DE29921929U1

DE29921929U1 - Flächenbrenner

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Publication number: DE29921929U1
Application number: DE29921929U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2009-12-15

Description

PALGEN, SCHUMACHER <%:KL$rN.·.._:;, * ;" '·:

DÜSSELDORF ESSEN PATENTANWÄLTE

unser zeichen. 99 818 G/at D üsscidorf .den 14. Dezember 1999

Dipl.-Ing. Wolfgang Engelhardt
Oberkasseler Straße 64
D - 40545 Düsseldorf

Dipl.-Ing. Josef Reif

Neusser Gasse 51

D - 50259 Pulheim

F1ächenbrenner

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der dem Oberbegriff des Anspruchs !,entsprechenden Art.

Brenner der in Rede stehenden Art zur Erwärmung großer Luftmengen werden beispielsweise in Testständen von Luftstrahltriebwerken eingesetzt. Sie dienen dort zum Erwärmen der von den Triebwerken verbrauchten Luft. In diesen Testständen werden die Luftstrahltriebwerke u.a. unter unterschiedlichsten klimatischen Bedingungen auf ihre Zuverlässigkeit und ihre Schuberzeugung getestet. Die Triebwerke müssen auch bei hohen Umgebungstemperaturen (bis ca. 60⁰C) noch ausreichenden Schub liefern, so daß sie zum Beispiel in den Tropen oder anderen heißen Gegenden der Welt eingesetzt werden können.

Moderne Düsentriebwerke verbrauchen im Betrieb enorm große Mengen Luft, so daß die geeignete Zuführung der benötigten Mengen unter den gegebenen klimatischen Bedingungen in den Testständen besonders schwierig ist, insbesondere bei extrem warmen Temperaturen. Eine weitere Schwierigkeit besteht in der gleichmäßigen Wärmeverteilung der das Triebwerk umgebenden Luft zur Simulation entsprechend real herrschender Bedingungen.

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POSTBANK KÖLN (BLZ 370 100 50) 115 211 - 504

Gewöhnlich wird zur Bereitstellung der benötigten großen Menge erwärmter Luft eine Vorrichtung bestehend aus einer Vielzahl von einzelnen Brennern eingesetzt (Flächenbrenner) . Die Luft strömt von Ventilatoren angetrieben an diesen Brennern vorbei und wird dabei auf die gewünschte Temperatur erwärmt. Um die benötigte Leistung zu erbringen, werden eine Vielzahl, oft mehrere hundert einzelne Brenner eingesetzt. Dies erfordert einen hohen technischen Aufwand zur Regelung des Luft:Gas Verhältnisses an jedem einzelnen Brenner, da diese gewöhnlich Verhältnisse von 1:3 erfordern. Ferner muß die Flammentemperatur mittels des Luft:Gas Verhältnisses an die Strömungsgeschwindigkeit (Verbrauch durch das Triebwerk) und gewünschte Temperatur (Testbedingungen) der Luft angepaßt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Flächenbrenner bereitzustellen, der trotz Vermeidung oder mindestens Verminderung der genannten Probleme in der Lage ist, die benötigte Luftmenge in einfacher Weise zu erwärmen.

Diese Aufgabe wird durch einen Flächenbrenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Ein gewöhnlicher Flächenbrenner wird also durch die Ausgestaltung der einzelnen Brenner als die zu ihrem Betrieb erforderliche Verbrennungsluft selbst ansaugend in seinem Aufbau und der Regelung vereinfacht. Normalerweise wird bei den herkömmlichen Flächenbrennern die Luftzufuhr der Brenner entsprechend der zugeführten Menge Gas und der gewünschten Flammentemperatur gesondert geregelt. So ist ein Luft:Gas Verhältnis von 1:3 üblich, um ein Ausgehen der einzelnen Brenner zu verhindern. Bei einem erfindungsgemäßen Brenner erstickt die Flamme auch bei einem Luft:Gas Verhältnis von 1:15 nicht. Die Brenner benötigen daher keine Regelung der Luftzufuhr, sondern saugen diese aus der Umgebung an.

