EP0036643A1 - Durch Umgebungsluft gekühltes Abgasrohr zur Begrenzung der ortungswirksamen infrarotstrahlung - Google Patents
Durch Umgebungsluft gekühltes Abgasrohr zur Begrenzung der ortungswirksamen infrarotstrahlung Download PDFInfo
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- EP0036643A1 EP0036643A1 EP81102106A EP81102106A EP0036643A1 EP 0036643 A1 EP0036643 A1 EP 0036643A1 EP 81102106 A EP81102106 A EP 81102106A EP 81102106 A EP81102106 A EP 81102106A EP 0036643 A1 EP0036643 A1 EP 0036643A1
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- exhaust pipe
- jacket part
- exhaust
- ejector
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
- F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features
- F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
- F01N13/082—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of tailpipe, e.g. with means for mixing air with exhaust for exhaust cooling, dilution or evacuation
Definitions
- the invention relates to an exhaust pipe cooled by ambient air, in particular ship's chimney, exhaust pipe from tanks, helicopters or the like, for removing hot exhaust gases from drive machines, in particular engines, turbines and the like. the like
- This infrared location in particular ship chimneys, can easily be made out, because the free ends of the exhaust pipes used there assume a considerable temperature, for example in the order of 400 to 500 ° C. These temperatures are sometimes exceeded in unfavorable wind directions, that is, when the direction of travel of the ship and the wind direction are so unfavorable to one another that the exhaust gas flow in the exhaust pipe to one side towards the wall in the outlet area is pressed. This is especially true when a ship's chimney is exposed to strong cross winds.
- the chimney In the case of ship chimneys, the chimney is usually clad.
- the cladding extends around the chimney and up to a certain height relative to the free end of the exhaust pipe. This cladding, however, significantly deteriorates the cooling of the actual exhaust pipe due to ambient air. Such a ship can therefore still be located from a missile at a certain angle.
- the exhaust pipes In the case of tanks and helicopters, the exhaust pipes are uncovered in the ambient air, so that cooling occurs here. On the other hand, there is therefore the danger that the exhaust pipe itself becomes hot and is freely accessible for localization over a greater length.
- ejectors e.g. as a water jet pump, steam jet pump u. Like., used. Ejectors use the momentum of the escaping liquids or gases to suck in and carry away liquids or gases from the environment.
- Known ejectors use primary jets with high blow-out speeds. Area ratios of the order of five or more are used. The area ratio is understood to mean the ratio of the exit area of the primary and secondary jet to the exit area of the primary jet.
- the invention has for its object the temperature of the exhaust pipe of the type described in the Endbe to reduce rich significantly, so that the infrared location no longer responds or is at least very difficult. If possible, no additional energy should be used to lower the temperature.
- this is achieved in that the exhaust pipe is surrounded in the region of its free end and beyond in the outflow direction by a jacket part which forms an ejector for admixing cool ambient air with the end of the exhaust pipe, and in that the jacket part has a larger diameter at all points than the exhaust pipe.
- the jacket part of the ejector can be easily constructed and designed so that this mixing zone also does not reach the boundary layer on the inner wall of the jacket part.
- the jacket part therefore remains cool.
- the ambient air sucked in cools the free end of the jacket part to a temperature which is below 100 ° C. No additional drive is required for this; the diffuser effect of the ejector even saves energy.
- the reason for this is that pressure recovery takes place.
- gas turbine efficiencies are heavily dependent on this back pressure, which is composed of the pressure loss in the exhaust pipes and the exhaust outlet.
- the use of the ejector also eliminates the need to use additional fans. This also saves weight and drive energy.
- the jacket part of the ejector is designed so that the cool ambient air (secondary air) can flow in with as little loss as possible.
- the inlet of the ejector formed between the end region of the exhaust pipe and the jacket part can have a widening cross section in the opposite direction to the inlet of the ambient air to be mixed. In principle, however, a cylindrical cross section is also possible. However, the expansion proves to be favorable in terms of flow technology. It should also be borne in mind that the mixing zone between the core jet of the primary jet and the secondary jet widens conically.
- the jacket part is thus to be designed to widen in such a way that the hot exhaust gases of the core flow against the jacket part are avoided.
