EP0687860A2 - Brennkammer mit Selbstzündung - Google Patents
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- EP0687860A2 EP0687860A2 EP95810291A EP95810291A EP0687860A2 EP 0687860 A2 EP0687860 A2 EP 0687860A2 EP 95810291 A EP95810291 A EP 95810291A EP 95810291 A EP95810291 A EP 95810291A EP 0687860 A2 EP0687860 A2 EP 0687860A2
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F23M9/00—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields
- F23M9/02—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields in air inlets
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- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
- F05B2240/00—Components
- F05B2240/10—Stators
- F05B2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
- F05B2240/122—Vortex generators, turbulators, or the like, for mixing
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
- F23R2900/03341—Sequential combustion chambers or burners
Definitions
- the present invention relates to a combustion chamber according to the preamble of claim 1.
- high NOx emissions must always be expected, the emissions of which are no longer in line with the newer legislation of the most important countries in terms of market;
- a flashback from the flame zone into the interior of the premixing section is still possible, in particular along the inner wall, where naturally a relatively low flow velocity of the combustion air prevails.
- a typical firing system in which the above-mentioned techniques have to fail against a flashback, concerns a combustion chamber designed for self-ignition.
- This is usually a largely cylindrical tube or an annular combustion chamber, in which a working gas flows in at a relatively high temperature, where it forms a mixture with an injected fuel, the fuel triggering self-ignition.
- the caloric treatment of the working gas into hot gas takes place solely within this tube or this annular combustion chamber.
- it is an afterburning chamber that acts between a high-pressure and low-pressure turbine, it is impossible for reasons of space to install premix burners or to provide aids against a flashback, which is why until now this combustion technology, which was attractive in itself, had to be dispensed with.
- the postulate is to provide an annular combustion chamber as an afterburning chamber of a gas turbine group mounted on a shaft, additional problems arise with regard to minimizing the length of this combustion chamber, which are connected with flame stabilization.
- the invention seeks to remedy this.
- the invention as characterized in the claims, is the object to propose measures for a combustion chamber of the type mentioned at the outset which induce flame stabilization and minimize pollutant emissions.
- a fuel is introduced into these large swirl structures.
- a fuel lance protruding into the channel is suitable for this.
- An important advantage of the invention is that the swirl flow originating from the vortex generators on the one hand ensures a large-scale distribution of the introduced fuel, and on the other hand this turbulence causes a homogenization in the mixture formation of combustion air with fuel.
- premixed fuel / air mixtures generally tend to self-ignite, and therefore to flashback.
- the advantage of the invention can be seen here in that the fuel is injected behind a narrowing point in the premixing channel. This constriction has the advantage that the turbulence is reduced by increasing the axial speed, which minimizes the risk of a flashback due to the change in the turbulent flame speed.
- the axial component is reduced again by the opening taking place there: the advantage of this can be seen in the fact that the increasing turbulence ensures homogeneous mixing.
- a cross-sectional expansion takes place, the size of which gives the actual flow cross-section of the combustion chamber or the combustion zone.
- marginal zones are formed during operation, in which vortex detachments, i.e. Vortex rings arise, which in turn lead to a stabilization of the flame front.
- This configuration is particularly advantageous where the combustion chamber is designed for self-ignition.
- Such a combustion chamber preferably has essentially the shape of an annular or annular combustion chamber, it has a short axial length, and it is flowed through by a working gas of high temperature and high speed.
- the peripheral vortex detachments mentioned stabilize the flame front in such a way that no additional measures are required to prevent the flame from reigniting.
- annular combustion chamber 1 shows, as can be seen from the shaft axis 16, an annular combustion chamber 1, which essentially has the shape of a coherent annular or quasi-annular cylinder.
- a combustion chamber can also consist of a number of axially, quasi-axially or helically arranged and individually closed combustion chambers.
- Such ring combustion chambers are excellently suited to be operated as self-igniting combustion chambers which are placed in the flow direction between two turbines mounted on a shaft. If such an annular combustion chamber 1 is operated on self-ignition, the upstream turbine 2 is only designed for partial relaxation of the hot gases 3, so that the exhaust gases 4 downstream of this turbine 2 still flow into the inflow zone 5 of the annular combustion chamber 1 at a very high temperature.
- This inflow zone 5 is equipped on the inside and in the circumferential direction of the channel wall 6 with a series of vortex-generating elements 100, hereinafter only called vortex generators, which will be discussed in more detail below.
- the exhaust gases 4 are swirled by the vortex generators 100 such that no recirculation areas occur in the wake of the vortex generators 100 mentioned in the subsequent premixing section 7.
- a plurality of fuel lances 8 are arranged, which take over the supply of a fuel 9 and supporting air 10. These fuel lances 8 are discussed in more detail below. These media can be supplied to the individual fuel lances 8, for example, via a ring line (not shown).
- the swirl flow triggered by the vortex generators 100 provides for a large-scale distribution of the introduced fuel 9, and possibly also the admixed supporting air 10. Furthermore, the swirl flow ensures a homogenization of the mixture of combustion air and fuel.
- the fuel 9 injected into the exhaust gases 4 by the fuel lance 8 triggers self-ignition if these exhaust gases 4 have the specific temperature which the fuel-dependent auto-ignition is capable of triggering. If the annular combustion chamber 1 is operated with a gaseous fuel, the Initiation of self-ignition a temperature of the exhaust gases 4 greater than 850 ° C is present. With such a combustion, as already appreciated above, there is a risk of a flashback.
- premixing zone 7 as a venturi channel and, on the other hand, disposing the injection of the fuel 9 in the region of the largest constriction in the premixing zone 7.
- the narrowing in the premixing zone 7 reduces the turbulence by increasing the axial speed, which minimizes the risk of kickback by reducing the turbulent flame speed.
- the large-scale distribution of the fuel 9 is still guaranteed, since the peripheral component of the swirl flow originating from the vortex generators 100 is not impaired.
