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Spiralwirb elmis chkammer zur Durchführung chemischer Reaktionen
und physikalischer Prozesse Die Erfindung bezieht sich auf Spiralwirbelmischkammern,
d. h. auf Kammern, in welchen chemische oder physikalische Reaktionen zwischen einem
ersten Strömungsmittel und einem zweiten Strömungsmittel oder einem feinverteilten
festen Stoff stattfinden, wobei das erste Strömungsmittel in Tangentialrichtung
am Umfang in die Kammer eingeführt und auf einem Spiralwirbelweg nach einem zentralen
Auslaß in der Achse der Kammer entlangströmt, während Teilchen des zweiten Strömungsmittels
oder festen Stoffes in die Kammer eingebracht werden und um deren Achse herum auf
Gleichgewichtsbahnen unter der Wirkung von Zentrifugalkraft und Sogkräften geführt
werden, welche durch die innere Bewegung des ersten Strömungsmittels hervorgerufen
werden und sich allmählich unter fortschreitender Reaktion dem Ausgang nähern.
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Beispiele derartiger Reaktionskammern sind Brennkammern, welchen
Luft in tangentialer Richtung zugeführt wird und in welchen die Luft einwärts in
eine Spiralwirhelbahn nach einem Zentralauslaß hin zu fließen gezwungen wird, wobei
Brennstofföltropfen oder Teilchen festen Brennstoffs, während sie rund um die Achse
der Brennkammer durch die Luftströmung mitgerissen werden, verbrannt werden, und
sich, während sie wegbrennen, allmählich dem Auslaß nähern. Derartige Reaktionskammern
können auch zum Durchführen anderer chemischer Prozesse als Verbrennungsprozesse
verwendet werden, jedoch eher hei Reduktions- als bei Oxydationsverfahren. Eine
weitere Verwendungsmöglichkeit besteht bei Reaktionskammern, in welchen physikalische
Vorgänge, beispielsweise das Lösen von Teilchen des zweiten Strömungsmittels oder
des Feststoffes im ersten Strömungsmittel, durchgeführt werden sollen, oder bei
welchen eine Verdampfung der Stoffe erfolgen soll, z. B. die Verdampfung von flüssigem
Brennstoff zur Herstellung eines brennbaren Luft-Brennstoff-Gemisches und die Verdampfung
von Wasser zur Befeuchtung.
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Mischkammern der beschriebenen Art bieten die Möglichkeit der Ausübung
einer sehr genauen Kontrolle, Steuerung oder Einregelung des Reaktionsvorganges.
So sind beispielsweise Brennkammern der Spiralwirbelbauart bekannt, welche derart
arbeiten, daß Teilchen oder Tropfen von Öl darin nicht vollständig verbrannt werden,
so daß die aus der Kammer abgelassenen Brenngase einen vorbestimmten Anteil an unverbranntem
Kohlenstoff enthalten, um die durch Brennstoffasche auftretende Korrosion der Schaufeln
der Gasturbine, welcher die Gase zugeführt werden, zu verringern. Es können jedoch
Schwierigkeiten dadurch entstehen, daß die Strömung in der Kammer nicht unbedingt
zweidimensional ist, d. h., sie ist nicht
auf eine Ebene senkrecht zur Kammerachse
beschränkt, sondern es besteht die Tendenz, daß sich Sekundärströmungen entwickeln,
welche ungleichmäßige Geschwindigkeitsprofile an der Kammerbreite hervorbringen.
Derartige Sekundärströmungen entstehen besonders im Bereich des Kammerauslasses.
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Erfindungsgemäß ist eine Spiralwirbelmischkammer mit einem Flügel
versehen, welcher axial von wenigstens der einen Seitenwand her in das Kammerinnere
ragt und sich entlang der Spiralwirbelbahn der Strömungsmittelströmung in der Kammer
erstreckt, wodurch Sekundärströmungen verringert werden.
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Der Flügel kann sich entlang einer Spirale erstrecken, welche vom
Umfangseinlaß bis zum zentralen Auslaß verläuft, und es kann eine Reihe solcher
Flügel vorgesehen sein. Die Flügel sollen quer in die Kammer über einen beträchtlichen
Teil - z. B. mindestens über ein Drittelihrer Breite ragen.
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Um den zentralen Auslaß herum kann ein Ring von Flügeln vorgesehen
sein, welcher sich über die Gesamtbreite der Kammer zwischen den Seitenwänden erstreckt.
