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Brennerdüse
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennerdüse und betrifft insbesondere
eine Brennerdüse mit einem vom Düsenstock abgestützten Düsenkopf, der eine Düsenscheibe
mit einer sich nach Art einer Venturi-Düse von außen nach innen konisch verengenden
und anschließend wieder erweiternden Bohrung abstützt, an deren Innenseite ein mit
der Dusenscheibe einen Wirbelraum begrenzender Wirbelkörper durch einen hohlen,
von der Innenseite her in den Düsenkopf einschraubbaren Brennstoffzuführungsstutzen
in Anlage haltbar ist, wobei dem Wirbelraum der Brennstoff durch seine Mittellängsachse
nichtschneidende Kanäle zuführbar ist.
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Ein technisch bisher nur unvollkommen gelöstes Problem der Ölfeuerungstechnik
ist die Miniaturisierung der bekannten Brennerkonstruktionen. Werden nämlich für
bestimmte Wärmeleistung optimal ausgelegte Brennerausführungen, die sich hinsichtlich
ihrer Verbrennungsgüte, die durch den
Grad der Annäherung des Kohlendioxyd-Gehaltes
der Abgase an die Verhältnisse bei stöchiometrischer Verbrennung gemessen wird,
bewährt haben, zur Erzielung geringerer Wärmeleistungen verkleinert, so ist es eine
bekannte Tatsache, daß dann die damit kleinere Wärmeleistung aufweisenden Brennerflammen
in zunehmendem Maße im Vergleich zu Brennerflammen größerer Wärmeleistung wesentlich
verschlechterte Verbrennungsgüte aufweisen. Als Ursache hierfür nimmt man die Proportionierung
der geometrischen Abmessungen der einzelnen Brennerbestandsteile zueinander an.
Vergleicht man nämlich Brenner verschiedener Wärmeleistungen miteinander, so stellt
man fest, daß zwar fast alle Brennerteile für geringere geforderte Leistung proportional
verkleinert sind, dies aber mit Ausnahme der Düse, die praktisch gleich bleibt.
Das hat zur Folge, daß der Brennerkopf mit der Brennerdüse bei kleineren Brennern
im Verhältnis zu den übrigen Teilen erheblich überproportioniert ist. Dadurch kommt
es zu im Vergleich zu Brennerausführungen größerer Wärmeleistung bei diesen bekannten
für geringere Wärmeleistung ausgelegten Brennerausführungen zu ungünstigen Strömungsverhältnissen
in der zugeführten Verbrennungsluft und den die Brennerflamme verlassenden Rauchgasen.
Die ungünstige Folge hiervon ist eine geringere Verbrennungsgüte, die sich darin
niederschlägt, daß es leichter zu Rußbildungen kommt, wenn in bestiml'ten Bereichen
der Brennzone nicht genügend Verbrennungsluft zur Verfügung steht, oder zu sogenannten
Crackerscheinungen, wenn aufgrund zu hohen Luftüberschusses die Flammentemperatur
unterhalb gewisser Werte liegt.
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Um hier Abhilfe zu schaffen, müßte man also diese Mißproportion zwischen
im Verhältnis zu großer Brennerdüse und den sonstigen Bauteilen des Brenners im
Bereich der Flammenbildung bei Brennerausführungen für geringe Wärmeleistung
beseitigen.
Hier sind aber bereits vom konstruktiven Aufbau her zwei wesentliche Grenzen gesetzt.
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Einmal nämlich muß darauf geachtet werden, daß bei der Anpassung einer
bekannten Brennerkonstruktion, die für eine bestimmte größere Wärmeleistung ausgelegt
ist, an eine geringere geforderte Wärme leistung genügend Einbauraum für die für
die Zündung und Brennstoffzerstäubung erforderlichen Aggregate verbleibt. Zum anderen
lassen sich die Wirbelkörper bekannter Brennerdüsen, die in Form eines durch spanabhebende
Bearbeitung erzielten Kegels mit Schrägschlitzen ausgebildet zu sein pflegen, nicht
ohne weiteres beliebig verkleinern, ganz abgesehen davon, daß durch Verkleinerung
der Abmessungen solcher ohnehin schon relativ teurer Wirbelkörper deren Anschaffungskosten
dadurch noch erheblich steigen würden.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, mit einfachen und
kostengünstigen Mitteln eine möglichst auch im Wege schneller und bequemer Nachrüstbarkeit
einsetzbare Möglichkeit zu schaffen, Brennerdüsen gattungsgemäßer Art so auszugestalten,
daß diese im Vergleich zu bekannten Düsenausführungen nicht nur mit erheblich kleineren
Abmessungen hergestellt werden können, sondern dies entgegen bisheriger Auffassung
der Fachwelt auch noch mit nicht nur guter Wirtschaftlichkeit, sondern selbst in
Fällen extrem kleiner Abmessungen sogar noch zu wesentlich geringeren Gestehungskosten,
als bekannte Brennerdüsenausführungen, die für größere Wärmeleistungen ausgelegt
sind, wobei die erfindungsgemäße Brennerdüse nicht nur eine in bisher nicht erreichbarem
Maße kompakte Kleinflamme mit hoher Kerntemperatur ermöglichen, sondern dabei auch
eine bisher für extrem kleine Wärmeleistungen von der Fachwelt nicht für möglich
gehaltene Verbrennungsgüte erbringen soll.
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Man könnte zur Lösung dieser Aufgabe in Erwägung ziehen, die für Einsatz
in Rückströmdüsen mit Düsennadeln bei Großbrennern an sich bereits bekannte Scheibenform
von Wirbelkörpern einzusetzen und über entsprechende die Mittellängsachse nichtschneidende,
zwischen Düsenscheibe und Wirbelkörper gebildete Kanäle, die wirbelraumseitig zwischen
der Mittellängsachse und der auslauffernen Randkontur des Wirbelraums in diesen
münden, den Brennstoff von der Peripherie des Wirbelkörpers her praktisch in einer
zur Mittellängsachse senkrechten Querebene dem Wirbelraum zuzuführen. Eine solche
Ausgestaltung würde zwar die Möglichkeit eröffnen, die lichten Querschnitte der
Brennstoffzuführungskanäle verhältnismäßig gering zu halten, insbesondere wenn diese
beispielsweise im Wege eines stirnseitigen Sägeanschnittes oder einer entsprechenden
Tiefätzung eingebracht werden. Es hat sich aber gezeigt, daß eine solche Ausführung
die Verbrennungsgüte nur bis zu einem gewissen Maße positiv zu beeinflussen verlag.