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Zusätzlich sind die Lufteinlässe derart dimensioniert und angeordnet, daß die Brenner durch die angesaugte Verbrennungsluft ausreichend gekühlt werden (Anspruch 2). Somit kann eine sonst häufig notwendige gesondere Kühlung der Brenner trotz einer hohen Flammentemperatur von ca. 1000⁰C entfallen. Ferner sind aufgrund der guten Kühlung keine speziellen Anforderungen an die Herstellung und an das Material der Brenner zu stellen. So können die Brenner zum Beispiel anstelle von V2A Stahl aus vernickeltem Messing hergestellt werden.

Weiterhin wird der Betrieb eines erfindungsgemäßen Flächenbrenners durch die Verbindung der Brennkammern der einzelnen Brenner untereinander innerhalb einer Reihe vereinfacht. So ist pro Reihe zum Beispiel nur ein Zündmechanismus nötig, da nach Zündung des ersten Brenners dessen Flamme über die miteinander zu kommunizierenden Brennkammern an alle anderen Brenner weitergereicht wird und diese somit angezündet werden. Bei Erlöschen eines Brenners wird dieser immer wieder von den benachbarten Brennern angezündet, wodurch eine komplizierte Überwachung der einzelnen Brenner verbunden mit einem jeweiligen Zündmechanismus unnötig wird. Vorzugsweise sind die Brennkammern über rohrförmige Verbindungselemente verbunden.

Weiterhin umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners einen Kranz von in die Brennkammer einschraubbaren, radial angeordneten Düsen, die über eine gemeinsame kreisförmige Ausnehmung mit der Brennkammer verbunden sind. Durch die Strömung des Luftgasgemisches wird an einer Kante des Düsenkranzes ein Unterdruck erzeugt und die Düsen saugen über die kreisförmige Ausnehmung aus der Brennkammer Luftgasgemisch an, wodurch die Strömungsverhältnisse vergleichmäßigt, eine Verwirbelung bewirkt und eine Nachverbrennung ermöglicht

wird, wodurch der Wirkungsgrad bzw. die Flammentemperatur des Brenners gesteigert wird.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flächenbrenners ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Triebwerkteststandes;

Fig. 2 eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels eines

erfindungsgemäßen Flächenbrenners;

Fig. 3 eine Seitenansicht desselben Flächenbrenners;

Fig. 4 eine Draufsicht miteinander kommunizierender

Brenner eines erfindungsgemäßen Flächenbrenners, teilweise im Schnitt entlang der Mittellängsachse;

Fig. 5 eine Stirnansicht eines erfindungsgemäßen Brenners in Richtung des Pfeils S in Fig. 4 und

Fig. 6 einen Brenner aus Fig. 4 im Detail.

In Fig. 1 ist schematisch ein Triebwerksteststand dargestellt, bei dem das zu testende Triebwerk T mittels einer Halterung H in dem jeweiligen Raum aufgehängt ist. Dieser Raum weist an einer Stirnseite einen Flächenbrenner 100 auf, der über entsprechende Lufteintrittsöffnungen in der Wand mit zu erwärmender Luft versorgt wird. Das Triebwerk erzeugt durch seinen Vorwärtsschub einen Luftstrom L. Die vom Triebwerk benötigte Luft saugt es entsprechend des Pfeiles L von der Seite des Raumes, an dem sich der Flächenbrenner 100 befindet, an. Dieser nur schematisch dargestellte Flächenbrenner weist eine Vielzahl von einzelnen Brennern 25 auf, die über eine Brennstoffversorgungslex-