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Das Einsetzen oder der Beginn von Sekundärströmungen kann außerdem
dadurch verzögert bzw. aufgehoben werden, daß ein gleichmäßigeres Eintrittsgeschwindigkeitsprofil
gewährleistet wird. In der einen Anordnung können zwei Wirbelvorrichtungen mit entgegengesetztem
Drehsinn
innerhalb des Einlaßstutzens bzw. der Einlaßleitung, welcher bzw. welche nach dem
Um fangs einlaß nach der Kammer führt, vorgesehen werden, wobei die Wirbler das
dahindurch fließende Strömungsmittel in entgegengesetzten Richtungen verwirbeln.
Im Falle einer Wirbelbrennkammer können diese Wirbler außerdem flammenstabilisierende
Staukörper bilden. Gleichmäßige Geschwindigkeitsprofile im Umfangsteil der Kammer
können auch durch die Anwendung einer Mehrzahl von Umfangseinlässen begünstigt werden.
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Einige erfindungsgemäße Ausführungsformen sind an Hand der sie beispielsweise
wiedergebenden schaubildartigen Zeichnung ausführlicher beschrieben, und zwar zeigt
Fig. 1 eine Ansicht im Querschnitt einer Brennkammer der Spiralwirbelbauart, für
die Anwendung in einer Gasturhinenanlage, Fig. 2 eine Schnittansicht der Brennkammer
gemäß Fig. 1 entlang der Schnittlinien II-II, Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer
anderen Brennkammer der Spiralwirbelbauart, Fig. 4 eine Schnittansicht der Brennkammer
gemäß Fig. 3 entlang der Schnittlinien IV-IV, während Fig. 5 eine Querschnittsansicht
einer anderen Form einer Brennkammer der Spiralwirbelbauart wiedergibt.
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Fig. 1 und 2 zeigen eine Verbrennungseinrichtung der Spiralwirbelbauart
mit einer Wirbelbrennkammer 1, welche durch eine spiralförmige Umfangswand pa und
Seitenwände 1 b und 1 c begrenzt wird.
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Die Außenwand ist mit einem tangential gerichteten Lufteinlaß 2 versehen,
von welchem sich ein tangentialer Einlaßstutzen 3 erstreckt, welcher, wie in Fig.
2 dargestellt, eine rechteckige Form hat, wobei seine Breite, d. h. seine Abmessung
parallel zur Wirbelkammerachse, größer als seine Tiefe ist. Die eine der Seitenwände
1 b ist mit einem zentralen axial ausgerichtetem Auslaß 4 an der Achse der Kammer
versehen, während die andere Seitenwand 1 c eine zentrale Öffnung aufweist, von
welcher sich ein Rohr 5 mit offenem Ende die Kammerachse entlang in Richtung nach
dem Auslaß 4 erstreckt.
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Die Wirbelkammer 1 ist von einem Außengehäuse 6 umgeben, welches
eine Spiralumfangswand 6a und Seitenwände 6 b und 6c aufweist, während der Einlaßstutzen
durch eine tangentiale Verlängerung 7 des Gehäuses eingeschlossen ist. Die Seitenwand
6 b des Gehäuses hat einen zentralen Auslaß 8 auf seiner Achse, von welchem sich
eine axiale Auslaßleitung 9 um den Auslaß 4 der Wirbelkammer 1 herum erstreckt.
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Innerhalb des Einlaßstutzens 3 sind zwei Vorverbrennungskammern in
Form von rohrförmigen Flammrohren 10 vorgesehen, die nebeneinander sitzen, wobei
jedes Flammrohr offene Einlaß- und Auslaßenden und weitere Öffnungen für den Einlaß
von Sekundär- und/oder Kühlluft aufweist. Schwerer Brennstoff, wie z. B. Restbrennöl
oder pulverisierter fester Brennstoff, wie beispielsweise Kohle, wird in die Flammrohre
vermittels der Brennstoffeinspritzdiesen 11 eingespritzt, welche in deren Einlaßenden
durch Wirbler 12 gehalten und über Rohrleitungen 13 beschickt werden. Diese Wirbler
bestehen aus Reihen von Flügeln. die so eingerichtet sind, daß sie in den dahindurch
fließenden Luftströmen eine Wirbelbewegung um die Achse der Flammrohre herum erzeugen,
und diese Wirbler haben entgegengesetzten Drall bzw. Drehsinn.
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Die Seitenwände 1 b und 1 c der Wirbelkammer sind jeweils mit einem
Satz von drei Flügeln 14 versehen,
welche axial in das Kammerinnere ragen. Die Flügel
erstrecken sich in Spiralen mit dem gleichen Spiralwinkel wie die Umfangswand la,
weisen jedoch kleinere Radien auf, wobei ihre stromaufwärts gelegenen Endkanten
in gleichmäßigem Abstand im Einlaß 2 nach der Wirbelkammer angeordnet sind, während
sie sich vom Einlaß 2 her bis nach dem Bereich des Auslasses 4 erstrecken. Sie verlaufen
demzufolge auf der Spiralhahn der Strömung vom Einlaß 2 her nach dem Auslaß 4 und
im wesentlichen dieser entsprechend.
