DE19649486A1 - Brennkammer - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Die Wärmefreisetzung beim Betrieb von Brennkammern, insbeson­ dere bei Vormischverbrennungen, verursacht Druckpulsationen, deren Schädlichkeit dem Fachmann bestens bekannt ist. Hierge­ gen sind bereits verschiedene Vorschläge bekanntgeworden, welche dahin zielen, die Reflexion von durch die Wärmefrei­ setzung verursachten Druckpulsationen an den Brennkammerenden zu verhindern. In diesem Zusammenhang werden oft Helmholtz-Resonatoren eingesetzt.

Obwohl Helmholtz-Resonatoren an sich eine signifikante Ver­ minderung von Druckpulsationen bei Schwingungen nahe der Aus­ legungsfrequenz bewirken, darf nicht verkannt werden, daß neben dem Nachteil der dafür notwendigen Platzverhältnisse für eine solche Einrichtung auch die Wirkung auf die Umgebung der Auslegungsfrequenz beschränkt ist.

Insbesondere bei kompakten Ringbrennkammern ist eine solche Einrichtung aus Platzgründen schwer einsetzbar, so daß taug­ liche Maßnahmen zur Verhinderung von thermodynamischen Schwingungen bei Brennkammern der neueren Generation nach wie vor fehlen, resp. noch nicht in tauglicher Form vorgeschlagen worden sind.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art eine Ausgestaltung vorzuschlagen, welche die Reflexion von Druckpulsationen am Brennkammerende minimiert.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß durch die reflexionsarme Ausgestaltung des Brennkammer­ endes die Rückkopplung der Druckpulsationen auf den Brenner, welche zu erneuten Schwankungen in der Wärmefreisetzung und damit Druckpulsationern führen können, unterbunden wird.

Der Grundgedanke der Erfindung basiert auf der Idee, daß niederfrequente Schwingungen signifikant absorbiert werden, wenn sie durch eine Düse mit anschließendem Freistrahl transmittiert werden.

Aus akustischen Gründen ergibt die Umsetzung des Grundgedan­ kes der Erfindung eine Brennkammer mit zwei in Strömungsrich­ tung nachgeschalteten Stufen. Am Kopf der ersten Stufe sind Brenner angeordnet, die an sich von beliebiger Bauform sein können. Im Zuge der Tatsache, daß Brennkammern der neueren Generation zur Minimierung der Schadstoff-Emissionen vorzugs­ weise mit einer Vormischverbrennung betrieben werden, sind hier für die weitere Betrachtung Vormischbrenner zugrundegelegt. Brennstoff und Verbrennungsluft reagieren in­ nerhalb der ersten Stufe miteinander. Die Größe dieser er­ sten Stufe muß so dimensioniert sein, daß vor Erreichen de­ ren Ausgang in Strömungsrichtung die Wärme aus dem Verbrennungsprozeß weitgehend freigesetzt ist. Der CO-Ausbrand muß dagegen nicht abgeschlossen sein. Die Reaktionsprodukte aus der Verbrennung innerhalb der ersten Stufe durchströmen dann deren Ausgang, welcher erfindungsgemäß nach den nachfolgen­ den geschilderten Kriterien ausgelegt ist, und gelangen dann in die zweite Stufe, welche als Ausbrandzone operiert. Diese muß ihrerseits so dimensioniert sein, daß der CO-Gehalt auf den Wunschwert abfällt, bevor die Arbeitsgase dann die Leit- und Laufschaufeln einer nachgeschalteten Turbine beaufschla­ gen.

Erfindungsgemäß wird der Übergang, bei einer aus zwei Stu­ fen bestehenden Brennkammer, zwischen der ersten und zweiten Stufe mit einer Querschnittsverengung gebildet, bei welcher die niederfrequenten Schwingungen absorbiert werden, indem diese durch die genannte Verengung, die als Düsenkontraktion ausgebildet ist, mit anschließendem Freistrahl transmittiert werden. Somit wird die akustische Energie in die Energie der fluktuierenden Wirbelstärke am Düsenaustritt überführt. Diese Energie wird schließlich in Wärme dissipiert.

