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"Brennkammer" Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer für
Heizungs- und Propulsionszwecke. Sie kann beispielsweise für lieizkesselanlagen
in Wohnhäusern und Industriebauten oder dergleichen oder aber mit kleinen Abwandlunzen
auch für Stehdüsen bei Helicopter-Luftfahrzeuren sowie zum Vortrieb von Raketen,
Flugkörpern beliebiger Art und dergleichen Verwendung finden. In der US-Patentschrift
2 736 168 wurde bereits eine Brennkammer vorgeschlagen, bei der eine tangentiale,
einen Luftwirbel in der Kammer erzeugende Luftzufuhr vorgesehen ist. Verbrennungskammern
mit dieser Ausbildung haben sich bei der Anwendung in Anlagen bewährt, bei denen
die Umgebungstemperaturen verhältnismäßig niedrig sind. Die Erfindung hat eine Weiterentwicklung
derartiger Brennkammern zum Gegenstand, die auch ungewöhnlich hohen Temperaturen
ausgesetzt werden kann. Ein wesentliches Merkmal dieser Weiterentwicklung besteht
darin, daß die Brennkammer von einem äußeren Gehäuse umschlossen ist.
Der
Erfindung liegt hauptsächlich die Auf.,-,abe zurrunde, eine Brennkammer einer sich
selbst kühlenden Bauweise zu schaffen, die einen besonders hohen Wirkungsgrad hat
und sich durch besonders niedrige Strahlungsverluste auszeichnet. Auch soll die
neue Brennkammer ein möglichst geringes Gesamtgewicht und kleine Abmessungen haben,
dabei aber in der Lage sein, besonders große Brennstoffmengen bei gutem Wirkungsgrad
zu verbrennen. Die neue Brennstoffkammer soll ferner lagen-unabhängig arbeiten.und
sich so abwandeln lassen" daß sie verschiedenen Wärmeerfordernissen Rechnung tragen
kann. Die neue Brennkammeranordnung eignet sich auch zum betrieb bei sehr niedri7-en
Luftdrücken und ist dabei doch in der Lage, praktisch aurlenblicklich mit Vollast
zu arbeiten. Die neue Brennkammerbauart ist äußerst wirtschaftlich und erfordert
nur sehr rerinre Wartung wegen ihrer einfachen robusten Ausbildune.
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Das kennzeichnende Herkmal der Erfindung besteht darin, daß sie von
einem allseiti7, im wesentlichen bis auf eine vor der Auspufföffnung der Kammer
liegende Öffnunz, zeschlossenen Gehäuse mit Abstand umgeben ist, an dessen Mantel
sich ein Einlaßstutzen für Druckluft befindet, und auf ihrer Umfangswandung verteilt
einen Kranz von Verbindungsöffnungen mit solcher Ausbildung und Anordnung aufweist...daß
die durch sie eintretende Druckluft auf einer schraubenförmigen äußeren Bahn gegen
die geschlossene Endwandung der Kammer und von da auf einer schraubenförmigen inneren
Bahn in Gegenrichtung zur Auspufföffnung strömt. Vorzugsweise befinden sich die
Mündung der Brennstoffzuführungszuleitung und die Zündvorrichtung an
einer
mittleren Stelle der Kammer In einem Abstand von deren geschlossener Endwandun7.
Es bildet sich dann eine ringförmige Masse relativ kalter Luft, die einen inneren
Kern eines Brennstoff-Luftremischs sowie von Verbrennungsprodukten nach erfolLmter
Zündunz umgibt.
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Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert: Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellunr- einer Brennkammeranordnung
gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch die Brennkammer nach Fir.
1.
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Fic,#r- 3 ist ein Längsschnitt durch die Gesamtanordnunr nach
FiF. 1, wobei auch die Brennstoffzuführung und die Zündvorrichtung schematisch
angedeutet sind.
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Fig. 4 ist ein Länrsschnitt durch eine andere Ausführunrsform einer
Brennkammer, wie sie in der Anordnung nach Fig. 1 Verwendung finden kann;
dabei sind zugleich die Strömungswege und die Druckgradienten angegeben.
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Fig, 5 ist wiederum eine andere Ausführungsform der Brennkammer.
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Fig. 6 ist eine weitere Ausführunrsform der Brennkammer. Fig.