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Bei einer Alternativanordnung können die Flügel 14 aus einer Anzahl
von Flügeln bestehen, welche mit Abstand voneinander entlang den Spiralen angeordnet
sind. Bei jedem Flügel ist dann die Spannweite, d. h. seine parallel zur Wirbelkammerachse
gemessene Abmessung, gleich seiner entlang der Spirale gemessenen Abmessung, und
gleich dem Abstand der Flügel entlang der Spirale.
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Im Betrieb wird Luft, z. B. vom Kompressor der Gasturbinenanlage
her, nach der Verlängerung 7 des Gehäuses 6 und von dort nach dem Einlaßstutzen
3 der Wirbelkammer geliefert. Ein Teil der Luft tritt über die Wirbler 12 in die
Flammrohre 10 ein, und der Brennstoff wird von den Einspritzdüsen 11 her in die
von den Wirblern gebildeten stabilen Verbrennungszonen eingespritzt und darin gezündet.
Die Brennstoffteilchen werden teilweise in den Flammrohren verbrannt, und die brennenden
Teilchen werden zusammen mit der überschüssigen Luft in die Wirbelkammer 1 geleitet
und brennen darin weiter, während sie um die Kammerachse herum geführt werden. Jedes
Teilchen bewegt sich auf einer Gleichgewichtsbahn unter der gemeinsamen Wirkung
von Zentrifugalkraft und radial nach innen wirkender Sogkraft, welche durch die
einwärts gerichtete Bewegung der Luft bewirkt werden. Die Kammer ist so konstruiert,
daß, während das Teilchen verbrennt und dabei seine Masse entsprechend verringert
wird, es sich allmählich dem Auslaß 4 nähert und daß es, wenn es den Auslaß erreicht,
vollständig verbrannt ist. Die Brenngase werden durch den Auslaß 4 abgelassen.
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Ein Teil der nach der Verlängerung 7 gelieferten Luft wird in das
Außengehäuse 6 geleitet. Diese Luft strömt um die Außenseite der Brennkammer 1 herum,
während ein Teil durch das Rohr 5 und der Rest durch den Spalt 15 um den Kammerauslaß
4 herum hindurchströmt, um sich mit den Brenngasen im Auslaßstutzen 9 zu mischen,
wobei dann Brenngase und Luft für den Antrieb der Turbine geliefert werden. Der
mittlere Luftstrom von Rohr 5 her dient dazu, allen Tendenzen von Umkehrströmung
entlang dem Auslaßstutzen entgegenzuwirken, welche durch die wirbelnden Abgase verursacht
werden, die von der Brennkammer her abgelassen werden, wobei diese Umkehrströmung
die Bildung von Sekundärströmungen im Auslaßbereich der Brennkammer begünstigt.
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Es besteht die Möglichkeit, daß sich Sekundärströmungen in einer
Bremikammer der beschriebenen Art entwickeln können, jedoch hat es sich herausgestellt,
daß die Flügel 14 derartige Strömungen verringern und im wesentlichen alle Umkehrströmungen
mit Ausnahme möglicherweise im Bereich des Auslasses zu vermeiden vermögen. Es ist
erforderlich, daß die Flügel über einen beträchtlichen Teil der Breite in die Kammer
hineinragen. In der dargestellten Anordnung erstrecken sich die Flügel an beiden
Seiten der Kammer über etwa ein Drittel der Kammerbreite.
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Die Wirbler 12, welche entgegengesetzten Drall haben, bewirken, daß
zwei in entgegengesetzter Richtung wirbelnde Gasströme in die Wirbelkammer ein
treten,
und es hat sich gezeigt, daß derartige Anordnungen ein gleichmäßigeres Geschwindigkeitsprofil
in der Kammer in ihrem Umfangsbereich erzeugen, so daß das Einsetzen bzw. der Beginn
von Sekundärströmungen verzögert bzw. aufgehoben wird. Die Wirbler können so angeordnet
sein, daß die Strömung in der Mitte des Einlaßstutzens auswärts und durch die Seitenwände
einwärts, wie dies durch die Pfeile A in Fig. 2 angedeutet ist, oder umgekehrt verläuft.
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Bei einer Wirbelkammer in AIetallausführung können die Flügel 14
aus Blechstreifen bestehen, und in einer Kammer mit keramischem Futter können sie
aus einem Stück mit dem Futter ausgebildet sein.