Einerseits nämlich kommt es bei zu hoher Verkleinerung des lichten, für Brennstoffströmung
zur Verfügung stehenden Querschnittes der Brennstoffzuführungskanäle zu einem zu
ungünstigen Längen-Querschnitts-Verhältnis derselben, wodurch insbesondere unter
Berücksichtigung der nicht unerheblichen Oberflächenspamlung der zuzuführenden Brennstoffe
Strömungswiderstandswerte bedingt werden, die für in üblichen Grenzen liegende Brennstoffzuführungsdrücke
so hohe Verluste an Strömungsenergie bedingen, daß es am Düsenausgang nicht mehr
zu einer ausreichenden Auffächerung mit entsprechendem Zerreißen und Zerplatzen
des austretenden Brennstoffstrahls in einzelne kleinere Tröpfchen kqent. Weiterhin
ist auch eine andere Quelle unnötigen Verzehrs von Strömungsenergie darin zu sehen,
daß jeder aus einem Zuführungskanal in den Wirbelraum austretende Brennstoffstrahl
unter einem Winkel gegen die Normale auf die auf seiner Höhe gelegene Stelle
der
gegenüberliegenden Wirbelraumwandung auftrifft und in dem entsprechenden Gegenwinkel
abprallt, wobei sich bis zum Erreichen einer möglichst geschlossenen Wandströmung
entlang der Wirbelraumwandung, die erst nahe der engsten Stelle der Düsenbohrung
aufzutreten pflegt, dieser Vorgang mehrfach wiederholt. Auch durch diese Aufprallerscheinungen
wird, abgesehen von den damit verbundenen Verschleißerscheinungen an der Oberfläche
der Wirbelraumwandung, welche mit zunehmender Betriebszeit die Strömungsverhältnisse
längs derselben immer ungünstiger beeinflussen, in erheblichem Maße Strömungsenergie
des Brennstoffes im Wirbelraum verzehrt, was sich in verminderter Ausströmungsgeschwindigkeit
ausdrückt.
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Ausgehend von der der Erfindung zugrundeliegenden Idee, daß im Zuge
der Brennstoffführung vom Brennstoffzuführungsstutzen bis zur Austrittsöffnung der
Düsenbohrung in der Düsenscheibe möglichst wenig Strömungsverluste auftreten sollten,
um nach Austritt des Brennstoffstrahls einen möglichst großen Strahlkegelwinkel
und eine möglichst geringe Größe der Brennstofftröpfchen in diesem Austrittsstrahl
bei möglichst steilem Maximum der Gauß'schen Verteilungskurve der Tröpfchengröße
im Bereich des gewünschten geringen Wertes zu erreichen, sieht die Erfindung vor,
daß bei einer Brennerdüse mit einem vom Düsenstock abgestützten Düsenkopf, der eine
Düsenscheibe mit einer sich nach Art einer Venturi-Düse von außen nach innen konisch
verengenden und anschließend wieder erweiternden Bohrung abstützt, an deren Innenseite
ein mit der Düsenscheibe einen Wirbelraum begrenzender Wirbelkörper durch einen
hohlen, von der Innenseite her in den Düsenkopf einschraubbaren Brennstoffzuführungsstutzen
in Anlage haltbar ist, wobei dem Wirbelraum der Brennstoff durch seine Mittellängsachse
nichtschneidende Kanäle zuführbar ist, der
Wirbelkörper als ebenes
Plättchen ausgebildet ist und mindestens zwei in gleichem Winkelabstand zueinander
um die Mittellängsachse verteilt angeordnete Zuführungskanäle für den Brennstoff
aufweist, mittels derer dieser dem Wirbelraum von dessen auslaufferner Seite her
jeweils praktisch in einer Tangentialebene an einen Punkt der auslauffernen Randkontur
des Wirbelraums zuführbar ist.
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Nach der Erfindung kommt es für die gewünschten guten Strömunsverältnise
wesentlich auf die Erzielung einer guten kreisenden, dabei aber die Wandungsoberfläche
des Wirbelraums möglichst gleichmäßig bedeckenden Schichtenströmung des Brennstoffes
ohne Stoßverluste oder Abreißen von der Wirbelraumwandung an, wobei die hohe Flammenkerntemperatur
auch bei kleiner und kompakter Brennerflamme durch die besondere Zerstäubungsgüte
im die Düsenbohrung verlassenden Brennstoffstrahl und dessen Kegelwinkel im Austrittsbereich
bestimmt wird. Und diese erfindungsgemäß erwünschten Strömungsverhältnisse werden
gemäß dem der Erfindung zugrunde-liegenden allgemeinen Erfindungsgedanken durch
bewußte Tangentialanströmung der Wirbelraumwandung in Richtung der Mittellängsachse
erreicht.
