WO1989004439A1

WO1989004439A1 - Bruleur

Info

Publication number: WO1989004439A1
Application number: PCT/EP1988/000953
Authority: WO
Inventors: Michael L. Zettner
Original assignee: Zettner Michael L
Priority date: 1987-11-03
Filing date: 1988-10-25
Publication date: 1989-05-18
Also published as: JPH0442564B2; DE3884218D1; IL88214A0; JPH02502750A; CN1016265B; CN1033685A; ZA888069B; RU1830126C; EP0396554B1; EP0396554A1; US5131840A; DE3737247C1; IL88214A; AU612725B2; AU2555988A; BR8807777A

Description

Beschreibung Brenneinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Brenneinrichtung zur Verbrennung eines aus zwei fließfähigen Komponenten bestehenden brennbaren Gemisches.

Bei Verbrennungsvorgängen, wie sie in modernen

Brennkraftmaschinen stattfinden, unterscheidet man zwischen geschlossenen und offenen Systemen. Unter einem geschlossenen System versteht man einen geschlossenen Brennraum, in dem Brennstoff und Oxidator zusammengeführt werden, verbrennen und dann durch die Expansion der Verbrennungsgase mechanische Arbeit leisten oder Wärme erzeugen.

Bei einem offenen System werden Brennstoff und Oxidator in einer Brennkammer verbrannt, und die Verbrennungsgase treten aus einer Öffnung in der Brennkammer als Strahl aus . Der Gasstrahl kann beispielsweise als Antriebsmittel bei Luft- und Raumfahrzeugen oder Turbinen verwandt werden, er kann aber auch zu anderen Zwecken, wie Heizzwecken, eingesetzt werden. Bei den offenen Systemen wirkt sich eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, mit der Brennstoff und Oxidator in die Brennkammer einströmen, ungünstig auf das Zündverhalten aus. Der Bereich des Mischungsverhältnisses von Treibstoff und Oxidator, in dem dieses zündfähig ist (Zündfähigkeitsbereich), wird mit Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Brennkammerdruckes, kleiner.

Wenn das für die Zündfähigkeit notwendige

Mischungsverhältnis zwischen Brennstoff und Oxidator nicht eingehalten werden kann, kommt es zu sogenannten Ausbläsern. Die Flammenfront reißt ab und die Medien strömen unverbrannt durch die Brennkammer. Bei Treibstoffen, die in sich extrem inhomogen sind, ist ein Einhalten dieses Zündfähigkeitsbereiches ohne aufwendige Hilfskonstruktionen und Hilfsmittel nicht möglich. Bei Treibstoffen, die extrem schnell verbrennen oder sogar detonieren, wie z.B. Wasserstoff, wird bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten und in deren Abhängigkeit, höheren Brennkammerdrücken, der Zündfähigkeitsbereich extrem klein. Die thermischen Beeinflussungen können bereits dazu führen, daß sich der Zündfähigkeitsbereich so verschiebt, daß es zu Ausbläsern kommt.

Bei thermisch günstigen Verbrennungen von mageren Gemischen kommt es ebenfalls bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten der zu verbrennenden Medien und in deren Abhängigkeit hoher Brennkammerdrücke, zu einem sehr kleinen Zündfähigkeitsbereich. Auch hier ist die Gefahr von Ausbläsern sehr groß. Um hohe thermische Wirkungsgrade zu erzielen, muß bei offenen Systemen eine entsprechend aufwendige Konstruktion mit einer Vorbrennkammer und Ventilen verwendet werden.

Eine andere Lösung zur Beseitigung der Zündprobleme wäre eine Überfettung des Gemisches weit über das stöchiometrische Gleichgewicht hinaus. Dies würde jedoch zu schlechteren thermischen Wirkungsgraden führen. Eine katalytische Abhilfe wäre sehr teuer und eventuell auch umweltschädigend.

In der US-PS 3 733 165 ist eine Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung von flüssigen Brennstoffen beschrieben, wobei als Oxidator Sauerstoff und Luft verwandt werden. Mit der Verbrennungseinrichtung wird angestrebt, die Verwendung von Sauerstoff zwecks möglichst vollständiger Verbrennung mit einem kleinen Flammenvolumen zu kombinieren, um die durch die

Verwendung von reinem Sauerstoff erzielbaren hohen Temperaturen nicht andererseits durch ein großes Flammenvolumen wieder herabzusetzen. Hierzu wird durch ein zentrales Rohr mit einer Düse reiner Sauerstoff und in einem umgebenden größeren Leitungsrohr der Brennstoff zugeführt. Kurz vor der Düse tritt ein kleiner Anteil des Brennstoffes durch Schrägkanäle in eine Sauerstoff-Vorbrennkammer ein, verwirbelt dort mit dem Sauerstoff und verbrennt dann in der Vorbrennkammer mit einer kleinen, sehr heißen Flamme, durch die die umgebende Hauptmenge des Brennstoffes vollständig verdampft wird. In einem das Brennstoffröhr konzentrisch umgebenden dritten Rohr wird die Verbrennungsluft zugeführt, die dann mit dem verdampften, teilweise atomisierten und sehr reaktionsfähigen Brennstoff verbrennt. Die Hauptverbrennung in der vorbeschriebenen Verbrennungseinrichtung mit der Verbrennungsluft erfolgt in einer durch die Düsenmündungen gegebenen Ebene, in dieser Ebene treten die zwei Reaktionspartner, verdampfter Brennstoff und Luft, gleichzeitig aus der Düse aus, wobei in bezug auf die Gesamtmenge der vorhandenen Oxidatoren, reiner Sauerstoff und Luft, eine stöchiometrisch ausreichende Menge zur Verfügung steht. Bei dieser Verbrennungseinrichtung werden keine Probleme behandelt, die sich aus einer unterstöchiometrischen Verbrennung, d.h. aus der Verbrennung eines mageren Gemisches, insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ergeben. Der Erfingung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brenneinrichtung zur Verbrennung eines fließfähigen Brennstoffes mit einem fließfähigen Oxidator zu schaffen, durch die insbesondere die bei mageren Gemischen auftretenden Zündprobleme vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Brenneinrichtung zur Verbrennung eines brennbaren Gemisches aus zwei fließfähigen Komponenten, von denen mindestens eine mit hohem Druck oder hoher

