DE2740859C2 - Ringbrennkammer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ringbrcnnkainmer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs I. Eine solche Ringbrennkammer ist aus der US-PS 29 20 449 bekannt.

Bei dieser bekannten Ausbildung sind die Wirbler Schaufeistreifen, die sich auf dem Umfang verteilt zwischen dem Flammenhalter und einem Luftleitblech erstrecken und der beidseits des Flammenhalters strömenden Primärluft einen Drall erteilen. Über die Richtung des jeweiligen Dralls ist dort nichts ausgesagt.

Nachteilig ist bei dieser Ausbildung, daß die Primärluft mit einer beträchtlichen Geschwindigkeitskomponente in Axialrichtung in die Brennzone eintritt und das Flammengebiet dadurch eine erhebliche Erstreckung in Strömungsrichtung aufweist, was wiederum eine entsprechende Länge der Brennkammer insgesamt zur Folge hat.

Aus der DE-OS 24 43 007 ist eine Ringbrennkammer mit einer Unterteilung der einströmenden Luft in einen Primärluft-Ringstrahl und in radial beidseits von diesem getrennte Sekundärluft-Ringstrahlen bekannt, wobei auch die Sekundärluft mindestens teilweise der Brennzone zugeführt wird. Hier ist jedoch kein ringförmiger Flammenhalter mit in dessen Außenwand ausgeführten Brennstoffzufuhröffnungen vorhanden, sondern es sind auf dem Umfang einzelne Brennstoffinjektionsvorrichtungen verteilt, so daß der Brennstoff an einzelnen Umfangsstellen konzentriert in die Primärluftströmung gegeben wird. Zwar sind die einzelnen Brennstoffinjektoren von gegensinnig verdrallten koaxialen Luft-Ringstrahlen kleinen Durchmessers umgeben, wobei der Brennstoff in das Zentrum des inneren Luft-Ringstrahls eingeleitet wird, jedoch ist auch von dieser Konstruktion keine besonders kurze Flamme zu erwarten, so daß auch hier eine relativ große Baulänge notwendig ist.
Eine ähnliche BrennstoFfzuführungseinrichtung in einc Brennkammer ist aus der DE-OS 22 01 033 bekannt, wobei es sich hier allerdings nicht um eine Ringbrennkammer handelt Hier geschieht die Brennstoffzufuhr in das Scherungsgebiet zwischen den koaxialen, entgegengesetzt rotierenden Luft-Ringstrahlen, und zwar in einen unverdrallten Luft-Ringstrom, der radial außen von einer Zerstäubungslippe begrenzt ist Die drallerteilenden Luftwirbier sind von üblicher Bauart, so daß die austretenden Luftströmungen eine beträchtliche Geschwindigkeitskomponente in Axialrichtung aufweisen.

Schließlich ist aus der GB-PS 13 54 333 eine Brennkammer bekannt in die Primärluft in gegensinnig verdrallten koaxialen Ringstrahlen eingeleitet wird, und zwar durch tangential ausblasende Schlitze. Hier handelt es sich jedoch nicht um eine Ringbrennkammer, und die Brennstoffzufuhr geschieht nicht in das ringförmige Windscherungsgebiet zwischen den gegensinnig rotierenden Ringstrahlen, sondern in das Zentrum des inneren Ringstrahls. Eine besonders kurze Rammenlänge und damit kompakte Bauweise, insbesondere in Axialrichtung, wird auch auf diese Weise nicht erreich t.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Ringbrennkammer, in der die Verbrennung auf besonders kurzer axialer Erstreckung verläuft und die deshalb von besonders kompakter Bauweise sein kann.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt mittels der im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielcn anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen teilweisen schcmatischen Längsschnitt einer Ringbrennkammer;

Fig.2 den schematischen Querschnitt der Ringso brennkammer gemäß Fig. 1;

Fig. 3 den Schnitt nach der Linie Hl-111 der Fig. I mit schjmatischer Andeutung der Bewegungsvektoren der Primärluft-Ringstrahlen;

F i g. 4 den Schnitt nach der Linie IV-IV der F i g. 1 mit schematischer Andeutung des Strömungsbildes der Primärluft an dieser Stelle der Axialerstreckung;

F i g. 5 das Geschwindigkeitsfeld in und zwischen den entgegengesetzt verdrallten Primä.'luftstrahlen;

F i g. 6 die Geschwindigkeitsvektoren einiger in der F i g. 5 dargestellter Stromlinien über die Länge der Brennkammer;