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Während bei reiner Tangentialanströmung der Wirbelraumwandung in Richtung
der Mittellängsachse zwar die Strömungsverhältnisse entlang der Wirbelraumwandung
im Vergleich zu bekannten Ausführungen eine enorme Verbesserung erfahren, dabei
aber ein Auftreffwinkel zur Wirbelraumwandung in merklicber Größe noch immer vorhanden
ist, selbst wenn dieser aufgrund der zur Mittellängsachse parallelen Richtung seines
wirbelraumwandungsfreien
Schenkels einen wesentlich geringeren
schädlichen Einfluß hat als ein entsprechender Auftreffwinkel mit zur Richtung der
Mittellängsachse quergerichtetem freiem Schenkel, läßt sich gemäß einer erfinderischen
Fortbildung hier eine weitere erhebliche Verbesserung erzielen, indem der Brennstoff
dem Wirbelraum jeweils praktisch in einer gegen die Mittellängsachse im gleichen
Sinne wie dessen Wandung geneigten Tangentialebene an einen Punkt der auslauffernen
Randkontur des Wirbelraums zuführbar ist. Optimale Verhältnisse ergeben sich dabei
dann, wenn der Brennstoff den Wirbelraum jeweils praktisch in einer im Bereich eines
Punktes der auslauffernen Randkontur desselben bezüglich der Mittellängs achse gleiche
Neigung wie die Wirbelraumwandung in diesem Punkt aufweisenden Tangentialebene an
diesen Punkt zuführbar ist. In diesem Falle nämlich erfolgt das Auftreffen des Brennstoffes
auf die seine Umlenkung bewirkende Wirbelrauinwandung praktisch stoßfrei Grundsätzlich
braucht der Wirbelraum keineswegs die Form eines durch Rotation einer geraden Linie
um die Mittellängsachse erzeugt gedachten Rotationskörpers, wie beispielsweise eines
Kegels, aufzuweisen, vielmehr kann er auch eine gekrümmte Wandungskontur, wie bei
einem durch Rotation einer gekrümmten Kurve um die Mittellängsachse erzeugt gedachten
Rotationskörper, aufweisen, jedoch hat sich aus Gründen einfacher und kostengünstiger
Herstellung der erstgenannte Fall als zu bevorzugen erwiesen. Bei einer solchen
Brennerdüse mit einem Wirbelraum mit konischer Wandungskontur ist es daher erfindungsgemäß
zu bevorzugen, wenn gemäß weiterer zweckmäßiger Fortbildung der Brennstoff dem Wirbelraum
jeweils praktisch in einer Tangentialebene an eine Mantellinie der Wirbelraumwandung
zuführbar ist. Es ist in diesem Zusammenhang hervorzuheben, daß hierdurch keineswegs
eine verwirbelungslose Durchströmung des Wirbelraumes entlang und parallel zu einer
Mantellinie der Wirbelraumwandung
bewirkt wird, sondern daß vielmehr
infolge der endlichen Breite des dem Wirbelraum zugeführten Brennstoffstrahls es
automatisch zu Verschneidungen der einzelnen Strömungslinien mit der Kontur der
Wirbelraumwandung mit entsprechenden Ab- und Umlenkungen der betreffenden Brennstoffteilchen
kommt. Um aber insbesondere für solche Strömungsverhältnisse gezielt eine bestimmte
Drallwirkung vorgeben zu können, kann gemäß einer weiteren erfinderischen Fortbildung
zweckmäßig vorgesehen sein, daß der Brennstoff dem Wirbelraum jeweils praktisch
mit einer zu einer zur Richtung der Mitteltängsachse senkrechten Tangente an einen
Punkt der auslauffernen Randkontur des Wirbelraums parallelen Geschwindigkeitskomponente
zuführbar ist. In einem solchen Fall wird die Drall- bzw. Rotationswirkung der Brennstoffströmung
entlang der Wirbelraumwandung nicht allein der Geometrie der Kontur der Wirbelraumwandung
und der Brennstoffanströmung überlassen, sondern zusätzlich auch noch direkter richtungsmäßiger
Einfluß auf die Brennstoff zuströmung in den Wirbelraum genommen.
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Gemäß einer anderen erfinderischen Fortbildung lassen sich nicht
nur die Strömungsverhältnisse im Wirbelraum noch weiter verbessern, sondern dabei
auch eine nicht unbeträchtliche Verringerung der Gestehungskosten erzielen.
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Die Lösung dieses untergeordneten Erfindungsgedankens kennzeichnet
sich dadurch, daß die Brennstoffzuführungskanäle jeweils als über ihrer gesamten
Länge zu einer mit der Mittellängsachse koaxialen Brennstoffzuführung des Brennstoff
zuführungsstutzens hin offene Schlitze ausgebildet sind, die sich auf ihrer der
Düsenscheibe zugewandten Seite über dem gesamten die auslaufferne Öffnung des Wirbelraums
überdeckenden Bereich ihrer Länge in diesen öffnen. Hierdurch wird in vorteilhafter
Weise eine schleierartig-flächige Anströmung der auslauffernen Öffnung des Wirbelraums
erzielt, die auch ohne zusätzliche drallsteigernde Maßnahmen zu einer
ausgeprägten
Rotationsströmung entlang der Wirbelraumwandung führt. Soll in einem solchen Fall
aber der Strömung im Interesse einer noch weiteren Vergrößerung des Strahlkegelwinkels
am Ausgang der Düsenbohrung in der Düsenscheibe ein vergrößerter Drall und damit
eine flachere Zuströmung zur engsten Stelle der Düsenbohrung vermittelt werden,
so können für diesen Fall mit Brennstoffzuführung zum Wirbelraum mit einer zu einer
zur Richtung der Mittellängsachse senkrechten Tangente an einen Punkt der auslauffernen
Randkontur desselben parallelen Geschwindigkeitskomponente die BrennstoffzuführungSkanäle
jeweils eine ihren die auslaufferne Öffnung des Wirbelraums überdeckenden Bereich
zur Peripherie des Wirbelkörpers hin übersteigende Länge aufweisen, wobei jeweils
ihr außerhalb der auslauffernen Öffnung des Wirbelraums gelegener Längenbereich
sich gleichfalls zu der mit der Mittellängsachse koaxialen Brennstoffzuführung des
Brennstoffzuführungsstutzens hin öffnet, zur Seite der Düsenscheibe hin jedoch durch
diese verschlossen gehalten ist. Somit wird-durch eine höchst einfache Naßnahme,
nämlich die bloße Verlängerung der Zuströmungsschlitze im den Wirbelkörper bildenden
Plättchen in Richtung von dessen Peripherie, der an sich im wesentlichen in Richtung
der Mittellängsachse verlaufenden Brennstoff strömung unabhängig von einer etwa
orgesehenen Neigung gegenüber der Mittellängsachse eine zu der durch diese Neigung
gebildeten Querkomponente praktisch senkrechte Drallkomponente aufgeprägt.