- a combustion zone 11 follows the relatively short premixing zone 7. The transition between the two zones is formed by a radial cross-sectional jump 12, which initially induces the flow cross-section of the combustion zone 11.
- the vortex generators 100 are designed such that no recirculation takes place in the premixing zone 7; only after the sudden widening of the cross section is the burst of the swirl flow desired.
- the swirl flow supports the rapid re-application of the flow behind the cross-sectional jump 12, so that a high burn-out with a short overall length can be achieved by utilizing the volume of the combustion zone 11 as fully as possible.
- a vortex generator 100, 101, 102 essentially consists of three freely flowing triangular surfaces. These are a roof surface 110 and two side surfaces 111 and 113. In their longitudinal extent, these surfaces run at certain angles in the direction of flow.
- the side walls of the vortex generators 100, 101, 102 which preferably consist of right-angled triangles, are fixed with their long sides on the channel wall 6 already mentioned, preferably gas-tight. They are oriented so that they form a joint on their narrow sides, including an arrow angle ⁇ .
- the joint is designed as a sharp connecting edge 116 and is perpendicular to each channel wall 6 with which the side surfaces are flush.
- the two side surfaces 111, 113 including the arrow angle ⁇ are symmetrical in shape, size and orientation in FIG. 4, they are arranged on both sides of an axis of symmetry 117 which is oriented in the same direction as the channel axis.
- the roof surface 110 lies against the same channel wall 6 as the side surfaces 111, 113 with a very narrow edge 115 running transversely to the flow channel. Its longitudinal edges 112, 114 are flush with the longitudinal edges of the side surfaces 111 protruding into the flow channel , 113.
- the roof surface 110 extends at an angle of attack ⁇ to the channel wall 6, the longitudinal edges 112, 114 of which, together with the connecting edge 116, form a point 118.
- the vortex generator 100, 101, 102 can also be provided with a bottom surface with which he is suitably attached to the channel wall 6. Such a floor area is, however, unrelated to the mode of operation of the element.
- the mode of operation of the vortex generator 100, 101, 102 is as follows: When flowing around the edges 112 and 114, the main flow is converted into a pair of opposing vortices, as is schematically outlined in the figures.
- the vortex axes lie in the axis of the main flow.
- the number of swirls and the location of the vortex breakdown (vortex breakdown), if the latter is aimed for, are determined by appropriate selection of the angle of attack ⁇ and the arrow angle ⁇ .
- the vortex strength or the number of swirls is increased, and the location of the vortex bursting shifts upstream into the area of the vortex generator 100, 101, 102 itself.
- these two angles ⁇ and ⁇ are due to structural conditions and determined by the process itself.
- These vortex generators only have to be adapted in terms of length and height, as will be explained in more detail below under FIG. 5.
- the connecting edge 116 of the two side surfaces 111, 113 forms the downstream edge of the vortex generator 100.
- the edge 115 of the roof surface 110 which runs transversely to the flow through the channel is thus the edge which is first acted upon by the channel flow.
- FIG. 3 shows a so-called half "vortex generator” based on a vortex generator according to FIG. 2.
- the vortex generator 101 shown here only one of the two side surfaces is provided with the arrow angle ⁇ / 2.
- the other side surface is straight and oriented in the direction of flow.
- this vortex generator only one vortex is generated on the arrowed side, as is shown in the figure. Accordingly, it is downstream this vortex generator does not have a vortex-neutral field, but a swirl is forced on the flow.
- FIG. 4 differs from FIG. 2 in that the sharp connecting edge 116 of the vortex generator 102 is the point which is first acted upon by the channel flow.
- the element is rotated 180 degrees. As can be seen from the illustration, the two opposite vortices have changed their sense of rotation.
- the height h of the connecting edge 116 will be coordinated with the channel height H, or the height of the channel part which is assigned to the vortex generator that the generated vortex immediately downstream of the vortex generator 100 already has such a size that the full channel height H is filled with it. This leads to a uniform speed distribution in the cross-section applied.
- Another criterion that can influence the ratio of the two heights h / H to be selected is the pressure drop that occurs when the vortex generator 100 flows around. It goes without saying that the pressure loss coefficient also increases with a larger ratio h / H.
- the vortex generators 100, 101, 102 are mainly used when it comes to mixing two flows.
- the main flow 4 in the form of combustion air attacks the transverse edge 115 or the connecting edge 116 in the direction of the arrow.
- the secondary flow in the form of a gaseous and / or liquid fuel, which is possibly enriched with a portion of supporting air (see FIG. 13), has a significant effect smaller mass flow than the main flow. In the present case, this secondary flow becomes downstream of the vortex generator into the main flow initiated, as can be seen particularly well from FIG. 1.
- vortex generators 100 are spaced apart over the circumference of the channel 5.
- the vortex generators can also be strung together in the circumferential direction so that no gaps are left on the channel wall 6.
- the vortices to be generated are ultimately decisive for the choice of the number and the arrangement of the vortex generators.
- FIGS. 6-12 show further possible forms of introducing the fuel into the combustion air 4. These variants can be combined in a variety of ways with one another and with a central fuel injection, as can be seen, for example, from FIG. 1.
- the fuel in addition to channel wall bores 120, which are located downstream of the vortex generators, is also injected via wall bores 121, which are located directly next to the side surfaces 111, 113 and in their longitudinal extent in the same channel wall 6, on the the vortex generators are arranged.
- the introduction of the fuel through the wall bores 121 gives the generated vortices an additional impulse, which extends the lifespan of the vortex generator.
- the fuel is injected via a slot 122 or via wall bores 123, both precautions being located directly in front of the edge 115 of the roof surface 110 running transversely to the flowed channel and in its longitudinal extent in the same channel wall 6 on which the Vortex generators are arranged.
- the geometry of the wall bores 123 or of the slot 122 is selected such that the fuel is introduced into the main flow 4 at a specific injection angle and the vortex generator that is placed behind as a protective film against the hot main flow 4 largely shielded by flow.