- the area ratio of the jacket part to the exhaust pipe should be at least 1.5. Despite this small area ratio, a large amount of secondary air is sucked in and effective cooling is thus achieved in the end region of the jacket part.
- Another jacket part can be connected downstream of the jacket part, the two jacket parts forming a second ejector.
- This system is expandable. With this measure, on the one hand, the temperature in the edge areas is further reduced and, on the other hand, the viewing angle from above is reduced.
- a ring line for the supply of sealing air conveyed under pressure can be provided in a jacket part, which is blown out via an annular nozzle to the inner wall of the jacket part.
- This sealing air is used to lower the wall temperature at the exposed part of the jacket.
- a blower is required to provide the sealing air, but the quantities to be conveyed here are relatively small.
- the ring nozzle can also be divided into individual areas which, depending on the wind direction, are used solely for blowing out the sealing air in order to carry out this measure as effectively as possible.
- the invention cannot only be used in the military field.
- the arrangement of an ejector can also reduce the risk of sooting in a free-standing chimney.
- the ejector prevents the S0 2 and C0 2 -containing gases from crawling down the outer part of the chimney wall on the lee side of the chimney. Since condensation takes place on the jacket part of the ejector, care must be taken to ensure that the condensate is there in some way can be dissipated. This measure also improves the chimney draft.
- the hot exhaust gases are released into the environment according to arrow 2.
- the free end 3 is surrounded by a jacket part 4, which is designed here as a continuously expanding double cone.
- the jacket part 4 has an inlet 5, which engages around the free end 3 of the exhaust pipe 1, so that an ejector is formed in this way, which sucks in and entrains the ambient air according to the pillars 6 between the outer diameter of the exhaust pipe 1 and the inlet 5.
- the core jet 7 maintains the temperature of the exhaust gases according to arrow 2.
- the ambient air according to arrow 6 forms a boundary layer on the inner wall 8 of the casing part 4.
- a ring extends between the two, which is referred to as the mixing zone 9 and in which a mixing temperature of the hot exhaust gases and the ambient air is established.
- the shape of the jacket part 4 is chosen so that neither the core jet 7 nor the mixing zone 9 can contact the inner wall 8 of the jacket part 4. In this way it is ensured that the jacket part 4, in particular at its free end 10, which is most at risk, assumes a temperature which is in any case below 100 ° C. This means that infrared location at a certain viewing angle is no longer possible if the free end 3 of the exhaust pipe 1 is not visible.
- a cylindrical jacket part 4 ' is provided.
- the geometric relationships of the inner diameter D of the casing part 4 ', the inner diameter d of the exhaust pipe 1 and the protruding length L of the casing part 4' are matched to one another.
- the area ratio results from is approximately 1.5 to 5 for ship chimneys of a given type. For reasons of space, ship chimneys are often forced to choose this area ratio small.
- the axial length L 1 - 5 D should be selected.
- FIG. 3 builds on that of FIG. 2 and additionally shows the arrangement of a sealing air blow-out.
- the jacket part 4 ' is provided with a ring line 11, which is supplied via a connection 12 according to arrow 13 from a compressed air source.
- the sealing air is blown out either over the entire circumference or with the aid of divided nozzle segments only over part of the circumference depending on the wind direction according to the pillars 14.
- This creates an additional boundary layer in the region of the particularly endangered free end 10 of the jacket part 4 '.
- this has the disadvantage that weight and drive energy have to be expended for the fan.
- the sealing air outlet can also be selected if the outer diameter of the chimney cannot be chosen to be particularly large for other reasons.
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein durch Umgebungsluft gekühltes Abgasrohr, insbesondere Schiffsschornstein, Auspuffrohr von Panzern, Hubschraubern od. dgl., zur Abfuhr von heißen Abgasen von Antriebsmaschinen, insbesondere Motoren, Turbinen u. dgl.