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Völlig überraschende Verbesserungen der Strömungsverhältnisse im Wirbelraum
ergeben sich im übrigen ferner durch eine ganz gezielte Beeinflussung der Größe
der Zuströmgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Ort der Zuführung des Brennstoffes
zum Wirbelraum. Wenngleich es zwar für die grundsätzliche Wirkungsweise der Erfindung
ohne Belang ist,
mit welcher Geschwindigkeitsverteilung über dem
Ort bzw.
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Abstand zur Mittellängsachse der Brennstoff dem Wirbelraum zugeführt
wird, sofern die Anströmung nur im wesentlichen tangential an einen Punkt seiner
auslauffernen Randkontur mit oder ohne Neigung gegen die Mittellängsachse in Richtung
derselben und/oder Einführung einer quer zur Mittellängsachse gerichteten Drallkomponente
erfolgt, kann eine höchst ungewöhnliche, weil normalen Strömungsverhältnissen zuwiderlaufende
Beeinflussung der örtlichen Geschwindigkeitsverteilung des dem Wirbelraum zuströmenden
Brennstoffs nicht erwartete Erfolge erbringen. Hierfür wird gemäß einem die Erf
ladung zweckmäßig weiterbildenden untergeordneten Erfindungsgedanken vorgesehen,
daß der Brennstoff dem Wirbelraum jeweils praktisch mit mit abnehmendem Abstand
zur Mittellängsachse steigender Geschwindigkeit zuführbar ist. Für diese MaP»nahme
bietet nämlich erstmals die Erfindung die Voraussetzung, indem nämlich erstmalig
bei dieser der Tangentialpunkt auf oder nahe der auslauffernen Randkontur des Wirbelraums
zum mittellängsachsennächsten Punkt der Brennstoffanströmung gen acht werden kann,
wobei dann gerade hier als dem Tangentialauftreffbereich der Wirbelraumwandung die
größte GeschwindigLeit erwunscht ist. Höchst einfach kann dieses Ziel in weiterer
vorteilhafter Fortbildung dadurch erreicht werden, daß die Brennstoffzuführungskanäle
jeweils als sich zu ihrem üdungspunkt im Bereich der auslauffernen Pandkontur des
Wirbelraums hin düseneinlaufartig verengende Schlitze ausgebildet sind.
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Als zu bevorzugen hat sich hierfür erwiesen, wenn die die Brennstoffzuführungskanäle
bildenden Schlitze jeweils durch eine nach Art eines mit seiner der kürzesten Seite
gegenüberliegenden Ecke im Bereich der auslauffernen Randkontur des Wirbelraums
gelegenen Dreiecks um eine der längeren Dreiecksseiten aus der Ebene des den Wirbelkörper
bildenden Plättchens herausgebogene Materialfahne gebildet sind.
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Dabei kann zweckmäßig die Materialfahne um die der Mittellängsachse
näher gelegene Dreieckseite in Richtung vom Wirbelraum weg hochgebogen sein. Diese
Ausführungsform erbringt gerade im mittellängsachsnächsten Eckbereich der Zündung
des Brennstoffzuführungsschlitzes in den Wirbelraum eine extrem dünnschichtige Zuströmung
des Brennstoffes praktisch tangential zur Wirbelraumwanduiig mit entsprechend hoher
Strömungsgeschwindigkeit optimaler Geschwindigkeitsrichtung.
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Andererseits kalm es beispielsweise für besonders schwere beziehungsweise
höherviskose Brennstoffe zweckmäßig sein, wenn gemäß einer alternativen Lösung die
die Brennstoffzuführungskanäle bildenden Schlitze jeweils durch eine nach Art eines
mit seiner kürzesten Seite im Bereich der auslauffernen Randkontur des Wirbelraums
gelegenen Trapezes um eine seiner längeren, zu dieser kürzesten Seite hin konvergierenden
Seiten aus der Ebene des den Wirbelkörper bildenden Plättchens herausgebogene Materialfahne
gebildet sind. Dabei kann zweckmäßig die Materialfahne um die der Mittellängsachse
näher gelegene, zur kürzesten Trapezseite hin konvergierende Trapezseite in Richtung
vom Wirbelraum weg hochgebogen sein. Diese Ausführulgsform der Erfindung ermöglicht
im inneren Eckbereich die praktisch tangentiale Zuströmung einer der kürzesten Seite
der Trapezkontur der hochgebogenen Materialfahne des Wirbelkörperplättchens beziehungsweise
deren Projektionslänge auf die Querebene der auslauffernen Randkontur des Wirbelraums
entsprechenden Schichtdicke des Brennstoffs in diesem wirbelraumwandungsnahen Bereich.
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In weiterer zweckmäßiger Fortbildung kann ferner das den Wirbelkörper
bildende Plättchen im Bereich seiner Peripherie mindestens zwei in gleichem Winkelabstand
zueinander um die Mittellängsachse verteilt angeordnete, in Richtung der wirbelkörperseitigen
Stirnfläche des Brennstoffzuführungsstutzens wegstehende und mit dieser Stirnfläche
des Brennstoffzuführungsstutzens in Anlage befindliche Vorsprünge aufweisen.
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Hierdurch wird eine einfache Möglichkeit der Zentrierung des Wirbelkörpers
unter Übertragung der Andrückkraft vom Brennstoffzuführungsstutzen auf das Wirbelkörperplättchen
und von diesem auf die Düsenscheibe ermöglicht, die dadurch gegen einen entsprechenden
Anschlag des sie aufnehmenden Düsenkopfes gedrückt wird. Eine fertigungstechnisch
besonde einfache und daher hervorragend kostengünstige Verwirklichung dieser Ausführung
ergibt sich dann, wenn die Vorsprünge des den Wirbelkörper bildenden Plättchens
jeweils als in Richtung des Brennstoffzuführungsstutzens aus der Ebene des Plättchens
hochgebogene Randfahnen ausgebildet sind, die jeweils zum Eingriff in eine entsprechende
Ausnehmung in der wirbelkörperseitigen Stirnfläche des Brennstoffzuführungsstutzens
bringbar sind.