- the secondary flow (cf. above) is first introduced into the hollow interior of the vortex generators via guides (not shown) through the channel wall 6. This creates an internal cooling facility for the vortex generators without providing any additional equipment.
- the fuel is injected via wall bores 124, which are located inside the roof surface 110 directly behind and along the edge 115 running transversely to the flow channel.
- the vortex generator is cooled here more externally than internally.
- the emerging secondary flow forms when flowing around the roof surface 110 has a protective layer shielding it from the hot main flow 4.
- the fuel is injected via wall bores 125, which are staggered within the roof surface 110 along the line of symmetry 117.
- the channel walls 6 are particularly well protected from the hot main flow 4, since the fuel is first introduced on the outer circumference of the vortex.
- the fuel is injected via wall bores 126, which are located in the longitudinal edges 112, 114 of the roof surface 110.
- This solution ensures good cooling of the vortex generators, since the fuel escapes from its extremities and thus completely flushes the inner walls of the element.
- the secondary flow is fed directly into the resulting vortex, which leads to defined flow conditions.
- the injection takes place via wall bores 127, which are located in the side surfaces 111 and 113, on the one hand in the area of the longitudinal edges 112 and 114, on the other hand in the area of the connecting edge 116.
- This variant is similar in effect to that from FIG. 6 (bores 121) and from FIG. 11 (bores 126).
- FIG. 13 shows an embodiment of a fuel lance 8 in the flow direction 4 and from the front.
- This lance is designed for central fuel injection. It is dimensioned for about 10% of the total volume flow through the channel, the fuel 9 being injected transversely to the direction of flow. A longitudinal injection of the fuel in the direction of flow can of course also be provided. In this case, the injection pulse corresponds approximately to that of the main flow.
- the injected fuel 9 is entrained by the upstream injected vortices in connection with a portion of supporting air 10 via a plurality of radial openings 17 and mixed with the main flow 4.
- the injected fuel 9 follows the helical course of the vortices (see FIGS. 2-4) and is evenly finely distributed in the chamber downstream of the vortices.
- FIG. 14 shows a diagram relating to the supply of fuel 9 and supporting air 10, and according to which the combustion chamber described is started up.
- the aim here is to create those conditions when starting that guarantee an optimal mixture of the injected fuel with the main flow, i.e. optimal ignition behavior and optimal combustion in the transient range up to the full load of the combustion chamber.
- the ordinate Y plots the amount of media injected to each other, the abscissa X the load of the system.
- the amount of supporting air 10 is maximum at the start; it gradually decreases with increasing load of the combustion chamber, while the injected fuel 9 gradually increases. At full load, the fuel 9 still has a proportion Z of supporting air 10.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Bei Brennerkonfigurationen mit einer Vormischstrecke und einer in Abströmungsrichtung zum nachgeschalteten Brennraum freien Mündung stellt sich immer wieder das Problem, wie auf einfachste Art und Weise eine stabile Flammenfront bei extrem niedrigen NOx-, CO- und UHC- (= ungesättigte Kohlen/Wasserstoffe) Emissionen erstellt werden kann. Diesbezüglich sind bereits verschiedene Vorschläge bekanntgeworden, die an sich nicht zu befriedigen vermochten. Eine bis anhin bekanntgewordene Ausnahme bildet die in EP-A1-0 321 809 offenbarte Erfindung, deren Vorschläge betreffend die Flammenstabilisierung, den Wirkungsgrad und die Schadstoff-Emissionen, insbesondere was die NOx-Emissionen betrifft, einen Qualitätssprung darstellen. Es gibt indessen Feuerungsanlagen, bei welchen der obengenannte Erfindungsgegenstand aus verschiedenen Gründen nicht zum Einsatz gelangen kann, womit dort gezwungenermassen nach wie vor mit einer überholten Technik gefahren werden muss, sei es, dass Diffusionsbrenner zum Einsatz gelangen, sei es, dass die Vormischstrecke im Bereich der Flammenfront mit Drallerzeugern oder Flammenhaltern ergänzt wird. Im ersten Fall muss stets mit hohen NOx-Emissionen gerechnet werden, deren Ausstossmenge längst nicht mehr mit den neueren Gesetzgebungen der marktmässig wichtigsten Länder im Einklang steht; im zweiten Fall ist trotz Einbau der vorgeschlagenen Vorkehrungen immer noch ein Flammenrückschlag von der Flammenzone ins Innere der Vormischstrecke möglich, insbesondere entlang der Innenwand, wo naturgemäss eine relativ kleine Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft vorherrscht. Eine typische Feuerungsanlage, bei welcher die genannten Techniken gegen einen Flammenrückschlag versagen müssen, betrifft eine auf Selbstzündung ausgelegte Brennkammer. Hier handelt es sich in der Regel um ein weitgehend zylindrisches Rohr oder um eine Ringbrennkammer, worin ein Arbeitsgas mit einer relativ hohen Temperatur einströmt, dort mit einem eingedüsten Brennstoff zur Bildung eines Gemisches kommt, wobei der Brennstoff eine Selbstzündung auslöst. Die kalorische Aufbereitung des Arbeitsgases zu Heissgas findet allein innerhalb dieses Rohres oder dieser Ringbrennkammer statt. Handelt es sich um eine Nachbrennkammer, welche zwischen einer Hochdruck- und Niederdruck-Turbine wirkt, so ist es schon aus Platzgründen unmöglich, Vormischbrenner einzubauen oder Hilfsmittel gegen einen Flammenrückschlag vorzusehen, weshalb bis anhin auf diese an sich attraktive Verbrennungstechnik verzichtet werden musste. Geht das Postulat dahin, eine Ringbrennkammer als Nachbrennkammer einer auf einer Welle gelagerten Gasturbogruppe vorzusehen, so ergeben sich betreffend der Minimierung der Länge dieser Brennkammer zusätzliche Probleme, welche mit der Flammenstabilisierung im Zusammenhang stehen.
- Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art Massnahmen vorzuschlagen, welche eine Flammenstabilisierung induzieren und die Schadstoff-Emissionen minimieren.
- Die Verbrennungsluft für diese Brennkammer wird über Drallerzeuger (= Wirbel-Generatoren) derart verdrallt, dass in der Vormischstrecke keine Rezirkulationsgebiete im Nachlauf der genannten Wirbel-Generatoren auftreten. In diese grossraumige Drallstrukturen wird ein Brennstoff eingebracht. Hierzu eignet sich eine in den Kanal ragende Brennstofflanze.
- Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die von den Wirbel-Generatoren stammende Drallströmung zum einen für eine grossräumige Verteilung des eingebrachten Brennstoffes sorgt, zum anderen bewirkt diese Turbulenz eine Homogenisierung bei der Gemischbildung von Verbrennungsluft mit Brennstoff.
- Indessen, vorgemischte Brennstoff/Luft-Mischungen neigen im allgemeinen zur Selbstzündung, demnach zu einem Flammenrückschlag. Der Vorteil der Erfindung ist hier darin zu sehen, dass die Eindüsung des Brennstoffes hinter einer sich verengenden Stelle im Vormischkanal erfolgt. Diese Verengung bietet den Vorteil, dass die Turbulenz durch Anhebung der Axialgeschwindigkeit vermindert wird, was die Gefahr eines Flammenrückschlages durch die Veränderung der turbulenten Flammengeschwindigkeit minimiert.
- Des weiteren, die Aufenthaltszeit zur Verhinderung einer Selbstzündung wird verringert.
- Ferner, die grossräumige Verteilung des Brennstoffes wird weiterhin gewährleistet, da die Umfangskomponente der Drallströmung nicht beeinträchtigt wird.
- Nach der verengenden Stelle im Vormischkanal wird die Axialkomponente durch die dort stattfindende Oeffnung wieder vermindert: der Vorteil daraus ist darin zu sehen, dass die nun stärker werdende Turbulenz für eine homogene Vermischung sorgt.
- Abströmungsseitig des Vormischkanals findet eine Querschnittserweiterung statt, deren Grösse den eigentlichen Strömungsquerschnitt des Brennraumes oder der Verbrennungszone ergibt. Innerhalb dieser Querschnittserweiterung bilden sich während des Betriebes Randzonen, in welchen durch den dort strömungsbedingt entstehenden Unterdruck Wirbelablösungen, d.h. Wirbelringe, entstehen, welche wiederum zu einer Stabilisierung der Flammenfront führen. Diese Konfiguration ist besonders dort vorteilhaft, wo die Brennkammer auf Selbstzündung ausgelegt ist. Eine solche Brennkammer hat nämlich vorzugsweise im wesentlichen die Form einer annularen oder ringförmigen Brennkammer, sie ist von kurzer axialer Baulänge, und sie wird mit einem Arbeitsgas hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit durchströmt. Die genannten periphären Wirbelablösungen stabilisieren die Flammenfront, dergestalt, dass keine zusätzliche Vorkehrungen mehr gegen eine Rückzündung der Flamme vonnöten sind.
- Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
- Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
- Es zeigt:
- Fig. 1
- eine selbstzündende Brennkammer, als Ringbrennkammer konzipiert,
- Fig. 2
- eine perspektivische Darstellung des Wirbel-Generators,
- Fig. 3
- eine Ausführungsvariante des Wirbel-Generators,
- Fig. 4
- eine Anordnungsvariante des Wirbel-Generators nach Fig. 3,
- Fig. 5
- einen Wirbel-Generator im Vormischkanal,
- Fig. 6-12
- Varianten der Brennstoffzuführung im Zusammenhang mit Wirbel-Generatoren,
- Fig. 13
- eine Ausführung einer Lanze zur Eindüsung von Brennstoff und Stützluft, in Anströmungsrichtung und von vorne gesehen und
- Fig. 14
- ein Anfahrdiagramm der Brennkammer bezüglich der Interdependenz zwischen Brennstoff und Stützluft.
- Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit
- Fig. 1 zeigt, wie aus der Wellenachse 16 hervorgeht, eine Ringbrennkammer 1, welche im wesentlich die Form eines zusammenhängenden annularen oder quasi-annularen Zylinders aufweist. Darüber hinaus kann eine solche Brennkammer auch aus einer Anzahl axial, quasi-axial oder schraubenförmig angeordneter und einzeln in sich abgeschlossener Brennräume bestehen. Solche Ringbrennkammern eignen sich vorzüglich, als selbstzündende Brennkammern betrieben zu werden, welche in Strömungsrichtung zwischen zwei auf einer Welle gelagerten Turbinen plaziert sind. Wird eine solche Ringbrennkammer 1 auf Selbstzündung betrieben, so ist die stromauf wirkende Turbine 2 nur auf eine Teilentspannung der Heissgase 3 ausgelegt, womit die Abgase 4 stromab dieser Turbine 2 noch mit einer recht hohen Temperatur in die Zuströmzone 5 der Ringbrennkammer 1 strömen. Diese Zuströmzone 5 ist innenseitig und in Umfangsrichtung der Kanalwand 6 mit einer Reihe von wirbelerzeugenden Elementen 100, im folgenden nur noch Wirbel-Generatoren genannt, bestückt, auf welche weiter unten noch näher eingegangen wird. Die Abgase 4 werden durch die Wirbel-Generatoren 100 derart verdrallt, dass in der anschliessenden Vormischstrecke 7 keine Rezirkulationsgebiete im Nachlauf der genannten Wirbel-Generatoren 100 auftreten. In Umfangsrichtung dieser als Venturikanal ausgebildete Vormischstrecke 7 sind mehrere Brennstofflanzen 8 disponiert, welche die Zuführung eines Brennstoffes 9 und einer Stützluft 10 übernehmen. Auf diese Brennstofflanzen 8 wird weiter unten näher eingegangen. Die Zuführung dieser Medien zu den einzelnen Brennstofflanzen 8 kann bespielsweise über eine nicht gezeigte Ringleitung vorgenommen werden. Die von den Wirbel-Generatoren 100 ausgelöste Drallströmung sorgt für eine grossräumige Verteilung des eingebrachten Brennstoffes 9, allenfalls auch der zugemischten Stützluft 10. Des weiteren sorgt die Drallströmung für eine Homogenisierung des Gemisches aus Verbrennungsluft und Brennstoff. Der durch die Brennstofflanze 8 in die Abgase 4 eingedüste Brennstoff 9 löst eine Selbstzündung aus, soweit diese Abgase 4 jene spezifische Temperatur aufweisen, welche die brennstoffabhängige Selbstzündung auszulösen vermag. Wird die Ringbrennkammer 1 mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben, muss für die Inizierung einer Selbstzündung eine Temperatur der Abgase 4 grösser 850°C vorliegen. Bei einer solchen Verbrennung besteht, wie bereits oben gewürdigt, an sich die Gefahr eines Flammenrückschlages. Dieses Problem wird behoben, indem einerseits die Vormischzone 7 als Venturikanal ausgebildet wird, andererseits indem die Eindüsung des Brennstoffes 9 im Bereich der grössten Einschnürung in der Vormischzone 7 disponiert wird. Durch die Verengung in der Vormischzone 7 wird die Turbulenz durch die Anhebung der Axialgeschwindigkeit vermindert, was die Rückschlaggefahr durch die Verminderung der turbulenten Flammengeschwindigkeit minimiert wird. Andererseits wird die grossräumige Verteilung des Brennstoffes 9 weiterhin gewährleistet, da die Umfangskomponente der von den Wirbel-Generatoren 100 stammenden Drallströmung nicht beeinträchtigt wird. Hinter der relativ kurz gehaltenen Vormischzone 7 schliesst sich eine Verbrennungszone 11 an. Der Uebergang zwischen der beiden Zonen wird durch einen radialen Querschnittssprung 12 gebildet, der zunächst den Durchflussquerschnitt der Verbrennungszone 11 induziert. In der Ebene des Querschnittssprunges 12 stellt sich auch eine Flammenfront ein. Um eine Rückzündung der Flamme ins Innere der Vormischzone 7 zu vermeiden muss die Flammenfront stabil gehalten werden. Zu diesem Zweck werden die Wirbel-Generatoren 100 so ausgelegt, dass in der Vormischzone 7 noch keine Rezirkulation stattfindet; erst nach der plötzlichen Querschnittserweiterung ist das Aufplatzen der Drallströmung erwünscht. Die Drallströmung unterstützt das schnelle Wiederanlegen der Strömung hinter dem Querschnittssprung 12, so dass durch die möglichst vollständige Ausnutzung des Volumens der Verbrennungszone 11 ein hoher Ausbrand bei kurzer Baulänge erzielt werden kann. Innerhalb dieses Querschnittssprunges 12 bildet sich während des Betriebes eine strömungsmässige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, welche dann zu einer Stabilisierung der Flammenfront führen. Die in der Verbrennungszone 11 aufbereiteten Abgase 4 zu Heissgasen 14 beaufschlagen anschliessend eine weitere stromab wirkende Turbine 14. Die Abgase 15 können anschliessend zum Betrieb eines Dampfkreislaufes herangezogen werden, wobei im letztgenannten Fall die Anlage dann eine Kombianlage ist.
- In den Figuren 2, 3 und 4 ist die eigentliche Zuströmzone 5 nicht dargestellt. Dargestellt ist hingegen durch einen Pfeil die Strömung der Abgase 4, womit auch die Strömungsrichtung vorgegeben ist. Gemäss diesen Figuren besteht ein Wirbel-Generator 100, 101, 102 im wesentlichen aus drei frei umströmten dreieckigen Flächen. Es sind dies eine Dachfläche 110 und zwei Seitenflächen 111 und 113. In ihrer Längserstreckung verlaufen diese Flächen unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung. Die Seitenwände der Wirbel-Generatoren 100, 101, 102, welche vorzugsweise aus rechtwinkligen Dreiecken bestehen, sind mit ihren Längsseiten auf der bereits angesprochenen Kanalwand 6 fixiert, vorzugsweise gasdicht. Sie sind so orientiert, dass sie an ihren Schmalseiten einen Stoss bilden unter Einschluss eines Pfeilwinkels α. Der Stoss ist als scharfe Verbindungskante 116 ausgeführt und steht senkrecht zu jeder Kanalwand 6, mit welcher die Seitenflächen bündig sind. Die beiden den Pfeilwinkel α einschliessenden Seitenflächen 111, 113 sind in Fig. 4 symmetrisch in Form, Grösse und Orientierung, sie sind beidseitig einer Symmetrieachse 117 angeordnet, welche gleichgerichtet wie die Kanalachse ist.