tung 50 mit Brennstoff versorgt werden und gleichzeitig an dem Gerüst 30 befestigt sind. Die zu erwärmende Luft strömt von einem oder mehreren Ventilatoren (in Fig. 1 nicht gezeigt) angetrieben an den einzelnen Brennern 25 des Flächenbrenners 100 vorbei und wird dort auf die für den jeweiligen Triebwerkstyp und die entsprechenden Testbedingungen erforderliche Temperatur erwärmt. Die Strömungsgeschwindigkeit beträgt beispielsweise 2 bis 25 m/sec.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Flächenbrenner im Detail in einer Frontansicht dargestellt. Gut zu erkennen ist der Aufbau mittels eines Gerüstes 30, das aus vertikalen Gerüststreben 1 und Querstreben 2 besteht. Zur Versteifung der Gerüstkonstruktion weist diese zusätzliche Diagonalstreben 4 (siehe Fig. 3) auf. Die jeweiligen vertikalen Gerüststreben 1 verfügen über einen Standfuß F und können über einen Flansch 6 zur schnellen Demontage zerlegt werden. An den Querstreben 2 befinden sich jeweils zwei Kranösen 3, mittels derer die einzelnen Segmente von einem, in dem Triebwerksstand angebrachten Kran verlagerbar sind. Im hinteren Teil des Gerüsts befinden sich vier Ventilatoren V zur Versorgung des Teststandes mit Luft. Die Ventilatoren V werden nicht zur Versorgung der Brenner benötigt. Wie in Fig. 3 in der Seitenansicht besser zu erkennen ist, ruhen die Ventilatoren V jeweils über die Halterungen 5 auf den Ventilatorplattformen 8, die jeweils zwischen zwei Horizontalstreben 2 9 (siehe Fig. 3) liegen.

Wie sowohl aus Fig. 2 als auch aus Fig. 3 hervorgeht, sind vor der vordersten vertikalen Gerüststrebe 1 sieben waagerechte, sich über die gesamte Breite des Gerüstes erstreckende Brennstoffversorgungsleitungen 50 angebracht. In diesen sind direkt eine Vielzahl von in einer Reihe nebeneinander parallelen einzelnen Brennern 25 eingeschraubt. Die Brennstoffversorgungsleitungen 50 werden

jeweils über Brennstoffhauptzuleitungen 7 versorgt, die jeweils über zwei Ventile 9 und 10 mit den einzelnen Brennstoffversorgungsleitungen 50 verbunden sind. Der Druck des Brennstoffes an den einzelnen Brennern wird nur zentral über die Ventile 9 und 10 bzw. über die Hauptleitungen 7 geregelt. Die einzelnen Brenner selber besitzen keine gesonderte Brennstoff- oder Luftregelung.

Die Brennkammern 14 der einzelnen benachbarten Brenner 25 sind, wie aus Fig. 4 hervorgeht, mittels Verbindungselementen 11 verbunden. Durch diese Kommunikation der benachbarten Brenner untereinander ist es möglich, jede Reihe von Brennern 25, die von einer Brennstoffversorgungsleitung 50 versorgt werden, mit nur einer einzigen Zündvorrichtung zu versehen. Diese zündet zum Beispiel einen rechts außen liegenden Brenner 25 an. Dessen Flamme wird nun über den Druck des ausströmenden Gases in dem benachbarten Brenner über das Verbindungselement von der kommunizierenden Brennkammer 14 angesaugt und entzündet somit diesen benachbarten Brenner. Dieser Vorgang wiederholt sich entsprechend, bis alle Brenner entzündet sind. Durch diese Anordnung wird eine Überwachung des Betriebes jedes einzelnen Brenners 25 unnötig, da es unwahrscheinlich ist, daß alle Brenner einer Reihe auf einmal ausgehen und ein einzelner Brenner immer wieder von den benachbarten Brennern entzündet wird.

Die Brennstoffzufuhr wird also für jede Reihe von Brennern 25 zentral geregelt. Diese Regelung findet in Abhängigkeit von der gewünschten Lufttemperatur und der Leistung bzw. des Schubs des Triebwerkes statt. Dies ist notwendig, da die Flammentemperatur der Brenner entsprechend höher sein muß, wenn größere Luftmengen entsprechend einem größeren Triebwerksschub, also einer größeren Menge verbrauchter Luft benötigt wird.