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Die Ausführungsform gemäß den Fig. 3 und 4 ist im allgemeinen die
gleiche wie diejenige gemäß den Fig. 1 und 2, und die gleichen Bezugszeichen wurden
für gleiche Bauteile verwandt. Die Flügel 14 entfallen jedoch, und statt dessen
ist die Kammer mit einer Reihe von Flügeln 16 verstehen, welche rund um den Auslaß
4 herum angeordnet sind und sich über die Gesamtbreite der Kammer hinweg zwischen
den Seitenwänden 1 b und 1 c erstrecken. Die Flügel sind so angeordnet, daß sie
auf der Spiralströmungsbahn der Luft nach dem Ausgang liegen, und können ge krümmt
oder gebogen sein, um dieser Bahn zu entsprechen. Die Flügel dienen zur Steuerung
der Strömung und verringern daher die Tendenz zum Entstehen von Sekundärströmungen
im Bereich des Kammerauslasses, in welchem Bereich Sekundärströmungen hauptsächlich
auftreten können.
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In der eben beschriebenen Ausführungsform verändert sich die Form
der stromabwärts gelegenen Endteilstücke 10 a der Flammrohre 10 von einer kreisförmigen
in eine rechteckige Form, um mit dem rechteckigen Einlaß 2 nach der Wirbelbrennkammer
übereinzustimmen. Die Flügel 16 können hohl sein, wobei sie mit ihren Innenräumen
in Verbindung mit dem Raum zwischen der Wirbelkammer 1 und dem Gehäuse 6 stehen,
so daß Kühlluft hindurchgeleitet werden kann. Sie können auch luftdurchlässige Oberflächen
haben, so daß Luft durch diese hindurch abgelassen werden kann. Auf diese Weise
wird es möglich, die Gefahr der Ablagerungen von Asche und unverbranntem Brennstoff
auf den Flügeln zu verringern.
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Es hat sich herausgestellt, daß gleichmäßigere Geschwindigkeitsprofile
im Umfangsbereich der Kammer begünstigt und die Tendenz der Entstehung von Sekundärströmungen
verringert werden können, wenn die Anzahl der Umfangseinlässe erhöht wird. Eine
solche Einrichtung ist in Fig. 5 gezeigt, welche eine Wirbelbrennkammer21 mit einer
Umfangswand darstellt, welche aus drei spiralförmigen Abschnitten 22 aufgebaut ist,
welche zwischen sich drei tangential ausgerichtete Einlässe 23 abgrenzen, durch
welche Luft zu drei sich tangential erstreckende Einlaßstutzen 24 geleitet wird.
Flammrohre 10 mit Bramstoffeinspritzdüsen und Wirblern sind in jedem Stutzen 24
vorgesehen. Jede Seitenwand der Kammer ist mit drei sich spiralförmig erstreckenden
Flügeln 25 versehen.
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Es erstreckt sich dabei je ein Flügel von jedem Einlaß 23 her nach
dem zentralen Auslaß 26. Die Kammer kann von einem Außengehäuse und den drei Einlaßstutzen24
umgeben sein, welche an eine gemeinsame Luftlieferquelle angeschlossen sind.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Seitenwände der Wirbelkammer
parallel, jedoch kön-
nen die Wände kegelstumpfförmig ausgebildet sein, so daß die
Kammer in der Mitte breiter als am Umfang ist.
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Die Wirbelbrennkammer kann auch spiralförmig verlaufende Flügel aufweisen,
die von den Seitenwänden vorragen und sich vom Umfangseinlaß oder von den -einlässen
her nach den Auslässen erstrecken, wobei die Flügel sich über die Gesamtbreite der
Kammer um den Auslaß herum erstrecken können, und, um die Bildung von Sekundärströmungen
in der Nähe des Kammerumfangs zu verhindern, kann eine Mehrzahl von Lufteinlässen
vorgesehen sein, wobei in jedem zwei Wirbler mit entgegengesetztem Drall nebeneinandersitzen.
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PTENTNSPROCHE: 1. Spiralwi rbelmischkammer zur Durchführung chemischer
Reaktionen und physikalischer Prozesse mit einem tangentialen Strömungsmitteleinlaß
und einem zentralen Auslaß in der einen Seitenwand auf der Kammerachse, gekennzeichnet
durch einen Flügel (14,16,25), welcher von wenigstens der einen Seitenwand (1 b,
lc) her axial in das Kammerinnere ragt und sich entlang der Spiralwirbelbahn der
Strömungsmittelströmung in der Kammer erstreckt.