Die Dachfläche 110 liegt mit einer quer zum durchströmten Kanal verlaufenden und sehr schmal ausgebildeten Kante 115 an der gleichen Kanalwand 6 an wie die Seitenflächen 111, 113. Ihre längsgerichteten Kanten 112, 114 sind bündig mit den in den Strömungskanal hineinragenden, längsgerichteten Kanten der Seitenflächen 111, 113. Die Dachfläche 110 verläuft unter einem Anstellwinkel Θ zur Kanalwand 6, deren Längskanten 112, 114 bilden zusammen mit der Verbindungskante 116 eine Spitze 118. Selbstverständlich kann der Wirbel-Generator 100, 101, 102 auch mit einer Bodenfläche versehen sein, mit welcher er auf geeignete Weise an der Kanalwand 6 befestigt ist. Eine derartige Bodenfläche steht indessen in keinem Zusammenhang mit der Wirkungsweise des Elementes. - Die Wirkungsweise des Wirbel-Generators 100, 101, 102 ist die folgende: Beim Umströmen der Kanten 112 und 114 wird die Hauptströmung in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt , wie dies in den Figuren schematisch skizziert ist. Die Wirbelachsen liegen in der Achse der Hauptströmung. Die Drallzahl und der Ort des Wirbelaufplatzens (Vortex Breakdown), sofern letzteres angestrebt wird, werden durch entsprechende Wahl des Anstellwinkels Θ und des Pfeilwinkels α bestimmt. Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht, und der Ort des Wirbelaufplatzens verschiebt sich stromaufwärts bis hin in den Bereich des Wirbel-Generators 100, 101, 102 selbst. Je nach Anwendung sind diese beiden Winkel Θ und α durch konstruktive Gegebenheiten und durch den Prozess selbst vorgegeben. Angepasst werden müssen diese Wirbel-Generatoren nur noch bezüglich Länge und Höhe, wie dies weiter unten unter Fig. 5 noch detailliert zur Ausführung gelangen wird.
- In Fig. 2 bildet die Verbindungskante 116 der beiden Seitenflächen 111, 113 die stromabwärtsseitige Kante des Wirbel-Generators 100. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende Kante 115 der Dachfläche 110 ist somit die von der Kanalströmung zuerst beaufschlagte Kante.
- In Fig. 3 ist ein sogenannter halber "Wirbel-Generator" auf der Basis eines Wirbel-Geneartors nach Fig. 2 gezeigt. Beim hier gezeigten Wirbel-Generator 101 ist nur die eine der beiden Seitenflächen mit dem Pfeilwinkel α/2 versehen. Die andere Seitenfläche ist gerade und in Strömungsrichtung ausgerichtet. Im Gegensatz zum symmetrischen Wirbel-Generator wird hier nur ein Wirbel an der gepfeilten Seite erzeugt, wie dies in der Figur versinnbildlicht wird. Demnach liegt stromab dieses Wirbel-Generators kein wirbelneutrales Feld vor, sondern der Strömung wird ein Drall aufgezwungen.
- Fig. 4 unterscheidet sich gegenüber Fig. 2 insoweit, als hier die scharfe Verbindungskante 116 des Wirbel-Generators 102 jene Stelle ist, welche von der Kanalströmung zuerst beaufschlagt wird. Das Element ist demnach um 180 gedreht. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, haben die beiden gegenläufigen Wirbel ihren Drehsinn geändert.
- Fig. 5 zeigt die grundsätzliche Geometrie eines in einem Kanal 5 eingebauten Wirbel-Generators 100. In der Regel wird man die Höhe h der Verbindungskante 116 mit der Kanalhöhe H, oder der Höhe des Kanalteils, welchem dem Wirbel-Generator zugeordnet ist, so abstimmen, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromab des Wirbel-Generators 100 bereits eine solche Grösse erreicht, dergestalt, dass damit die volle Kanalhöhe H ausgefüllt wird. Dies führt zu einer gleichmässigen Geschwindigkeitsverteilung in dem beaufschlagten Querschnitt. Ein weiteres Kriterium, das Einfluss auf das zu wählende Verhältnis der beiden Höhen h/H nehmen kann, ist der Druckabfall, der beim Umströmen des Wirbel-Generators 100 auftritt. Es versteht sich, dass mit grösserem Verhältnis h/H auch der Druckverlustbeiwert ansteigt.
- Die Wirbel-Generatoren 100, 101, 102 werden hauptsächlich dort eingesetzt, wo es darum geht, zwei Strömungen miteinander zu mischen. Die Hauptströmung 4 in Form von Verbrennungsluft attackiert in Pfeilrichtung die quergerichtete Kante 115 respektiv die Verbindungskante 116. Die Sekundärströmung in Form eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffes, der allenfalls mit einem Anteil Stützluft angereichert ist (Vgl. Fig. 13), weist einen wesentlichen kleineren Massenstrom als die Hauptströmung auf. Diese Sekündärströmung wird im vorliegenden Fall stromab des Wirbel-Generators in die Hauptströmung eingeleitet, wie dies aus Fig. 1 besonders gut hervorgeht.
- Im dargestellten Beispiel gemäss Fig. 1 sind vier Wirbel- Generatoren 100 mit Abstand über den Umfang des Kanals 5 verteilt. Selbstverständlich können die Wirbel-Generatoren in Umfangsrichtung auch so aneinander gereiht werden, dass keine Zwischenräume an der Kanalwand 6 freigelassen werden. Für die Wahl der Anzahl und der Anordnung der Wirbel-Generatoren ist letzlich der zu erzeugenden Wirbel entscheidend.
- Die Figuren 6-12 zeigen weitere mögliche Formen der Einführung des Brennstoffes in die Verbrennungsluft 4. Diese Varianten können auf vielfältige Weise miteinander und mit einer zentralen Brennstoffeindüsung, wie sie beispielsweise aus Fig. 1 hervorgeht, kombiniert werden.
- In Fig. 6 wird der Brennstoff, zusätzlich zu Kanalwandbohrungen 120, die sich stromabwärts der Wirbel-Generatoren befinden, auch über Wandbohrungen 121 eingedüst, die sich unmittelbar neben der Seitenflächen 111, 113 und in deren Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 6 befinden, an der die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Einleitung des Brennstoffes durch die Wandbohrungen 121 verleiht den erzeugten Wirbeln einen zusätzlichen Impuls, was die Lebensdauer des Wirbel-Generators verlängert.