- Beim Betrieb von Antriebsmaschinen entstehen notwendigerweise heiße Abgase, die durch ein Abgasrohr an die Umgebung abgegeben werden müssen. Diese heißen Abgase heizen dabei auch das Abgasrohr selbst auf. Da derartige Abgasrohre in der Regel aus Metall bestehen, nehmen auch die freien Endbereiche der Abgasrohre, die an sich von der Umgebungsluft gekühlt werden, eine beachtliche Temperatur an. Zusätzlich läßt es sich nicht vermeiden, daß von den Antriebsmaschinen her Ruß- und Verkoklungsteilchen mit dem Abgas abgeführt werden, die sich an Ecken und Kanten, auch im Bereich des freien Endes des Abgasrohres an der Wandung ansetzen und dort nachglühen. Im militärischen Bereich ist es bekannt, die Infrarotortung von solchen heißen Stellen an Abgasrohren dazu einsetzen, um die betreffenden Objekte zu erkennen und zu orten. Durch diese Infrarotortung, insbesondere Schiffsschornsteine, leicht ausgemacht werden, weil die freien Enden der dort verwendeten Abgasrohre eine beachtliche Temperatur, etwa in der Größenordnung von 400 bis 500°C annehmen. Diese Temperaturen werden teilweise bei ungünstigen Windrichtungen noch überschritten, also wenn die Fahrtrichtung des Schiffes und die Windrichtung so ungünstig zueinanderliegen, daß die Abgasströmung im Abgasrohr nach einer Seite hin an die Wandung im Austrittsbereich angedrückt wird. Dies kommt insbesondere dann vor, wenn ein Schiffsschornstein starkem Querwind ausgesetzt ist.
- Bei Schiffsstornsteinen wird üblicherweise eine Verkleidung des Schornsteines durchgeführt. Die Verkleidung erstreckt sich um den Schornstein herum und bis in eine gewisse Höhe relativ zum freien Ende des Abgasrohres. Durch diese Verkleidung wird aber die Kühlung des eigentlichen Abgasrohres infolge Umgebungsluft wesentlichverschlechtert. Unter einem bestimmten Einblickswinkel ist daher ein solches Schiff.von einem Flugkörper immer noch zu orten. Bei Panzern und Hubschraubern liegen die Auspuffrohre ohne Ummantelung in der Umgebungsluft, so daß hier eine Kühlung eintritt. Andererseits besteht aber demit die Gefahr, daß das Abgasrohr selbst heiß wird und auf einer größeren Länge für die Ortung frei zugänglich ist.
- In der Technik werden in vielfältigen Bereichen Ejektoren, z.B. als Wasserstrahlpumpe, Dampfstrahlpumpe u. dgl., eingesetzt. Ejektoren nutzen den Impuls der austretenden Flüssigkeiten oder Gase, um aus der Umgebung Flüssigkeit oder Gase anzusaugen und mitzureißen. Bekannte Ejektoren verwenden Primärstrahlen mit hohen Ausblasegeschwindigkeiten. Dabei finden Flächenverhältnisse in der Größenordnung von fünf oder mehr Anwendung. Unter dem Flächenverhältnis wird das Verhältnis der Austrittsfläche von Primär- und Sekundärstrahl zur Austrittsfläche des Primärstrahles verstanden.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperatur des Abgasrohres der eingangs beschriebenen Art im Endbereich wesentlich herabzusetzen, so daß die Infrarotortung nicht mehr anspricht oder zumindest stark erschwert ist. Dabei soll nach Möglichkeit für die Herabsetzung der Temperatur keine zusätzliche Energie aufgewendet werden müssen.
- Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Abgasrohr im Bereich seines freien Endes sowie darüber hinaus in Ausströmrichtung von einem Mantelteil umgeben ist, der mit dem Ende des Abgasrohres einen Ejektor zum Zumischen von kühler Umgebungsluft bildet, und daß der Mantelteil an allen Stellen einen größeren Durchmesser als das Abgasrohr aufweist. Damit wird erstmalig auch in diesem Bereich der Technik ein Ejektor eingesetzt, der jedoch hier zur Lösung der speziellen gestellten Aufgabe dient. Zur Zumischung der Umgebungsluft wird keine zusätzliche Antriebsenergie benötigt. Die kühle Umgebungsluft ummantelt gleichsam die heißen Abgase, wobei selbstverständlich nach dem Ende des Abgasrohres ringförmig eine Mischungszone zwischen den heißen Abgasen und der kühlen Umgebungsluft auftritt. Der Mantelteil des Ejektors läßt sich ohne weiteres so konstruieren und auslegen, daß auch diese Mischzone die Grenzschicht an der Innenwandung des Mantelteiles nicht erreicht. Der Mantelteil bleibt also kühl. Dabei wird durch die angesaugte Umgebungsluft das freie Ende des Mantelteils auf eine Temperatur gekühlt, die unter 100°C liegt. Hierfür ist keinerlei Zusatzantrieb erforderlich; es wird durch die Diffusorwirkung des Ejektors sogar noch Energie eingespart. Dies hat seine Ursache darin, daß eine Druckrückgewinnung stattfindet. Mit Hilfe des Ejektors findet eine Verminderung des Gegendruckes für die Antriebsmaschine statt. Insbesondere Gasturbinenwirkungsgrade sind stark abhängig von diesem Gegendruck, der sich aus dem Druckverlust der Abgasleitungen und des Abgasaustrittes zusammensetzt. Durch die Anwendung eines Ejektors wird somit gleichzeitig der Turbinenwirkungsgrad verbessert. Durch den Einsatz des Ejektors erübrigt sich auch die etwaige Verwendung von zusätzlichen Gebläsen. Damit wird auch Gewicht eingespart sowie Antriebsenergie. Das Mantelteil des Ejektors wird so ausgebildet, daß die kühle Umgebungsluft (Sekundärluft) möglichst verlustfrei zuströmen kann.
- Der zwischen dem Endbereich des Abgasrohres und dem Mantelteil gebildete Einlauf des Ejektors kann entgegen der Einlaufrichtung der zuzumischenden Umgebungsluft ein sich erweiternden Querschnitt aufweisen. Grundsätzlich ist aber auch ein zylindrischer Querschnitt möglich. Die Erweiterung erweist sich jedoch in strömungstechnischer Hinsicht als günstig. Außerdem ist zu berücksichtigen, daß sich die Mischzone zwischen dem Kernstrahl des Primärstrahles und des Sekundärstrahles kegelförmig erweitert. Damit ist der Mantelteil derart sich erweiternd auszubilden, daß eine Anlage der heißen Abgase der Kernströmung an den Mantelteil vermieden wird.
- Das Flächenverhältnis des Mantelteils zum Abgasrohr sollte mindestens 1,5 betragen. Trotz dieses kleinen Flächenverhältnisses wird eine große Menge Sekundärluft angesaugt und somit eine wirksame Kühlung im Endbereich des Mantelteils erzielt.
- Dem Mantelteil kann ein weiterer Mantelteil nachgeschaltet sein, wobei die beiden Mantelteile einen zweiten Ejektor bilden. Dieses System ist erweiterungsfähig. Mit dieser Maßnahme wird einerseits die Temperatur in den Randbereichen noch weiter herabgesetzt und andererseits der Einblickwinkel von oben verkleinert.
- Zusätzlich kann in einem Mantelteil eine Ringleitung für die Zufuhr von unter Druck geförderter Sperrluft vorgesehen sein, die über eine Ringdüse an die Innenwandung des Mantelteils ausgeblasen wird. Diese Sperrluftausblasung dient zur Absenkung der Wandtemperatur an dem gefährdeten freien Teil des Mantelteils. Für die Bereitstellung der Sperrluft ist ein Gebläse erforderlich, allerdings sind die hier zu fördernden Mengen relativ gering. Die Ringdüse kann auch in einzelne Bereiche unterteilt sein, die je nach Windrichtung allein zum Ausblasen der Sperrluft benutzt werden, um diese Maßnahme möglichst wirksam durchzuführen.
- Die Erfindung läßt sich nicht nur im militärischen Bereich anwenden. Die Anordnung eines Ejektors kann auch bei einem freistehenden Gebäudeschornstein die Versottungsgefahr vermindern. Im Falle der Queranblasung eines freistehenden - oder Gebäudeschornsteins wird durch den Ejektor verhindert, daß die S02- und C02-haltigen Abgase an der Lee-Seite des Schornsteins längs des äußeren Teils der Schornsteinwand herunterkriechen. Da eine Kondensation an dem Mantelteil des Ejektors stattfindet, muß dafür gesorgt sein, daß das Kondensat auf irgendeine Weise dort abgeführt werden kann. Außerdem wird durch diese Maßnahme der Schornsteinzug verbessert.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden weiter beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Abgasrohres mit Ejektor,
- Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Abgasrohres mit Ejektor und
- Fig. 3 eine Ausführungsform des Ejektors mit zusätzlicher Sperrluftausblasung.
