
einem von der Innenseite der Nabenscheibe 32 abstehenden
Führungsrohr 53 axial
verschiebbar geführt,
wobei die axialen Ausdehnungen des Führungsrohres 53 und
des rohrförmigen
Führungsabschnittes 48 des
Stellelements 21 so aufeinander abgestimmt sind, daß auch in
der von der Nabenscheibe 32 am weitesten entfernten Position
des Steuerflansches 49 des Stellelements 21, die
minimalen Betrag des lichten Querschnitts des Ringspaltes 52 entspricht,
noch positive Überlappung
der Führungsflächen des
Führungsrohres 53 sowie
des rohrförmigen
Führungsabschnitts 48 des Stellelements 21 gegeben
ist.
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Durch das Führungsrohr 53 und
den aus diesem mehr oder weniger weit herausragenden Führungsabschnitt 48 des
Stellelements 21 ist die gleichsam radial innere Begrenzung
einer außenseitig gleichsam
durch die innere Einhüllende 39 der
Radschaufeln 34 radial außen begrenzten ringzylindrischen
Drallkammer 54 des Drallelements 19 gebildet,
aus der ein rotierender Luftstrom über den Ringspalt 52 in
den zentralen Bereich des Drallelements und der Austrittsdüse 46 überströmen kann,
in den mittels der Einspritzdüse 18 der
Brennstoff in den Luftstrom eingespritzt wird.
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Die in der 1 dargestellte Endstellung des Stellelements
entspricht einer größten Weite
des durch den äußeren Rand 51 des
Steuerflansches 49 und den inneren Rand 36 der
Radscheibe 33 begrenzten Luftspaltes 52 und demgemäß einem
maximalen Wert des freigegebenen Überströmquerschnitts. Hieraus resultiert
bei vorgegebenem Luftvolumenstrom ein minimaler Wert der Strömungsgeschwindigkeit,
mit der der Zuluftstrom den Ringspalt 52 durchströmt. Damit
verknüpft
ist eine flache, angenähert
scheibenförmige
Austrittscharakteristik des Drallelements 23 und seiner
Austritts düse,
da sich der rotierende Luftstrom aufgrund des Coanda-Effekts, dem
glatt gewölbten
Profil der Austrittsdüse 46 folgend,
entsprechend dem Strömungspfleilabschnitt 29/2
gleichsam an die Brennkammerwand anlegen kann. Es entsteht eine
radial weit aufgefächerte,
angenähert
kreisscheibenförmige
Flammenfront wie schematisch vereinfacht in der 3a dargestellt.
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In der zu der erläuterten Endstellung alternativen
Endstellung des Stellelements 21, die einer geringsten
Weite des ringförmigen Überströmspalts 52 und
demgemäß einem
maximalen Wert der Strömungsgeschwindigkeit
des durch den Spalt 52 strömenden Zuluftstromes entspricht,
ergibt sich, da der Coanda-Effekt wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit
nicht zum Tragen kommen kann, ein gebündelter Raumstrahler 29/3,
zu einer weit in die Brennkammer 12 hineinreichenden, säulenförmigen Flammenfront
führt,
wie schematisch vereinfacht in der 3b veranschaulicht.
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In Zwischenstellungen des Stellelements 21 kann
sich, mehr oder weniger ausgeprägt,
eine kegel- oder glockenmantelförmige
Verteilung des rotierenden Brennstoff-Luftgemisches ergeben, wie
schematisch vereinfacht in der 3c dargestellt.
Das bei dieser Art der Führung
des Gasstromes sich ergebende Strömungsprofil 29/4 führt zu einer
besonders großen "Grenzschicht"-Oberfläche des Raumbereiches, in dem
der Gasstrom rotiert, was den im Grenzschichtbereich stattfindenden
Verbrennungsvorgang fördert.
Hierbei ist es besonders günstig,
wenn der Öffnungswinkel
des kegelförmigen
Bereiches, innerhalb dessen die Einspritzdüse den Brennstoff in den Mischbereich
einspritzt, und der Öffnungswinkel
des kegelmantelförmigen
Raubereiches, in dem die Zuluft rotiert, mindestens annähernd übereinstimmen.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 unterscheidet sich von
demjenigen gemäß 1 in konstruktiver Hinsicht
dadurch, daß anstelle
eines scheibenförmigen
Steuerflansches eine in axialer Richtung weiter ausgedehnte rohrförmige Steuerstufe 57 vorgesehen
ist, und daß die
Austrittsdüse 46/1 des
Drallelements 19/1 sowohl an den Rand der Brennkammerwandöffnung 14 als
auch an den Rand 36/1 der Austrittsöffnung 37/1 der Radscheibe 33/1 des
Drallelements 19/1 mit glatter Krümmung anschließt, wobei
in den alternativen Endstellungen des zweistufigen Stellelements 21/1 der
freie Stirnrand 58 der rohrförmigen Steuerstufe 57 zum
einen etwa in Höhe
der Austrittsöffnung 37/1 der
Radscheibe 33/1 und zum anderen etwa in Höhe der engsten
Einschnürung 59 – der "Taille" – der Austrittsdüse 46/1 angeordnet
ist.