7 zeigt eine Abwandlung des geschlossenen Endes der Brennkammer.
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Fig. 8 zeigt eine andere Abwandlung.
Fig.
9 zeigt nochmals eine andere Abwandlung den geschlossb. nen Endes der Brennkammer.
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In Fig. 1 ist ein Druckluftstutzen lo zu sehen» der mit dem
Mantel des Gehäuses 11 verbunden ist, das in seinem unteren Ende geschlossen
ist und Teil eines Wärmeaustauschers in einem Ofen, einem Helzkessel oder dergleichen
sein kann. Das obere Ende des Gehäuses 11 kann zusammen mit der Brennkammer
12 eine Einheit bilden, so daß das Gehäuse 11, der Druckluftstutzen lo und
die Kammer 12 eine Baueinheit sind.
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Die Brennkammer 12 ist mit einem Randflanch 13 versehen, mit
welchem die Brennkammer durch Schweißung oder in anderer Weise starr innerhalb der
Seitenwandungen 14 des Gehäuses 11
befestigt sein kann.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 - 3 enthält die Brennkammer
den Flanch 13 für die hängende Befestigung, eine ringscheibenförmige Wandung
15, einen kegelstumpftörmigen Abschnitt 16 und eine geschlossene,
ggf. kegelförmige Endwandung 17.
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Die baulichen Einzelheiten sind aber nicht In ernter Linile ##use-,--hlaggebend
für die Erfindung; sie können In versubie,--4ener Weise von den hier behandelten
AusfUhrungsbeispielen abweichen. So kann z.B. der ringförmige Teil flach oder auch
| ». 1-., |
| sein. In ähnlicher Weise können die Kammerwandun- |
| gen I%i and die geschlossene Endwandung 17 verschiedenerlei |
| G,##sc, J.-aLen. |
Auf dem Umfang der Seitenwandung
16 ist ein Kranz von Öffnungen
18, vorzugsweise von schlitzförmiger Gestalt vorgesehen, durch welche Luft
in die Kammer eintreten und sich auf einer schraubenförmigen Bahn nach unten längs
des inneren Umfanges der Seitenwandung
16 bewegen kann. In jedem Falle sind
die Schlitze oder sonstigen Öffnungen
18 so ausgebildet und angeordnet, daß
die Blasluft tangential durch die Wandung
16 hindurchtritt. Vorzugsweise
sind bei schlitzförmiger Ausbildung der Öffnungen diese derart schräg gestellt,
daß die Luft auch unter einem gewissen Winkel nach unten gegen die geschlossene
Endwandung
17 strömt. Bei der Ausführungsform nach den Fig.
1 - 3
haben die Seitenwandungen
16 unterhalb der Öffnungen
18, d.h. soweit
sie der geschlossenen Wandung
17 zugewandt sind, einen größeren Durchmesser
als oberhalb der Öffnungen
18; daher sucht die durch die Schlitze
18 eintretende Luft sich in Richtung des sich erweiternden Durchmessers zu
bewegen, so daß ihr Druck abnimmt. Die Luft sucht sich dahin zu bewegen, wo Ihr
eine Expansionsmöglichkeit geboten wird. Infolge der Zentrifugalwirkung sucht sich
die durch die Schlitze eintretende Luft der Innenseite der Wandungen
16
anzuschmiegen
und strömt auf einer schraubenförmigen Bahn, wie sie in Fig. 2 mit
19 angedeutet
Ist, nach der geschlossenen Endwandung
17; dann kehrt sich die Achse Ihrer
Bewegungsrichtung um und die Luft strömt als schraubenförmiger Innerer Kern auf
einer Bahn 2o zur Ausputförfnung, d.h. zum offenen
Ende der Brennkammer.
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Gemäß Fig. 3 hat der Druckluftstutzen lo eine Eintrittsöffnung
21 in das Gehäuse 11, durch welche die Blasluft eintreten kann, so daß sie
die Seitenwand 16 der Brennkammer 12 umhüllt.
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Eine Brennstoffleitung 22 durchdringt das Gehäuse 11 und die
Wandqngen 16 der Brennkammer 12 an einer solchen Stelle, daß die Mischung
des eingeführten Brennstoffes mit dem nach unten strebenden Luftwirbel
19 gewährleistet ist. Vorzugsweise ist die Brennstoffdüse gleichfalls tangential
nach unten gerichtet, so daß sich ein möglichst geringer Widerstand für die Luftströmung
19 in dieser Richtung ergibt. Durch die Leitungen 23 und 24 in Fig.