Fig. 7 eine Ringbrennkammer gemäß einer zweiten Ausführungsvariante in einem teilweisen schematischen Längsschnitt;

Fig.8 den Schnitt nach der Linie VIII-VIII der Fig. 7;

F i g. 9 den Schnitt nach der Linie IX-IX der F i g. 7:
Fig. lOdcnSchniu nach der Linie X-X der Fi g. 7;

F i g. 1 ί die Ansicht nach Pfeil A in F i g. 7;

Fig. 12 eine Ringbrennkammer gemäß einer dritten Ausführungsvariante in einem teilweisen schematischen Längsschnitt;

Fi g. 13 eine Ringbrennkammer gemäß einer vierten Ausführungsvariante in einem teilweisen schematischen Längsschnitt;

Fi g. 14 eine Ringbrennkammer gemäß einer fünften Ausführungsvarianle in einem teilweisen schematischen Längsschnitt

Zur Erläuterung des Yerbrennungsvorgangs zeigt F i g. 1 schematisch im auf nur einer Seite der Achse genommenen Längsschnitt, wie die Ringbrennkammer aus zwei konzentrischen Flammrohrwänden, besteht, zwischen denen ein ringförmiger Rammenhalter angeordnet ist der den Ringraum in zwei konzentrische Ringkanäle unterteilt In jedem dieser Ringkanäle strömt ein unmittelbar an der Verbrennung teilnehmender Primärluft-Ringstrahl 1, nämlich längs der Seitenwände des Flammenhalters 4, und weiter zu den Flammrohrwänden hin strömen Sekundärluft-Ringsuahlen 2 und 3, von denen die flammenhalternahen Ringstrahlen 2 weiter stromabwärts noch in die Brennzone 6 gelangen und bei einer Temperaturherabsetzung der Verbrennungsprodukte mitwirken, während die flammrohrnahen Sekundärluft-Ringstrahlen 3 nicht an der Verbrennung teilnehmen und zur Kühlung der Feuerungsclemente in der Brennkammer dienen.

Die koaxialen Ringstrahlen 1 der Primärluft werden mit Hilfe von Schlitzwirblern 5 in Schlitzstrahlen aufgeteilt welche in tangentialer Richtung in die Brennzone 6 der Brennkammer eingeleitet werden. Dabei verdrallen die Schlitzwirbler 5 die Ringstrahlen 1 der Primärluft in entgegengesetzte Richtungen, wie das durch die Pfeile in F i g. 2 angedeutet ist

Die Geschwindigkeitsfelder der verdrallten Primärluft-Ringstrahlen 1 am Eintritt in die primäre Brennzone 6 sind in F i g. 3 dargestellt; an dieser Stelle haben die Schlitzstrahlcn eine tangentiale Richtung. Das Zusammenwirken der beiden entgegengesetzt verdrallten Primärluftstrahlen t führt in dem hinter dem Flammenhalter 4 liegenden Totwassergebiet 7 zu Zirkulationsströmungen 8 (F i g. 4) in Form von intensiven Wirbeln in der Querebene der Brennkammer.

Gleichzeitig wird in die Brennzat:e 6 Brennstoff 9 zugeführt. Der in der tangentialen und radialen Richtung verlaufende intensive turbulente Austausch gewährleistet die erforderliche Zufuhr der Wärme zum frischen Brennstoff-Luft-Gemisch und stabilisiert sowie intensiviert den Verbrennungsvorgang.

In die Brennzone 6 gelangen auch die koaxialen Ringstrahlen 2 der Sekundärluft Der Brennvorgang des Brennstoffs 9 und die teilweise Vermischung der Verbrennungsprodukte mit der Sekundärluft verlaufen auf diese Weise praktisch parallel, was eine Verbrennung bei herabgesetztem Temperaturniveau in der Brennzone 6 gewährleistet und so den Gehalt an schädlichen Komponenten in den Verbrennungsprodukten vermindert.