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Es ist erkennbar, daß die Erfindung erstmalig die Möglichkeit bietet,
auch bei für geringe Wärmeleistungen konzipierten Brennerausführungen unter Vermeidung
kostenintensiver spanabhebender Bearbeitung die angestrebten Vorteile zu erzielen,
indem einfach das den Wirbelkörper bildende Plättchen als Blechstanzteil ausgeführt
wird.
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In manchen Bällen kann es sich als zweckmäßig erweisen, wenn die w-rbelkörperseitige
Stirnfläche des Brennstoffzuführungsstutzens eine Erweiterung von dessen mit der
Mittellängsachse koaxialer Brennstoffzuführung auf den Außendurchmesser des den
Wirbelkörper bildenden Plättchens aufweist.Hierdurch lassen sich nämlich bevorzugt
günstige Zentrierungsverhältnisse schaffen.
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Weiterhin hat es sich als fertigungstechnisch zu bevorzugen erwiesen,
wenn gemäß anderer zweckmäßiger Fortbildung der Erfindung der Wirbelraum durch eine
konische Aufweitung des
wirbelkörperseitigen Endes der Düsenbohrung
der Düsenscheibe gebildet ist. Weiterhin kann mit Vorzug das wirbelraumseitige Ende
der Düsenbohrung der Düsenscheibe sich von deren engster Stelle in Form zweier aufeinandergesetzter
Konen erweitern. Auch hierdurch läßt sich die Fertigung der erfindungsgemäßen Brennerdüse
weiter rationalisieren.
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Zur Verbesserung der Leckagedichtheit der einzelnen miteinander zu
verbindenden Bauteile der erfindungsgemäßen Brennerdüse, und zwar insbesondere der
Verbindung des Brennstoffzuführungsstutzens mit dem Brennerkopf, kann zweckmäßig
ferner auf der Mantelfläche des wirbelkammerseitigen Endendes Brennstoffzuführungsstutzens
mindestens eine mit der Aufnahrnebohrung des Düsenkopfes eine Labyrintdichtung bildende
Ringnut vorgesehen sein. Durch eine solche Labyrina ichtung wird der anstehende
Förderdruck, mit welchem der Brennstoff durch den Wirbelkörper und den sich anschließenden
Wirbelraun sowie die Düsenbohrung in der Düsenscheibe hindurchzuzwingen ist, auf
einfache und kostengünstige Weise über gezielte Aufbringung entsprechend hoher Strömungsverluste
so aufgezehrt, daß es nicht zu einer unerwünschten Brennstoffströmung längs der
Mantelfläche des wirbel:örperseitigen Endes des BrenlSt0ffzuführungsstutzells kormt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele,
die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind, rein beispielsweise näher erläutert.
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Dabei zeigen: Fig. 1 einen Azialschnitt durch eine Brennerdüse nach
der Erfindung längs Linie I-I gemäß Fig. 2, Fig. 2 einen Querschnitt längs Linie
II-II gemäß Fig. 1 und
Fig. 3 bis 6 in vergrößertem Maßstab jeweils
schematische Darstellungen der Anströmsituation der auslauffernen Randkontur des
Wirbelraums, wie diese sich bei unterschiedlicher Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Wirbelkörpers ergibt.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist in dem Düsenstock 1 der erfindungsgemäßen
Brennerdüse mittels des Außengewindes 5 der Düsenkopf 2 der Brennerdüse eingeschraubt,
der zur Erleichterung der Montage und Demontage im Anschluß an sein Außengewinde
5 einen für den Angriff eines entsprechenden Werkzuges, beispielsweise eines Maulschlüssels,
geeigneten Mehrkant 3 beispielsweise in Form eines Vierkants oder Sechskants aufweist
und sich auf seiner dem Außengewinde 5 abgewandten Seite etwa kegelstumpfförmig
zuspitzt. Koaxial zur Mittellängsachse weist der Düsenkopf 2 eine nicht näher bezeichnete,
jedoch dargestellte Durchgangsbohrung auf, die im Bereich der kegelstumpfförmigen
Zuspitzung der Außen kontur eine stufenförmige Einengung 6 und am gegenüberliegenden
Ende einen Bereich mit Innengewinde 4 besitzt. Die stufenförmige Einengung 6 dient
als Abstützungsanschlag für eine Düsenscheibe 7 mit einer Axialbohrung, die sich
in einem Ausströmbereich 8 von außen nach innen konisch bis zu einer engsten Stelle
verengt, von wo sie sich dann nach Art einer Venturi-Düse wieder erweitert. Ein
dem Ausströmbereich 8 gegenüberliegender Endbereich des Düsenbohrungsbereiches 9
weist dabei zur Bildung eines Wirbelraums lo eine konische Aufweitung auf. Die Herstellung
der Düsenscheibe 7 einschließlich Einbringung der Düsenbohrung 8, 9 mit Wirbelraum
1o
gestaltet sich somit deswegen besonders einfach und kostensparend,
weil sich der einströmseitige Bereich der Düsenbohrung von deren engster Stelle
in Form zweier aufeinandergesetzter Konen erweitert.
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Gegen die nach innen gerichtete Stirnfläche der Düsenscheibe 7 liegt
ein den Wirbelkörper bildendes im wesentlichen ebenes flaches Plättchen 11 satt
an und wird durch das vordere Ende des mittels des Innengewindes 4 in den Brennerkopf
2 eingeschraubten Brennstoffzuführungsstutzens 17 unter Andruck an der Düsenscheibe
7 und diese gleichzeitig in Anlage an dem Anschlag 6 des Düsenkopfes 2 gehalten.
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Zum Zwecke der Zentrierung und der Einleitung der Andrückkraft weist
das im übrigen kreisrunde Plättchen 11 in gleichem WiSLelabstand zueinander um die
Mittellängsachse a verteilt angeordnete Vorsprünge 15 auf. Mit diesen Vorsprüngen,
die im übrigen bevorzugt als aus der Materialebene des Plättchens 11 herausgebogene
Randfahnen ausgebilcet sein können, greift das Plättchen 11 in entsprechende Ausnehr.ungen
16 in der wirbelkörperseitigen Stirnfläche 17a des Brennstoffzuführungsstutzens
17 ein. Durch Einschrauben desselben in das Innengewinde 4 des Brennerkopfes 2 wird
somit über diese Vorsprünge beziehungsweise Randf ahnen 15 des Wirbelkörpers 11
die entsprechende Andruckkraft aufgebracht und in gleichmäßiger Verteilung über
dem Umfang des Wirbelkörpers 11 weitergeleitet.