3 ist eine Funkenelektrode üblicher Art oder dergleichen als Zündvorrichtung
angedeutet. Sobald eine Zündung stattgefunden hat, setzt sich die Reaktion von selbst
fort. Es sei darauf hingewiesen, daß auch andere Arten einer Zünd- oder Heizvorrichtung
zum gleichen Zweck angewendet werden können.
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Wie aus den Fig. 1 - 3 hervorgeht, befinden sich die Seitenwand
16 und die geschlossene Endwand .17 der Brennkammer 12 in einem Abstand von
den Seitenwandungen 14 des Gehäuses 11.
Bei dieser Bauweise zirkullert nicht
nur die durch die Öffnung 21 in das Gehäuse 11 eintretende Luft frei auf
dem Umfang der Seitenwände 16 9.ondern auch unterhalb der geschlossenen Endwandung
17.
Infolgedessen dienen die Seitenwandung 16 und
die Endwandung 17 praktisch als Wärmeaustauscher, wobei die eingeschlossenen
Verbrennungsprodukte eine Vorerwärmung der In die Öffnungen 18 eintretenden
Luft bewirken. In gleicher Weise tritt die eintretende Luft zur Kühlung der Seitenwandung
16
und der Endwandung 17.
In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform
einer Brennkammer zur Verwendung bei der Anordnung nach Fig. 1 darge--t-ellt.
Z, ' Die Brennkammer 25 hat hier an ihrem offenen Ende eine ringförmige Wandung
26, an die sich ein kegelstumpfförmiger Wandabschnitt 27 und ein zylindrischer
Wandabschnitt 28
sowie eine geschlossene Endwandung 29 anschließen.
Für diese Bauart ist es wesentlich, daß die Luft nach urten gerichtet in die Kammer
einströmen muß, da die Seiten--Knndung nicht in Richtung zum unteren Kammerende
29 nach außen gemeigt ist. In Verbindung mit Fig. 4 ist ein Druckdiagramm angegeben,
dessen Ordinate 30 und Abszisse erkennen lassen, daß der höchste Druck In
den in radialer Richtung äußeren Teilen der Brennkammer herrscht, während der Druck
nach der Mitte zu abnimmt und im zentralen Teil der Kammer sogar negativ wird. Die
Luft tritt also hier durch die Schlitzöffnungen 32
ein, die notwendigerweise
nach unten zur geschlossenen Endwand hin geneigt sind, durchströmt dann längs der
Innenseite der
Seitenwandung 28 der Brennkammer eine schraubenförmige
Bahn und danach in axial entgegengesetzter Richtung eine Innere schraubenförmige
Bahn, wie angegeben.
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Wenn die Luft eintritt, hat sie beispielsweise einen Druck von 5mm
(o.211) Wassersäule, der bis auf 0 abnimmt, wenn die Luftströmung in der
Nähe des mittleren Teils der geschlossenen Endwandung 29 ihre Richtung umkehrt.
Danach, wenn die Luft auf einer inneren Schraubenbahn nach oben strömt, besteht
ein negativer Druck von -2,5 mm, bevor die Luft schließlich durch das ringförmige
offene Ende 26 ins Freie tritt.
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Die Einführung des Brennstoffes kann an verschiedenen Stellen des
äußeren nach unten gerichteten Luftstromeä erfolgen. Vorzugsweise wird der Brennstoff
an einer Stelle unterhalb der schlitzförmigen Öffnungen 32 bzw.
18 eingespritzt., so daß die Luft eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht
hat und der Brennstoff mit der Luft auf dem Wege nach unten gründlich vermischt
wird. Ferner wird auf diese Weise der untere Teil der Brennkammer relativ
kühl gehalten, was In bestimmten Fällen erwünscht sein kannb In anderen Fällen
kann es erwünscht sein, die Brennstoffeinführung zwecks Vorerhitzung der eintretenden
Luft an eine höhere Stelle in der Brennkammer zu legen, so daß ein wesentlicher
Teil der Seitenwandungen der Brennkammer -,-wärmt wird. Wesentlich ist jedoch" daß
die Vermischung ,tion 'Brennstoff und Luft auf der nach unten gerichteten Bewegungs2trecke
erfolgt, damit eine möglichst wirksame Vermischung erreichlv# und eine genau schraubenförmige
Ausetrömbewegung erhalten
wird.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen andere Ausbildungen der Brennkammer,
die in Verbindung mit der Brennkammeranordnung nach Fig. 1 oder auch bei
der in sich geschlossenen, unabhängigen Ausführung benutzt werden können.