F i g. 5 zeigt im Querschnitt das Strömungsfeld im Wtndscherungsgcbicl der koaxialen Primärluft-Ringsirahlcn, wobei einige Gcschwindigkeilsvckioren herausgegriffen und mit den Buchstaben a, b, c. a'. b'. c' bezeichnet sind. Für diese Vektoren zeigt F i g. 6 in einem achsparallelen Schnitt die sich aus experimentellen Erfahrungen ergebendes. Änderungen über die Länge der Brennzone 6. Dabei sind in F i g. 6 auf der horizontalen Achse die Werte des Verhältnisses von / zu d abgetragen, wobei /der Abstand längs der Achse der Brennzone und dderen charakteristische Abmessung ist Es ist zu sehen, daß die axialen Komponenten der Geschwindigkeitsvektoren über einen beträchtlichen Teil der Brennzonenerstreckung klein bleiben, was bedeutet, daß die axiale Ausdehnung der Brennzone 6 klein ist

Die flammrohrnahen koaxialen Ringstrahlen 3 der Sekundärluft werden weiter stromabwärts in die Vermischungszone tO eingeleitet und bewirken dort eine weitere Temperaturherabsetzung der Verbrennungsprodukte und eine Kühlung der Bauteile der Brennkammer.

F i g. 7 zeigt schematisch eine praktische Ausbildung einer Ringbrennkammer, in der der betrachtete Verbrennungsvorgang verwirklicht wird. Der Ringraum der Brennzone 6 ist von den konzentrischen Flammrohrwänden 11,12 begrenzt zwischen denen der ringförmige Flammenhalter 4 angebracht ist In der zur Brennzone gewandten rückwärtigen Außenwand 13 des Flammenhalters 4- sind öffnungen 14 für die Zufuhr des Brennstoffs in die Brennzone 6 ausgefegt

Der Flammenhalter 4 bildet mit den F'lar unrohren ί 1,

12 konzentrische Ringkanäle 15, 16, in denen die Primärluft 1 zunächst Schaufelwirbler 17 bzw. 18 mit gegensinnigen Drallwinkeln des Luftstroms und danach Schlitzwirbler 19 bzw. 20 durchströmt, deren Verdrallungsrichtung der der vorangehenden Schaufelwirbler entspricht.

Der Schlitzwirbler 19 ist ein zylindrischer Hohlring mit tangential verlaufenden Schlitzen 2i (Fig.8). Die aus diesen austretenden Schlitzstrahlen bleiben zunächst aufgrund des Coandaeffekts an der der Brennzone 6 zugewandten zylindrischen Wand 22 bzw. Stirnwand 23 (F i g. 9) anliegen, so daß sie hier eine tangentiale Richtung haben. Die Schlitze 21 sind wie die Schaufein 24(Fig. 10) des Schaufelwirblers 17 orientiert; die Schlitze des analog aufgebauten Schlitzwirbiers 20 sind übereinstimmend mit den Schaufeln des Schaufelwirblers 18 orientiert
Die Zufuhr der Sekundärluft geschieht bei dieser Ausbildung durch Ringspalte 25, 26, die zwischen den Ringflammrohren 11 bzw. 12 und den Schaufelwirblern 17 bzw. 18 sowie den Schlitzwirblern 19 bzw. 20 der Primärluft gebildet sind.

Zum Flammenhaher 4 führen Brennstoffzuleitungsrohre 27. Eine Quertrennwand 28 im Flammenhalier 4 unterteilt dessen Innenraum in zwei Teile, von denen der erste Teil 29 zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs im Ringraum des Flammenhalters 4 und der zweite Teil 30 zur Kühlung von dessen Außenwand 13 dienen. Die Trennwand 28 besitzt öffnungen 31, deren Achsen nicht mit den Achsen der Öffnungen 14 zusammenfallen, wodurch eine sichere Kühlung der Außenwand 13 des Rammenhalters 4 gewährleistet wird (Fig. 11).

Ein Teil der öffnungen 31 kann aber auch gleichachsig mit einem Teil der öffnungen 14 in der Außenwand

13 ausgeführt werden, wobei dann die Brennstoffstrahlen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Reichweiten austreten, was die Stabilisierung des

W) Brennvorgangs bei geringen Belastungen verbessert.

Bei der in Fi g. 12 dargestellten Ausführungsvariante

der Brennkammer sind die Schlitzwirbler 19,20 in Form von konischen Hohlringen mit tangential verlaufenden Schlitzen in ihren der Brennzone 6 zugewandten koni-

(S sehen Wänden 32,33 ausgeführt

Fig. 13 zeigt eine Ausführungsvariante der Ringbrennkammer mit besonderen Elementen für die Zufuhr der Sekundärluft in Form von Schaufelwirblern 34, 35,

die in der Nähe der Primärluft-Schaufelwirbler 17 bzw. 18 in den Ringspalten 25 bzw. 26 angebracht sind und deren Durchgangsquerschnitt teilweise überdecken. Der Verdrallungswinkel des Schaufelwirblers 34 ist gleichsinnig mit dem des Schaufelwirblers 17. Ebenso ist der Verdrallungswinkel des Schaufelwirblers 35 gleichsinnig mit dem des Wirbiers 18.