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In den Figuren 3 bis 6 sind rein schematisch verschiedene Möglichkeiten
für die Ausbildung von Brennstoff zuführungskanälen in dem den Wirbelkörper nach
der Erfindung bildenden Plättchen 11 dargestellt, wobei die Schnittführung durch
den die Düsenbohrung 8,9 und den Wirbelraum 1o enthaltenden Bereich der Düsenscheibe
7 und durch das Wirbelkörperplättchen 11 so getroffen-ist, daß die Blickrichtung
etwa in Richtung der Längsausdehnung der Brennstoffzuführungskanäle 12 liegt. Diese
Brennstoffzuführungskanäle 12
im Wirbelkörper 11 öffnen sich jeweils
in Richtung der Mittellängsachse a zu einem zentralen Brennstoffzuführungsraum 19
im Brennstoffzuführungsstutzen 17 hin, wie das die Fig. 3 bis 6 erkennen lassen.
Wie aus Fig. 2 zu entnehmen, sind mindestens zwei, vorzugsweise aber mehr und beim
dar-Gestellten Ausführungsbeispiel drei solcher Brennstoffzuführungslfanäle 12 in
gleichem Winkelabstand zueinander um die Mittellängsachse a verteilt so angeordnet,
daß sie aus Richtung der Peripherie des Wirbelkörperplättchens 11 mit sich verringerndem
Abstand zur Mittellängsachse a zum Zentrum des Wirbelkörperplättchens 11 " verlaufen,
und zwar dies derart, daß sie mit ihrem mittellängsachsennahen Bereich nahe einem
Punkt der auslauffernen Randkontur des Wirbelraums 1o in diesen münden.
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In Fig. 3 ist zu erkennen, daß die als die Mittellängsachse a nichtschneidende
Schlitze ausgebildeten Brennstoffzufünrurloskanäle 12 durch vollständiges Heraustrennen
entsprechender Vaterialbereiche aus dem Wirbelkörperplättchen 11 erstellt sind.
Sie verlaufen etwa senkrecht zur Zeichenebene aus Richtung der Peripherie des Wirbelkörperplättchens
11 kommend bis in einen Bereich nahe einem Punkt der im Auslaufbereich 8 der Düsenbohrung
abgewandten Randkontur des Wirbel-!au3--ls 10, wie das auch Fig. 2 erkennen läßt.
Dabei können sie ois zum radialnächsten Punkt oder aber auch noch um ein bestimmtes
Naß über diesen hinaus verlaufen. Randseitig munden diese Brennstoffzuführungsschlitze
12 nicht in die Peripherie des Wirbelkörperplättchens 11. Ihre Länge ist so bemessen,
daß sie über dem gesamten von ihnen überdeckten Bereich der auslauffernen Öffnung
des Wirbelraums 1o zur BrennstoffzufWnrung 19 des Brennstoffzuführungsstutzens 17
hin offen sind, wobei ihre Länge bevorzugt aber auch so vergrößert werden kann,
daß sie mit Öffnung zu diesem Brennstoffzuführungsraum 19 hin auch noch über die
Begrenzungskontur desselben hinwegstehen, wie das in Fig. 2 angedeutet ist,
dabei
aber der entsprechende Überstandbereich in Richtung Düsenscheibe 7 von deren Stirnfläche
verschlossen wird.
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Die Folge einer solchen Ausführung für die Anströmverhältnisse des
Brennstoffs bei seinem Eintritt in den Wirbelraum 1o sind die, daß sich eine etwa
schleierartige Zuströmung des Brennstoffes in Richtung der Mittellängsachse a durch
die betreffenden Schlitze 12 hindurch ergibt, die im Bereich der auslauffernen Randkontur
des Wirbelraums 1o auf dessen Wandung auftrifft und dort entsprechend umgelenkt
wird, wobei bereits-durch die Wahl der Breite des Schlitzes 12 und des Maßes, mit
welchem dieser die auslaufferne Öffnung des Wirbelraums 1o überdeckt, Einfluß auf
die Drallverhältnisse der nunmehr im wesentlichen entlang der Oberfläche der Wirbelraumwandung
spiralisch rotierenden Brennstoffschichten genommen werden kann. Weisen die Schlitze
12 jeweils ein Überstandsmaß ihrer Länge über die maximale Randkontur des Wirbelraums
1o hinweg auf, das in Richtung Düsenscheibe 7 durch diese verschlossen, jedoch von
der Seite der Bennstoffzuführung 19 des Brennstoffzufuhrungsstutzens 17 her anströmbar
ist, so kommt es zu einer zusätzlichen Querkomponente der Schlitzstromung in Richtung
der Länge des jeweiligen Schlitzes 12, was in Fig. 3 einer Strömungskomponente senkrecht
zur Zeichenebene entsprechen würde.
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In jedem Fall jedoch erfolgt die Anströmung des Wirbelraums lo im
wesentlichen tangential zu einem Punkt seiner auslauffernen Randkontur. Hierdurch
werden durch AuftreffstöGe bedingte Strömungsverluste weitgehend vermieden, welche
zu Querströmungen durch das Innere des Wirbelraums 1o führen und das ruhige spiralige
Kreisen der Brennstoffschichtenströmung mit steigender Geschwindigkeitskomponente
zur Verengungsstelle der Düsenbohrung 8, 9 hin stören würden.