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Bei der Gestaltung des Brenners 10/1 gemäß 4 lassen sich noch extremere
Ausprägungen
der Flächenstrahlauslaßcharakteristik
und der Raumstrahlauslaßcharakteristik
des Drallelements 19/1 erzielen.
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Zur Erläuterung möglicher Gestaltungen einer
Antriebseinrichtung, mittels derer Stellelemente 21 oder 21/1 wie
anhand der 1 und 4 erläutert, zur Einstellung erwünschter
Auslaßcharakteristiken des
Drallements 19 bzw. 19/1 des jeweiligen Brenners
in Richtung dessen zentraler Längsachse 17 vor-
und zurückverschiebbar
sind, sei nunmehr wieder auf die 1 Bezug
genommen.
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Bei dem Brenner 10 gemäß 1 ist als Antriebseinrichtung
zur axialen Verschiebung des Stellelements 21 ein insgesamt
mit 60 bezeichneter, selbsthemmend ausgebildeter Schneckentrieb
vorgesehen, der eine mittels eines Elektromotors 61 gesteuert
in alternativen Drehrichtungen antreibbare Schnecke 62 und
ein mit dieser in kämmendem
Eingriff stehendes, sektorförmiges
Schneckenrad 63 umfaßt,
dessen Drehachse 64 senkrecht zu einer die zentrale Längsachse 17 des
Brenners enthaltende Radialebene, gemäß der Darstellung die Zeichenebene,
verläuft.
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Mit dem Schneckenrad 63 ist
ein radial in den Zuluftkanal 28 hineinragender Schwenkhebel 66 fest
verbunden, dessen inneres Ende als zweischenklige Gabel ausgebildet
ist, deren Gabelschenkel 67/1 und 67/2 an "axial" einander gegenüberliegenden
Seiten eines quer zur zentralen Längsachse 17 des Brenners
verlaufenden kurzen Ankerbügels 68 gleitfähig formschlüssig abgestützt sind,
der am Ende eines schlanken, als Rundstab ausgebildeten Koppelstabes 69 angeordnet
ist, der über
ein sternförmiges
Brückenelement 71 sowie
sich zwischen diesem und dem Stellelement 21 erstreckende
Führungsstäbe 72 verschiebefest
mit dem Stellelement 21 verbunden ist. Der Koppelstab 69 ist
als schlanker Rundstab ausgebildet, der in einem zentral in dem Zuluftkanal 28 angeordneten,
kurzen Führungsrohr 73,
das über
radiale Streben 74 in dem Zuluftkanal gehalten ist, gleitend
verschiebbar geführt
ist.
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Die den Koppelstab 69, das
Führungsrohr 72 und
dessen Stützstreben 74 sowie
das Brückenelement 71 und
die Führungsstäbe 72,
die durch Öffnungen
komplementären
lichten Querschnitts der Nabenscheibe 32 des Drallelements 19 hindurchtreten, umfassende
Führungsanordnung
ist 3-zählig
axial symmetrisch bezüglich
der zentralen Längsachse 17 des
Brenners 10 ausgebildet.
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Durch den in axialer Richtung gemessen
großen
Abstand des Führungsrohres 73 von
den Führungsbohrungen 76 der
Nabenscheibe 32, in denen die Führungsstäbe 72 gleitend verschiebbar
geführt sind,
wird eine leichtgängige
stabile Führung
des Stellelements 21 gewährleistet, die Momente, die
bei einem Schwenken des Wenkhebels 66 auftreten, ohne weiteres
auffängt.
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Alternativ zu dem "außeraxial" angeordneten Schnecketrieb 60 kann
auch ein mit der zentralen Achse 17 koaxialer – nicht
dargestellter – Spindeltrieb vorgesehen
sein, der eine mit einem Gewinde – Endabschnitt des Koppelstabes
in kämmendem
Eingriff stehende Spindel umfaßt,
die mittels eines "koaxialen" Antriebsmotors rotatorisch
antreibbar ist und gegen axiale Verrückungen gesichert ist. In diesem
Falle ist eine Anordnung des Spindeltrie bes dahingehend zweckmäßig, daß dieser
sich außerhalb
eines gekrümmten
Bereiches des Zuluftkanals befindet, aus dem der Gewindeabschnitt
des Koppelstabes "axial" herausragt.