Bei der in F i g. 14 dargestellten Ausführungsvariante der Ringbrennkammer ist der Durchgangsquerschnitt der Ringspalte 25, 26 durch die Sekundärluft-Schaufclwirbler 34 bzw. 35 vollständig überdeckt. Dabei ist die Verwirbelung des in die Brennkammer gelangenden Luftstronis verstärkt, wodurch sowohl die Brennstoffverbrennung als auch die Vermischung und die Kühlung der Brennkammerbauteile und der Flammrohre 11, 12 intensiviert werden.

Beim Betrieb der betrachteten Brennkammern wird der Luftstrom in den Ringkanälen 15, 16 in koaxiale Ringstrahlen 1, 2, 3 unterteilt. Die Primäriuit i wird zunächst durch die Schaufelwirbler 17, 18 und dann durch die Schlitzwirbler 19, 20 in tangentialer Richtung vcrdrallt. wobei die Verdrallung in den Kanälen 15 und 16 gegensinnig ist, und der Brennzonc 6 zugeführt wird. Die Strömungsrichtung der Primärluft 1 im Schaufelwirbler 17 und dem Schlitzwirbler 19 ist in F i g. 8,9 und 10 mit Pfeilen angedeutet.

Die Sekundärluft 2 gelangt durch die Ringspalte 25, 26 in die Brennzone 6, was eine Temperaturverminderung der Verbrennungsprodukte und eine Kühlung der Ringflammrohre 11,12bewirkt.

Der Brennstoff 9 gelangt über die Brennstoffzuleitungsrohre 27 in den Ringraum 29 des Flammenhalters 4 und wird durch die öffnungen 31 in der Trennwand 28 in Form von Strahlen auf die Innenfläche der Außenwand 13 des Flammenhalters 4 gespritzt, wobei er eine sichere Kühlung derselben gewährleistet. Danach gelangt der Brennstoff 5 durch die öffnungen 14 in der Außenwand 13 in die Brennzone 6.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Ringbrennkammer mit zwei konzentrischen Flammrohrwänden, einem zwischen diesen angeordneten und mit ihnen zwei konzentrische Ringkanäle bildenden, ringförmigen Flammenhalter mit Öffnungen für die Brennstoffzufuhr in dessen Außenwand, mit in jedem der Ringkanäle beiderseits des Flammenhalters angeordneten Elementen zur Zufuhr der Primärluft, die je einen Wirbler zur Verdrallung der Primärluft enthalten, und mit zwischen den Elementen zur Zufuhr der Primärluft und den konzentrischen Flammrohrwänden angeordneten Elementen zur Einführung mindestens eines Teils der Sekundärluft in die Brennzone, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbler beiderseits an den ringförmigen Flammenhalter (4) anschließende Schlitzwirbier (5; 19,20) mit tangential ausblasenden Schlitzen sisü, wobei die Schlitze (21) des äußeren Schlitzwirbiers (19) den Schlitzen (21) des inneren Schlitzwirblers (20) entgegengesetzt gerichtet sind.

2. Ringbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts von den Schlitzwirblern (19, 20) in dem äußeren und dem inneren der konzentrischen Ringkanäle (15,16) je ein Schaufelwirbler (17,18) angeordnet ist, wobei die Schaufeln (24) des äußeren Schaufelwirbiers (17) gleichsinnig zu den Schlitzen (21) des äußeren Schlitzwirblers (19) und die Schaufeln (24) des inneren Schaufelwirblers (18) gleicl finnig zu den Schlitzen (21) des inneren Schlitzwirblers (20) gerichtet sind.

3. Ringbrennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zur Einführung mindestens eines Teils der Sekundärluft in die Brennzone Ringspalte (25, 26) sind, in deren jedem ein mindestens einen Teil des Durchgangsquerschnitts überdeckender Schaufelwirbler (34,35) angeordnet ist, der der Luft einen Drall im gleichen Drehsinn erteilt, wie der im gleichen Ringkanal (15 bzw. 16) befindliche Schlitzwirbler (19 bzw. 20) für die Primärluft.