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In Fig. 4 ist dargestellt, daß hier die betreffenden Brennstoffzuführungsschlitze
12 im Wirbelkörperplättchen 11
nicht, wie in Fig. 3, durch vollständige
schlitzförmige Materialausnehmungen gebildet sind, sondern dadurch, daß vorbestimmte
Materialbereiche des Wirbelkörperplättchens 11 fahnenartig aus dessen Ebene heraus
hochgebogen sind. Diese Fahnen 13 sind, wie in Fig. 4 für eine derselben dargestellt,
in zur Richtung der Mittellängsachse a parallele Richtung hochgebogen und weisen
eine Randkontur auf, welche entweder der eines mit seiner der kürzesten Seite gegenüberliegenden
Ecke im Bereich der auslauffernen Randkontur des Wirbelraums gelegenen Dreiecks,
das um eine der längeren Dreieckseiten aus der Ebene des &en Wirbelkörper bildenden
Plättchens 11 herausgebogen ist, oder aber einem mit seiner kürzesten Seite im Bereich
derauslauffernen Randkontur des Wirbelraums gelegenen Trapez, das um eine seiner
längeren, zu dieser kürzesten Seite hin konvergierenden Seiten aus der Ebene des
den Wirbelkörper bildenden Plättchens 11herausgebogen ist, entspricht. Diese Konturgebung
ist in Fig. 4 dargestellt, indem nämlich die sich in Längsrichtung des Schlitzes
12 verbreiternde Kontur derdiesen bildenden hochgebogenen Fahne 13 oberhalb des
geschnittenen Bereichs derselben gezeigt ist. Die in dieser Weise hochgebogenen
Fahnen 13 dienen als eine Art Strömungsleitbleche, durch welche die tangentiale
Brennstoffanströmung zum Wirbelraum 1o im Bereich vor Eintritt des Brennstoffs in
die Zuführungsschlitze 12 eine gewisse Ausrichtung erfährt. Durch die zur Peripherie
des Wirbelkörperplättchens 11 hin sich erweiternde Breite der Schlitze 12 kommt
es wiederum zu einer seitlichen Strömungskomponenselen Richtung senkrecht zur Zeichenebene.
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In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel erfindungsgemäßer Beeinflussung
der Anströmverhältnisse im Tangentialbereich des Wirbelraums 10 gezeigt. Hier entspricht
die Ausbildung der Zuführungsschlitze 12 und der sie bildenden hochgebogenen Fahnen
13 im wesentlichen der Ausführung gemäß
Fig. 4, dies jedoch mit
der Ausnahme, daß diese Fahnen 13 nicht so aus der Ebene des Wirbelkörperplättchens
11 herausgebogen sind, daß sie eine zur Mittellängsachse a parallele Ausrichtung
haben, sondern unter einem Winkel cc gegenüber der geneigten Wirbelraumwandung und
damit mit einer Neigung p gegenüber der Mittellängsachse a geneigt stehen.
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Die Folge hiervon ist eine erheblich günstigere Anströmung des Tangentialbereichs
der auslauffernen Randkontur des Wirbelraums 1o, indem nämlich die Strömung unter
einem wesentlich spitzeren Winkel und damit mit erheblich geringeren StoPJverlustenÆan
die Wandungskontur des Wirbelraums 1o herangeführt wird.
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In Fig. 6 sind diese Verhältnisse noch weiter vervoll-!Lomnnet, indem
nämlich hier die Fahnen 13 jeweils mit solcher Neigung zur Mittellängsachse a stehen,
die der Neigung ß der Mantellinien der Wirbelraumwandung entspricht.
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Damit erfolgt hier die Zuströrr.ung des Brennstoffs zum Wirbelraum
1o tatsächlich auch tangential zur Wandungskontur des Wirbelraums 1o und damit optimal
stoßverlustfrei.
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Wie bereits geschildert, kann durch geeignete Längenbemessung der
Brennstoffzuführungsschlitze 12 der Schlitzströmung jeweils eine Querkomponente
in einer zur Mittellängsachse a senkrechten Querebene aufgeprägt werden, die sich
strömungsmäßig als etwa zum mittelachsnächsten Punkt des jeweiligen Zuführungsschlitzes
12 gerichtete Komponente auswirkt.
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In Fig. 2 ist strich-punktiert die maximale Randkontur des Wirbelraums
gem. Fig. 1 und gestrichelt der Durchmesser der zentralen Brennstoffzuführung 19
des Brennstoffzuführungsstutzens 17 angedeutet. An sich würde es ausreichen, wenn
die Länge der aus der Ebene des Wirbelörperplättchens 11 herausgebogenen Fahnen
13 und korrespondierend auch der
dadurch gebildeten Schlitze 12
bis etwa zur Verschneidung mit der Kreiskontur der Brennstoffzuführung 19 begrenzt
wäre, um jedoch eine besonders starke Querkomponente in der ansonsten in allen Richtungen
so gut wie nur irgend möglich tangentialen Schlitzströmung zu erreichen, kann -
wie gezeigt - die Fahnen- und Schlitzlänge auch größer gewählt sein. in einem solchen
Falle muß dann aber, wie das auch in Fig. 1 dargestellt ist, eine stirnseitige Brennstoffzuführungskammer
19a in Form einer Aufweitung des Durchmessers der Brennstoffzuführung 19 des Brennstoffzuführungsstutzens
17 vorgesehen sein. In diese hinein kommunizieren dann die Schlitze 12 des Wirbelkörperplättchens
11 auf ihrer ganzen Länge, wobei der außerhalb der Wirbelraum-Randkontur gelegene
Längenbereich jeweils von der wirbelkörperseitigen Stirnfläche des Düsenkörpers
7 zu diesem hin abgedeckt ist.
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Die günstige Folge einer solchen bevorzugten Ausbildung der Lennstoffzuführung
zum Wirbelraum 1o ist eine etwa in eier ssngentianeDene zu einer Mantellinie der
kegeligen Wirbelraul-.landung mit steigung zu dieser Mantellinie resultierende Strömungsrichtung,
so daß in jedem Falle die Zuströmung des Brennstoffes zum Wirbelraum 1o optimal
tarAgential erfolgt. Der in dieser Tangentialebene gemessene NeigunÕswiniel dieser
Strömungsresultierenden gegenüber der diese Tangentialebene bestimmenden Mantellinie
wird seinerseits durch die Größe der Querkomponente der Strömung bestimmt.