Weiterhin sind die einzelnen waagerechten Reihen der Brenner 25 mit einem nach unten kleiner werdenden Abstand angeordnet. Daher wird ein Ausgleich der nach oben steigenden Wärme und somit eine gleichmäßige Verteilung der warmen Luft über den gesamten Raum erreicht.

Die für die Erwärmung verantwortlichen einzelnen Brenner 25 weisen einen rotationssymmetrischen Mantel 24 auf, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist. Von diesem steht ein Ansatz 13 hervor, der ein Gewinde 33 aufweist, mittels dessen der Brenner in die Versorgungsleitung 50 eingeschraubt wird. Mittig in diesem Ansatz 13 entlang der Mittellängsachse R befindet sich der Gaseinlaß 22, der über eine Düse 23 in die Kammer 31 mündet. Somit gelangt der Brennstoff aus der Versorgungsleitung 50 über den Gaseinlaß 22, der Düse 23 und der Kammer 31 in die Brennkammer 14. In der Kammer 31 wird durch den Brennstoffstrom über vier Lufteinlässe 12 angesaugte Luft mit dem Brennstoff vermischt. Der Brenner 25 saugt sich also die benötigte Menge Luft immer selber an. Die Ventilatoren V dienen nur zur Versorgung des Triebwerks im Teststand. Die Mittelpunkte der einen kreisrunden Querschnitt aufweisenden Lufteinlässe 12 sind regelmäßig auf einem Kreis, der konzentrisch zum ebenfalls im Querschnitt kreisrunden Gaseinlaß 22 verläuft, angeordnet. Dabei sind die Lufteinlässe 12 derart dimensioniert, daß die angesaugte Verbrennungsluft die Brenner 25 ausreichend kühlt. Somit werden keine besonderen Anforderungen an das Material der Brenner 25 gestellt. Diese können beispielsweise aus vernickeltem Messing hergestellt werden.

Wie oben erwähnt, sind die Brennkammern 14 benachbarter Brenner 25 miteinander über rohrförmige Verbindungselemente 11 verbunden.
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Dazu sind in der Brennkammer 14 jeweils zwei gegenüberliegende, radiale Öffnungen 32 eingelassen, in die die Verbindungselemente 11 münden bzw. eingeschoben sind.

In jeweils einer der Öffnungen 32 befindet sich eine Bohrung 15 mit Gewinde zum Eindrehen einer Feststellschraube zur Halterung des Verbindungselements 11. Die Verbindungselemente werden also abwechselnd jeweils nur von einem der benachbarten Brenner gehalten.

Das Luft/Brennstoffgemisch strömt, gemäß dem Pfeil L in Fig. 6, in die Brennkammer 14, wo es verbrannt wird. In der Brennkammer 14 ist ein Düsenkranz 17 an dem Gewinde 21 eingeschraubt. Dieser Kranz weist eine Vielzahl von radialen Düsen 16 auf, die über den Raum 20 und der kreisförmigen Ausnehmung 19 mit der Brennkammer 14 in Verbindung stehen. Zur Abdichtung des Gewindes 21 befindet sich in der Ausnehmung 27 eine Ringdichtung 28. In der zur Brennkammer hin gewandten Stirnseite weist der Düsenkranz 17 Bohrungen 18 zum Angriff eines Schraubwerkzeugs auf. Somit kann der Kranz zum Beispiel zu Reinigungszwecken entfernt werden.

Im folgenden sollen kurz die Strömungsverhältnisse in einem Brenner erläutert werden.