- Durch das Abgasrohr 1, von dem nur der Endbereich dargestellt ist, werden gemäß Pfeil 2 die.heißen Abgase in die Umgebung abgegeben. Das freie Ende 3 ist von einem Mantelteil 4 umgeben, der hier als sich unstetig erweiternder Doppelkegel ausgebildet ist. Der Mantelteil 4 besitzt einen Einlauf 5, der das freie Ende 3 des Abgasrohres 1 umgreift, so daß auf diese Weise ein Ejektor gebildet ist, der zwischen dem äußeren Durchmesser des Abgasrohres 1 und dem Einlauf 5 die Umgebungsluft gemäß den Pfeilern 6 ansaugt und mitreißt. Der Kernstrahl 7 behält dabei die Temperatur der Abgase gemäß Pfeil 2. Die Umgebungsluft gemäß Pfeil 6 bildet an der Innenwandung 8 des Mantelteils 4 eine Grenzschicht. Zwischen beiden erstreckt sich ein Ring, der als Mischungszone 9 bezeichnet ist und in welchem sich eine Mischtemperatur aus den heißen Abgasen und der Umgebungsluft einstellt. Wie ersichtlich, ist die Formgebung des Mantelteils 4 so gewählt, daß sich weder der Kernstrahl 7 noch die Mischungszone 9 an der Innenwandung 8 des Mantelteils 4 anlegen können. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß der Mantelteil 4, insbesondere an seinem freien Ende 10, welches am meisten gefährdet ist, eine Temperatur annimmt, die auf jeden Fall unter 100°C liegt. Damit ist eine Infrarotortung unter bestimmtem Einblickswinkel nicht mehr möglich, wenn das freie Ende 3 des Abgasrohres 1 nicht sichtbar ist.
- Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist ein zylinderförmiges Mantelteil 4' vorgesehen. Die geometrischen Verhältnisse des Innendurchmessers D des Mantelteils 4' , des Innendurchmessers d des Abgasrohres 1 und der überstehenden Länge L des Mantelteils 4' sind aufeinander abgestimmt. Das Flächenverhältnis ergibt sich von
ist gleich ungefähr 1,5 bis 5 für Schiffsschornsteine vorgegebener Bauart. Aus Platzgründen ist man bei Schiffsschornsteinen oft gezwungen, dieses Flächenverhältnis klein zu wählen. Je nach Flächenverhältnis ist die axiale Länge L = 1 - 5 D zu wählen. - Es versteht sich, daß bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 nur ein einziger Ejektor Anwendung findet. Selbstverständlich ist es möglich, auch mehrere Mantelteile 4 bzw. 4' mit sich jeweils erweiterndem Durchmesser hintereinanderzuschalten, um auf diese Weise mehrere Ejektoren in Verbindung mit einem Abgasrohr 1 zu schaffen.
- Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 baut auf denjenigen der Fig. 2 auf und zeigt zusätzlich die Anordnung einer Sperrluftausblasung. Zu diesem Zweck ist der Mantelteil 4' mit einer Ringleitung.11 versehen, die über einen Anschluß 12 gemäß Pfeil 13 von einer Druckluftquelle versorgt wird. Das Ausblasen der Sperrluft erfolgt entweder über den gesamten Umfang oder mit Hilfe geteilter Düsensegmente nur über einen Teil des Umfangs je nach Windrichtung gemäß den Pfeilern 14. Hierdurch wird eine zusätzliche Grenzschicht im Bereich des besonders gefährdeten freien Endes 10 des Mantelteils 4' geschaffen. Freilich ist damit der Nachteil verbunden, daß für das Gebläse Gewicht und Antriebsenergie aufgewendet werden muß. Es ist aber möglich, die Sperrluftmenge gering, etwa in der Größenordnung von 2 % der Abgasmenge,.zu halten. Die Sperrluftausblasung kann auch dann zusätzlich gewählt werden, wenn der äußere Durchmesser des Schornsteins aus anderen Gründen nicht besonders groß gewählt werden kann.
Claims (8)
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