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Die aus der Ebene des Wirbelkörperplättchens 11 herausgebogenen wahnen
13 haben bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 5 und 6 aber auch noch eine andere
Funktion. Sie bilden nämlich eine etwa zum mittelachsnächsten Punkt der Zuführungsschlitze
12 hin sich zuspitzende tütenförmige
Uberdachung desselben, die
eine Beeinflussung der Zuströmung des Brennstoffes nach Art eines Düseneinlaufs
mit sich bringt. Während vorstehend zweckmäßige Beeinflussungen der Strömungsrichtung
bzw. der Richtung einzelner Geschwindigkeitskomponenten erläutert wurden, handelt
es sich hier um eine für die Strömungsverhältnisse im Wirbelraum 1o in noch wesentlich
gesteigertem Maße vorteilhafte Beeinflussung der Größe der Geschwindigkeit in ihrer
örtlichen Verteilung. Durch diese düseneinlaufartige Beeinflussung der Brennstoffzuströmung
kommt es nämlich zu einer Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit, å e kürzer der Abstand
zur Mittellängsachse a wird. Die höchste Strömungsgeschwindigkeit erreicht die Schlitz
strömung dann im mittelachsnächsten Punkt, und dies ist gerade der Punkt, wo die
Strömung praktisch tangential an die Wirbelraumwandung herangeführt wird. Durch
diese auf diese Weise überraschend einfach bewirkte Steigerung der Geschwindigkeit
der Querkomponente der Schlitz strömung mit abnehmendem adialabstand zur Mittellängsachse
a wird also gerade dort die höchste GeschwindigLeit,laufgebracht, wo diese am meisten
benötigt wird, nämlich im Bereich der Anströmung der Wirbelraum;sandung, wodurch
es zu einer im wesentlichen fehlstellenlosen Schichtenströmung entlang der Wirbelrauinwandung
kommt, bei welcher der Brennstoff mit steigender spiraliger Rotation in den Zulaufraum
9 der Düsenbohrung 8, 9 der Düsenscheibe 1?' hineinströmt und diese durch ihren
Ausströmbereich 8 mit besonders guter Tendenz zu einem breiten Kegelwinkel des Sprühstrahls
und einem guten Zerreißen der rotierten Breunstoffschicht in einzelne Brennstofftröpfchen
besonders geringer Tröpfchengröße mit optimaler Gauß'scher Tröpfchengrößenverteilung
verläßt.
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Es ist ersichtlich, daß die Erfindung die Möglichkeit für höchst rationelle
Fertigung des WirbelRörperplättchens 11 mit allen seinen für Fixierung und Strömungsbeeinflussung
erforderlichen Einzelheiten bietet, indem nämlich dieses Plättchen zweckmäßig als
Blechstanzteil ausgeführt werden kann, welches mit einem einzigen Stanzschlag in
allen seinen Einzelheiten fertiggestellt werden kann. Dabei kann mit höchst einfachen
Mitteln eine Anpassung an die gewünschte Beeinflussung der Strömungsverhältnisse
durch das Maß der Abbiegung der Materialfahnen 13 und die Art der Konturgebung derselben
vorgenommen werden.
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Im übrigen braucht die Halterung und Fixierung des Wirbelkörperplättchens
11 und der Düsenscheibe 7 nicht in der Weise vorgenommen zu werden, wie in Fig.
1 dargestellt.
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Beispielsweise kann auf die peripheren Vorsprünge bzw.
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Randf ahnen 15 verzichtet und stattdessen eine Zentrierung längs des
gesamten Umfangs des Wirbelkörperplättchens 11 dadurch vorgenoFJmen werden, daß
dieses satt in einer entsprechend auf diesen Durchmesser vergrößerten Aufweitung
19a des Stirnendes der Brennstoffzuführung 19 des Brennstoffzuführungsstutzens 17
zur Anlage kommt und dabei die Druckwirkung über die wirbelkörperseitige Stirnfläche
17a des Brennstoffzuführungsstutzens 17 aufgebracht wird.
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Um Brennstoffleckagen durch randseitige Abströmung zumindest wesentlich
zu erschweren, können, wie in Fig. 1 dargestellt, auf dem wirbelkörperseitigen Endbereich
der Mantelkontur des Brennstoffzuführungsstutzens 17 Ringnuten 18 vorgesehen sein,
welche als Labyrintdichtungen dienen. Im übrigen ist das in den Düsenstock eingeschraubte
Stirnende des Düsenkopfes durch eine Ringdichtung 14 gegen Leckage abgedichtet.
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Die Brennstoffzuführung zur Zentralbohrung 19 im Brennstoffzuführungsstutzen
17, der an seinem wirbelkörperfernen Ende im übrigen einen Schlitz 22 für ein geeignetes
Werkzeug für sein Einschrauben in das Innengewinde 4 des Düsenkopfes 2, wie beispielsweise
ein tchraubenzieher, aufweist, erfolgt über zwei Querbohrungen 20, die durch ein
feihmaschiges zylindrisches Siebfilter gegen Eintritt von Verunreinigungen geschützt
sind.
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Es ist erkennbar, daß durch die Erfindung die die verbrennungsgünstigen
Eigenschaften einer Brennerflamme geringer Wärmeleistung bestimmenden Bauteile der
Brennerdüse, nämlich insbesondere der Wirbelkörper und die Düsenscheibe, in überraschend
einfacher und wirtschaftlicher Weise miniaturisiert werden können, und zwar dies
außerdem auch noch unten @wesentlicher Verbesserung der Strömungseigenschaften im
Wirbelraum, die auch eine noch weitere Steigerung der Verbrennungsfreudigkeit des
die Brennerdüse verlassenden Brennstofftröpfchen-Kontinuums mit sich bringt.
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Es ist er?ennbar, aaß die Erfindung nicht auf die dalgestellten und
erluterten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, dem fachmann vieler vielfältige
Nöglichkeiten offenstehen, durch andere l-ombination ihrer Merkmale oder deren Austausch
gegen gleichwertige mittel die Erfindung an die jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten
und die Erfordernisse des einzelnen Einsatzfalles anzupassen, ohne dadurch den Rahmen
der Erfindung zu verlassen.
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