Strömt nun das Luft/Brennstoffgemisch an der Kante 26 des Düsenkranzes 17 vorbei in die Brennkammer 14, so wird an dieser Kante 26 ein Unterdruck erzeugt, wodurch über die Ausnehmung 19 aus der Brennkammer 14 Luft/Brennstoffgemisch angesaugt wird. Dieses gelangt über die Düsen 16 wiederum im Sinne des Pfeiles L in das vorbeiströmende Luft/Brennstoffgemisch und wiederum in die Brennkammer 14. Somit wird eine zweistufige Verbrennung erreicht.

• ·

BEZUGSZEICHENLISTE

1	vertikale Geruststrebe	100	Flächenbrenner
2	Querstrebe
3	Kranöse	L	Luftstrom
4	Diagonalstrebe	V	Ventilator
5	Ventilatorhalterung	T	Triebwerk
6	Flansch	H	Halterung
7	Brennstoff-Hauptzuleitung	F	Standfuß
8	Ventilator-Plattform	R	Mittellängsachse
9	Ventil	S	Stirnseite eines
10	Ventil		Brenners
11	Verbindungselement
12	Lufteinlaß
13	Ansatz
14	Brennkammer
15	Bohrung Feststellschraube
16	Düse
17	einschraubbarer Düsenkranz
18	Bohrung zum Angriff eines Schraubwerkzeugs
19	Ausnehmung
20	Raum
21	Gewinde
22	Gaseinlaß
23	Gasdüse
24	Mantel
25	Einzelbrenner
26	Kante
27	Ausnehmung
28	Dichtung
29	Horizontalstreben
30	Gerüst
31	Kammer
32	Öffnung
33	Gewinde
50	Brennstoff-Versorgungsleitung

Claims

1. Flächenbrenner (100) zum Erwärmen großer Mengen Luft, insbesondere für Triebwerksteststände, mit einer Vielzahl von auf einem Gerüst (30) gleichzeitig betreibbaren, einzelnen Brennern (25) und mit mindestens einem vor den Brennern (25) angeordneten Ventilationsmittel (V) zum Versorgen der Brenner (25) mit der zu erwärmenden Luft, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Brenner (25) die zu ihrem Betrieb erforderliche Verbrennungsluft selber durch mindestens zwei, vorzugsweise vier in der Rückwand der Brenner ausgefrästen Bohrungen (12) in dem Maß anzusaugen, daß eine gesonderte, geregelte Luftzufuhr an die Brenner (25) unnötig ist.

2. Flächenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (12) derart dimensioniert und angeordnet sind, daß die Verbrennungsluft die Brenner (25) ausreichend kühlt.

3. Flächenbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte der einen kreisrunden Querschnitt aufweisenden Bohrungen (12) der einzelnen Brenner (25) regelmäßig auf einem Kreis, der konzentrisch zum ebenfalls im Querschnitt kreisrunden Gaseinlaß (22) verläuft, angeordnet sind.

4. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammern (14) einer Mehrzahl von Brennern (25) miteinander kommunizieren.

5. Flächenbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammern (14) benachbarter Brenner (25) über rohrförmige Verbindungselemente (11) miteinander verbunden sind.

6. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner (25) im Inneren der Brennkammer (14) einen Kranz (17) von Düsen (16) aufweisen, die mit der Brennkammer (14) verbunden sind.

7. Flächenbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen über eine gemeinsame kreisförmige, rotationssymmetrische Ausnehmung (19) und einen Raum (20) mit der Brennkammer verbunden sind.

8. Flächenbrenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kranz (17) demontierbar ist.

9. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kranz (17) mittels eines Gewindes (21) in die Brennkammer (14) einschraubbar ist.

10. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kranz (17) mit einer Kante (26) zur Unterdruckerzeugung versehen ist.

11. Flächenbrenner nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (16) radial angeordnet sind.

12. Flächenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner (25) in mehreren beabstandeten parallel in einer Ebene liegenden Reihen angeordnet sind.

13. Flächenbrenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand benachbarter Reihen in Bodennähe geringer als fern des Bodens ist.