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In Fig. 5 ist eine Brennkammer 33 mit einer ringförmigen
Endwandung 34, die das 'offene Ende der Brennkammer umgibt, gezeigt. Die Endwandung
34 ist durch einen kegelstumpfförmigen Seitenwandungsabschnitt 35 mit einem
zylindrischen Abschnitt 36 verbunden und endigt in einen unteren kegelstumpfförmigen
Abschnitt 37, dessen Boden geschlossen ist. Bei dieser Bauweise sind eine
Vielzahl von Öffnungen 38 in dem zylindrischen Seitenwandungsabschnitt
36 vorgesehen; weitere Öffnungen 39
befinden sich in dem oberen kegelstumpfförmigen
Abschnitt 35.
Vorzugsweise sind die schlitzförmigen Öffnungen 38 und
39
alle in einer solchen Richtung umgekantet, daß die eintretende Luft, wie
in Fig. 5 angedeutet, nach unten gerichtet wird. Fig. 6 zeigt eine
andere mögliche Ausführungsform, bei der die Brennkammer 4o eine ringförmige Endwandung
41 an ihrem offenen Ende besitzt. Die Kammer 4o kann aus einem oberen Teil 42 und
einem unteren Teil 43 bestehen. Der obere Teil 42 ist mit Schlitzöffnungen 44 versehen.
Bei dieser Bauweise ist es wesentlich, daß sich die Öffnungen oder Schlitze 44 oberhalb
der Mittellinie der kugelförmigen Kammer befinden, so daß die Luft eine Möglichkeit
hat, In Richtung nach unten
zu expandieren, nachdem sie in die
Öffnungen 44 eingetragen ist, bevor sie durch den unteren Teil 43 nach innen geleitet
und darauf in die Gegenrichtung umgelenkt wird. Die Ausführungen nach Fig.
7 - 9 zeigen verschiedene andere Abwandlungen des geschlossenen Bodens der
Brennkammer. Der Einfachheit halber ist in jedem Falle angenommen, daß die Brennkammer
zylindrische Seitenwandungen besitzt, wie bei Fig..4. Es soll damit nur gezeigt
werden, daß auch verschiedene andere Bodenausbildungen als die in den Fig. 2,4 #>
5
und 6 dargestellten konischen, flachen, kegelstumpfförmigen und kugeligen
Ausbildungen möglich sind. In Fig. 7 ist ein unvollständiger Ausschnitt einer
Brennkammer 45 gezeigt, der in einem konvexballigen, geschlossenen Boden 46 endigt.
Fig.8 zeigt einen Brennkammerabschnitt 47, der in einen Körper von etwa ellyptischem
Querschnitt 48 übergeht. Fig. 9 schließlich zeigt eine zylindrische Brennkammer
49 mit einer halbkugelförmigen geschlossenen Endwand 50.
Die Möglichkeiten
zur Anwendung und Ausführung der Erfindung beschränken sich nicht auf die Einzelheiten
der Ausführungsbeispiele; wesentlich ist, daß die eine, den Boden bildende Endwand
geschlossen ist und daß Insbesondere schlitzförmige Lufteintrittsöffnungen vorgesehen
sind, die einen äußeren schraubenförmigen Luftwirbel in Richtung nach unten gegen
die geschlossene Endwand verursa # chen. Besonders bewährt haben sich Ausführungsformen
nach den in Fig. 1 - 3 veranschaulichten Prinzipien, besonders auch mit einer
konvexen
balligen Endwand 46 gemäß Fig. 7. Wesentlich ist
ferner für die i#rfindung, daß der Brennstoff an einer Stelle in einem Abstand von
der geschlossenen Endwandung eingeführt wird, wobei jedoch diese Stelle, wie schon
erwähnt, in verschiedenen La7en gewählt werden kann.