- In Fig. 7 und 8 wird der Brennstoff über einen Schlitz 122 oder über Wandbohrungen 123 eingedüst, wobei sich beide Vorkehrungen unmittelbar vor der quer zum durchströmten Kanal verlaufenden Kante 115 der Dachfläche 110 und in deren Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 6 befinden, an der die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Geometrie der Wandbohrungen 123 oder des Schlitzes 122 ist so gewählt, dass der Brennstoff unter einem bestimmten Eindüsungswinkel in die Hauptströmung 4 eingegeben wird und den nachplazierten Wirbel-Generator als Schutzfilm gegen die heisse Hauptströmung 4 durch Umströmung weitgehend abschirmt.
- In den nachstehend beschriebenen Beispielen wird die Sekundärströmung (Vgl. oben) zunächst über nicht gezeigte Führungen durch die Kanalwand 6 ins hohle Innere der Wirbel-Generatoren eingeleitet. Damit wird, ohne weitere Dispositiven vorzusehen, eine interne Kühlmöglichkeit für die Wirbel-Generatoren geschaffen.
- In Fig. 9 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 124 eingedüst, welche sich innerhalb der Dachfläche 110 unmittelbar hinter und entlang der quer zum durchströmten Kanal verlaufenden Kante 115. Die Kühlung des Wirbel-Generators erfolgt hier mehr extern als intern. Die austretende Sekundärströmung bildet beim Umströmen der Dachfläche 110 eine diese gegen die heisse Hauptströmung 4 abschirmende Schutzschicht.
- In Fig. 10 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 125 eingedüst, welche innerhalb der Dachfläche 110 entlang der Symmetrielinie 117 gestaffelt angeordnet sind. Mit dieser Variante werden die Kanalwände 6 besonders gut vor der heissen Hauptströmung 4 geschützt, da der Brennstoff zunächst am Aussenumfang der Wirbel eingeführt wird.
- In Fig. 11 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 126 eingedüst, die sich in den längsgerichteten Kanten 112, 114 der Dachfläche 110 befinden. Diese Lösung gewährleistet eine gute Kühlung der Wirbel-Generatoren, da der Brennstoff an dessen Extremitäten austritt und somit die Innenwandungen des Elementes voll umspült. Die Sekundärströmung wird hier direkt in den entstehenden Wirbel hineingegeben, was zu definierten Strömungsverhältnissen führt.
- In Fig. 12 geschieht die Eindüsung über Wandbohrungen 127, die sich in den Seitenflächen 111 und 113 befinden, einerseits im Bereich der Längskanten 112 und 114, andererseits im Bereich der Verbindungskante 116. Diese Variante ist wirkungsähnlich wie jene aus Fig. 6 (Bohrungen 121) und aus Fig. 11 (Bohrungen 126).
- Fig. 13 zeigt eine Ausführung einer Brennstofflanze 8 in Anströmungsrichtung 4 und von vorne. Diese Lanze ist für eine zentrale Brennstoffeindüsung ausgelegt. Sie ist für etwa 10% des Gesamtvolumenstrom durch den Kanal dimensioniert, wobei der Brennstoff 9 quer zur Strömungsrichtung eingedüst wird. Selbstverständlich kann auch eine Längseindüsung des Brennstoffes in Strömungsrichtung vorgesehen werden. In diesem Fall entspricht der Eindüsungsimpuls etwa jenem der Hauptströmung. Der eingedüste Brennstoff 9 wird in Verbindung mit einem Anteil an Stützluft 10 über mehrere radiale Oeffnungen 17 von den stromauf inizierten Wirbeln mitgerissen und mit der Hauptströmung 4 vermischt. Der eingedüste Brennstoff 9 folgt dem schraubenförmigen Verlauf der Wirbel (Vgl. Fig. 2-4) und wird stromab der Wirbel in der Kammer gleichmässig feinverteilt. Dadurch reduziert sich die Gefahr von Aufprallstrahlen an der gegenüberliegenden Kanalwand sowie die Bildung von sogenannten "hot spots", wie dies bei einer unverwirbelten Strömung der Fall ist. Da der hauptsächliche Mischprozess in den Wirbeln erfolgt, und er weitgehend unempfindlich gegen den Eindüsungsimpuls der Sekündärströmung ist, kann die Brennstoffeinspritzung flexibel gehalten werden und an andere Grenzbedingungen angepasst werden. So kann im ganzen Lastbereich an sich der gleiche Eindüsungsimpuls beibehalten werden, wobei hier der Vollständigkeit halber auf die Ausführungen unter Fig. 14 verwiesen wird. Demnach, da die Mischungsgüte weitgehend von der Geometrie der Wirbel-Generatoren bestimmt wird, muss allenfalls bloss im transienten Bereich auf die Brennstoffeindüsung eingegriffen werden. Indem der Verbrennungsprozess durch Anpassen der Zündverzugszeit des Brennstoffes 9 an der Mischzeit der Wirbel optimiert wird, ist eine allgemeine Minimierung der Schadstoff-Emissionen gewährleistet. Des weiteren ist hervorzuheben, dies im Zusammenhang mit der Beschreibung der Wirbel-Generatoren unter Fig. 2-4, dass die intensive Vermischung ein gutes Temperaturprofil über den ganzen durchströmten Querschnitt ergibt, was bewirkt, dass das Auftreten von thermoakustischen Instabilitäten reduziert wird. Sonach wirken die Wirbel-Generatoren, für sich allein betrachtet, als Dämpfungsmassnahme gegen thermoakustische Schwingungen. Die Brennstofflanze 8 weist des weiteren die bereits angetippte Zuführung von Stützluft 10 auf. Nachfolgend wird auf diese Betreibungsart näher eingetreten.