Wird die Brennkammer durch mehr als zwei sequentiell geschal­ tete Stufen gebildet, so sind die jeweiligen Übergänge der einzelnen Stufen hinsichtlich der Querschnittsverengung resp. Düsenkontraktion nach den hier für zwei Stufen festgelegten Grundsätzen auszulegen.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil bei der Umsetzung der Er­ findung ist darin zu sehen, daß die Konfiguration der Quer­ schnittsverengung resp. Düsenkontraktion entsprechend den vorgegebenen Brennkammerverhältnissen immer zu einer minima­ len Reflektion angepaßt werden kann, ohne damit die Auslegung der Brennkammer zu verändern. Diese endseitige Kon­ traktion der ersten Stufe werden vorzugsweise als Düse mit minimalen Druckverlustbeiwert oder als Blende mit einer oder mehreren Öffnungen ausgelegt. Der Querschnittsverlauf der Kontraktion in Strömungsrichtung ist hingegen erfindungsgemäß recht gut eingegrenzt: das Flächenverhältnis zwischen Austritt und Eintritt der Kontraktion entspricht der Machzahl am Düsenaustritt. Um welches Flächenverhältnis es sich hier handelt, wird weiter unten näher dargelegt.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen An­ sprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel­ bare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur zeigt eine als Ringbrennkammer konzipierte Brennkammer, die aus zwei Stufen besteht, wobei intermediär zwischen den beiden eine Düsenkontraktion wirkt.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Die Figur zeigt, wie dies aus der Wellenachse 60 und Drehbe­ wegung 61 des nicht näher gezeigten Rotors hervorgeht, daß es sich vorliegend um eine Ringbrennkammer handelt, welche im wesentlichen die Form eines zusammenhängenden annularen oder quasi-annularen Zylinders aufweist. Darüber hinaus kann eine solche Brennkammer auch aus einer Anzahl axial, quasi-axial oder schraubenförmig angeordneter und einzeln in sich abge­ schlossener Brennräume bestehen. An sich kann die Brennkammer auch aus einem einzigen Rohr bestehen. Die in der Figur ge­ zeigte Ringbrennkammer besteht aus einer ersten Stufe 20 und einer zweiten nachgeschalteten Stufe 40. Intermediär zwischen den beiden Stufen 20, 40 wirkt eine Querschnittsverengung 30, auf welche weiter unten noch näher eingegangen wird. Die er­ ste Stufe 20 weist zunächst kopfseitig eine Anzahl in Um­ fangsrichtung nebeneinander angeordneter Vormischbrenner 10 auf, deren Ausgestaltung und Funktion aus EP-0 321 809 B1 hervorgeht, wobei diese Druckschrift integrierender Bestand­ teil vorliegender Beschreibung ist. Ein weiterer Vormisch­ brenner, der ebenfalls prädestiniert ist, hier zum Einsatz zu gelangen, geht aus EP-0 704 657 A2 hervor, wobei auch diese Druckschrift integrierender Bestandteil vorliegender Be­ schreibung ist. Die stattfindende Gemischbildung im Brenner 10 zwischen einem Luftstrom 12 und einem Brennstoff 10 bildet jenes Verbrennungsgemisch, das in der ersten Stufe 20 zu Heißgasen 21 verbrannt wird. Nach Durchströmung der bereits genannten Querschnittsverengung 30 strömen die Heißgase 21 dann in die zweite Stufe 40, in welcher der endgültige Aus­ brand stattfindet, bevor die dort gebildete Arbeitsgase 41 schließlich eine nachgeschaltete Turbine 50 beaufschlagen.

Die Gestaltung der Querschnittsverengung 30 ist durch den er­ laubten Druckverlustbeiwert und die Anforderungen an das Strömungsfeld definiert. Möglich sind eine Düsenform mit minimiertem Druckverlustbeiwert oder eine Blende mit einem oder mehreren Löchern. Entscheidend für die Ausgestaltung der Querschnittsverengung 30 ist indessen das Flächenverhältnis der Kontraktion in Strömungsrichtung. Eine minimale Reflexion wird erreicht, wenn die Machzahl am Austritt 31 der Quer­ schnittsverengung 30 gleich dem Flächenverhältnis der Quer­ schnittsverengung 30 ist, wobei dieses Flächenverhältnis aus dem Quotient zwischen Austrittsfläche A2 dividiert durch die Eintrittsfläche A1 der Querschnittsverengung 30 ermittelt wird. Durch diese Vorgabe wird bei einem ausreichenden Ver­ lauf der Düsenkontraktion eine minimale Reflexion erreicht, d. h., die dort auftretende akustische Energie wird in die En­ ergie der fluktuierenden Wirbelstärke am Austritt 31 der Querschnittsverengung 30 überführt, wobei diese Energie schließlich in Wärme dissipiert. Allein durch diese geome­ trische Ausgestaltung der Querschnittsverengung 30 ergibt eine Impedanz

welche ein typisches reflexionsfreies Ende am Austritt 31 der Querschnittsverengung 30 induziert. Typische Werte für die Aufenthaltszeiten der Heißgase 21, 41 betragen für die erste Stufe 5-20 ms, für die zweite Stufe 10-50 ms.

Bezugszeichenliste

10

Vormischbrenner

11

Brennstoff

12

Luftstrom

20

Erste Stufe

21

Heißgase

30

Querschnittsverengung

31

Austritt der Querschnittsverengung

40

Zweite Stufe

41

Arbeitsgase

50

Turbine

60

Wellenachse des Rotors

61

Drehbewegung
A1 Eintrittsfläche der Düsenkontraktion
A2 Austrittsfläche der Düsenkontraktion
L Axiale Länge der Düsenkontraktion

Claims (8)

1. Brennkammer, im wesentlichen bestehend einer ersten Stufe und mindestens einer nachgeschalteten zweiten Stufe, wobei in diesen Stufen sequentiell die Aufberei­ tung der Heißgase zur Beaufschlagung einer der Brenn­ kammer nachgeschalteten Turbine vonstatten geht, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang der Heißgase (21) zwischen der vorangehenden Stufe (20) und der nachge­ schalteten Stufe (40) durch eine in Strömungsrichtung angeordnete Querschnittsverengung (30) gebildet ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverengung (30) einen Aufbau auf­ weist, bei welchem die Machzahl am Austritt (31) der Querschnittsverengung (30) gleich dem Flächenverhältnis der Querschnittsverengung (30) entspricht, welches Flä­ chenverhältnis ein Quotient aus Austrittsfläche (A2) über Eintrittsfläche (A1) ist.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge (L) der Querschnittsverengung (30) größer 5% des Durchmessers an der Eintrittsfläche (A1) ist.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer eine Ringbrennkammer ist.

5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer mit mindestens einem Vormischbren­ ner (10) betreibbar ist.

6. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverengung (30) eine Düsenform auf­ weist.

7. Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenform einen minimalen Druckverlustbeiwert aufweist.

8. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverengung (30) eine Blende mit ei­ nem oder mehreren Löchern ist.