- Fig. 14 zeigt ein Schema betreffend Zuführung von Brennstoff 9 und Stützluft 10, und nach welchem die beschriebene Brennkammer angefahren wird. Dabei geht es hier darum, beim Anfahren jene Bedingungen zu erstellen, welche eine optimale Mischung des eingedüsten Brennstoffes gegenüber der Hauptströmung gewährleisten, also optimales Zündungsverhalten und optimale Verbrennung im transienten Bereich bis hin zur Vollast der Brennkammer. Die Ordinate Y trägt die Menge der eingedüsten Medien zueinander auf, die Abszisse X die Last der Anlage. Nun ist ersichtlich, dass beim Start die Menge Stützluft 10 maximal ist; sie nimmt mit zunehmender Last der Brennkammer sukzessiv ab, während der eingedüste Brennstoff 9 allmählich zunimmt. Bei Vollast weist der Brennstoff 9 immer noch einen Anteil Z an Stützluft 10 auf. Der Vorteil dieser Verfahrensweise ist darin zu sehen, dass die Stützluft 10 sich gut eignet, Flexionen des Brennstoffimpulses, welche eine Verschlechterung der Vermischung bewirken, abzufangen. Des weiteren, schlagartige Veränderungen des Brennstoffimpulses führen zu thermoakustische Instabilitäten innerhalb der Brennkammer. Dies wird durch eine ständige Zuführung eines minimalen Anteils Z an Stützluft 10 verhindert.
-
- 1
- Ringbrennkammer
- 2
- Turbine
- 3
- Heissgase
- 4
- Abgase
- 5
- Zuströmzone, Kanal der Zuströmzone
- 6
- Kanalwand der Zuströmzone
- 7
- Vormischzone
- 8
- Brennstofflanze
- 9
- Brennstoff
- 10
- Stützluft
- 11
- Verbrennungszone
- 12
- Querschnittssprung
- 13
- Heissgase
- 14
- Turbine
- 15
- Abgase
- 16
- Wellenachse
- 17
- Oeffnungen für Eindüsung Brennstoff/Stützluft
- 100, 101, 102
- Wirbel-Generatoren
- 110
- Dachfläche
- 111, 113
- Seitenflächen
- 112, 114
- Längsgerichtete Kanten
- 115
- Querverlaufende Kante
- 116
- Verbindungskante
- 117
- Symmetrieachse
- 120-127
- Bohrungen zur Eindüsung eines Brennstoffes
- L, h,
- Abmessungen des Wirbel-Generators
- H
- Höhe des Kanals
- α
- Pfeilwinkel
- Θ
- Anstellwinkel
- Y
- Ordinate Schema Fig. 14
- X
- Abszisse Schema Fig. 14
- Z
- Anteil Stützluft bei Vollast
Claims (10)
- Brennkammer mit Selbstzündung, welche im wesentlichen aus einer Zuströmzone und einer Verbrennungszone besteht, wobei beide Zonen nacheinander geschaltet sind und dieselbe Strömungsrichtung aufweisen, dadurch gekennnzeichnet, dass die Zuströmzone (5) Wirbel-Generatoren (100, 101, 102) aufweist, von denen über dem Umfang des durchströmten Kanals mehrere nebeneinander angeordnet sind, dass sich stromab der Zuströmzone (5) eine Vormischzone (7) anschliesst, in welche ein gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff (9) als Sekundärströmung in eine gasförmige Hauptströmung (4) eindüsbar ist, dass zwischen Vormischzone (7) und Verbrennungszone (11) ein Querschnittssprung (12) vorhanden ist, der den anfänglichen Strömungsquerschnitt der Verbrennungszone (11) induziert.
- Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (9) mit einem Anteil Stützluft (10) versehen ist.
- Brennkammer nach einem der Ansprüche 1, 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischzone (7) ein venturiförmiger Kanal ist, und dass der Brennstoff (9) über eine Brennstoffdüse (8) längs oder quer zur Hauptströmung (4) im Bereich der grössten Einschnürung des venturiförmigen Kanals eindüsbar ist.
- Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer eine Ringbrennkammer (1) ist.
- Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wirbel-Generator (100) drei frei umströmte Flächen aufweist, die sich in Strömungsrichtung erstrecken, von denen eine die Dachfläche (110) und die beiden anderen die Seitenflächen (111, 113) bilden, dass die Seitenflächen (111, 113) mit einem gleichen Wandsegment des Kanals (5) bündig sind und miteinander den Pfeilwinkel (α) einschliessen, dass die Dachfläche (110) mit einer quer zum durchströmten Kanal (5) verlaufende Kante (115) am gleichen Wandsegment des Kanals (6) anliegt wie die Seitenflächen (111, 113), und dass längsgerichtete Kanten (112, 114) der Dachfläche (110) bündig mit den in den Kanal (5) hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen (111, 113) sind und unter einem Anstellwinkel (Θ) zum Wandsegment des Kanals (5) verlaufen.
- Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden den Pfeilwinkel (α) einschliessenden Seitenflächen (11, 113) des Wirbel-Generators (100) symmetrisch um eine Symmetrieachse (117) angeordnet sind.
- Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden den Pfeilwinkel (α, α/2) einschliessenden Seitenflächen (111, 113) eine Verbindungskante (116) miteinander umfassen, welche zusammen mit den längsgerichteten Kanten (112, 114) der Dachfläche (110) eine Spitze (118) bilden, und dass die Verbindungskante (116) in der Radiale des kreisförmigen Kanals (5) liegt.
- Brennkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskante (116) und/oder die längsgerichteten Kanten (112, 114) der Dachfläche (110) zumindest annähernd scharf ausgebildet ist.
- Brennkammer nach den Ansprüchen 1, 5, 6, 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (117) des Wirbel-Generators (100) parallel zur Kanalachse verläuft, dass die Verbindungskante (116) der beiden Seitenflächen (111, 113) die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators (100) bildet, und dass die quer zum durchströmten Kanal (5) verlaufende Kante (115) der Dachfläche (10) die von der Hauptströmung (4) zuerst beaufschlagte Kante ist.
- Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Höhe (h) des Wirbel-Generators zur Höhe (H) des Kanals (5) so gewählt ist, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromab des Wirbel-Generators (100) die volle Hohe (H) des Kanals (5) und die volle Höhe (h) des dem Wirbel-Generator (100) zugeordneten Kanalteils ausfüllt.
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