Geschwindigkeit zugeführt wird, mit einem Gehäuse mit einer Kammer, Mittel für die Zufuhr der ersten und der zweiten Komponente und zu deren Mischung und einer Austrittsöffnung für die Verbrennungsgase. Die Erfindung besteht aus einem Injektorrohr als

Zufuhrmittel für die erste Komponente, das in das Kammergehäuse in Richtung auf dessen Austrittsöffnung hineinragt und an seinem zur Austrittsöffnung hin orientierten Ende eine hintere Axialbohrung, an seinem von der Austrittsöffnung abgewandten Ende eine engere vordere Axialbohrung, zwischen beiden Bohrungen eine Engstelle und mindestens einen radial und schräg zur Injektorachse vom Innenraum des Kammergehäuses in die Engstelle oder in deren Nähe in die vordere Axialbohrung verlaufenden, mit seinem inneren Ende in Richtung der hinteren Axialbohrung weisenden Schrägkanal aufweist, durch den ein Teil der in das Kammergehäuse einströmenden zweiten Komponente zur Engstelle oder in die vordere Axialbohrung strömt, sich dort mit der ersten Komponente mischt, wonach dieses Gemisch wenigstens zum Teil in der hinteren Axialbohrung verbrennt und aus dieser in das Kammergehäuse strömt.

Vorzugsweise besteht das Injektorrohr aus einem Grundteil mit der hinteren Axialbohrung und einer koaxialen, im Grundteil in Längsrichtung bewegbaren Injektornadel mit der vorderen Axialbohrung, wobei durch eine Bewegung der Injektornadel in axialer Richtung der Gesamtquerschnitt der Schrägkanäle veränderbar ist.

Bei einer sehr energiereichen Verbrennung im Injektorrohr kann es in Fortbildung der Erfindung notwendig sein, das Injektorrohr auf seiner Außenseite mit Kühlrippen zu versehen. Hierdurch erfolgt eine höhere Wärmeabgabe an die außen am Injektorrohr entlangströmende zweite Komponente, beispielsweise den Oxidator.

Bei einem vorne offenen Kammergehäuse, wie dieses beispielsweise bei Staustrahltriebwerken gegeben ist, muß in weiterer Fortbildung der Erfindung das Injektorrohr abgewinkelt oder bogenförmig gekrümmt ausgebildet sein.

In einer speziellen Ausbildungsform der Brenneinrichtung besteht dieses aus einem zylindrischen Kammergehäuse mit einem Kopfteil, wobei das Kopfteil zur Aufnahme des Injektorrohres eine zentrale Bohrung aufweist, um die herum Düsen als Zufuhreinrichtungen für die zweite Komponente angeordnet sind.

In einer Sonderform der Erfindung besteht das Injektorrohr aus einem katalytischen Material oder ist mit einem katalytischen Material versehen. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in perspektivischer, teilweise aufgeschnittener Darstellung wiedergegeben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brenneinrichtung mit einem

Kammergehäuse und einem Injektorrohr,

Fig. 2 die Brenneinrichtung nach Figur 1 ohne Injektorrohr,

Fig. 3 ein nicht einstellbares Injektorrohr,

Fig. 4 ein einstellbares Injektorrohr,

Fig. 4A eine auseinandergezogene Darstellung des einstellbaren Injektorrohres nach Figur 4,

Fig. 4B das einstellbare Injektorrohr nach Figur 4 mit offenen Schrägkanälen

Fig. 4C das einstellbare Injektorrohr nach

Figur 4 mit fast geschlossenen Schrägkanälen

Fig. 5 ein Injektorrohr mit Kühlrippen und

Fig. 6 ein Brennkammergehäuse mit einem abgewinkelten Injektorrohr.

In Figur 1 ist eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Darstellung einer Brenneinrichtung mit einem Kammergehäuse 1 und einem Injektorrohr 2 wiedergegeben. Das Kammergehäuse 1 dient zur Verbrennung eines fließfähigen Brennstoffes mit einem fließfähigen Oxidator bei einem hohen Brennkammerdruck oder hoher Einströmgeschwindigkeit. Unter dem Begriff "fließfähiger Stoff" sind sämtliche Flüssigkeiten, Gase oder Emulsionen, aber auch Mischungen von Flüssigkeiten oder Gasen mit Feststoffpartikeln, die jedoch fließfähige Eigenschaften haben, zu verstehen. Als eine beispielsweise Ausführungsform ist in den Figuren 1 und 2 ein zylindrisches Kammergehäuse 1 mit einem scheibenförmigen Kopfteil 11 wiedergegeben, wobei das Kopfteil 11 zur Aufnahme des Injektorrohres 2 mit einer zentralen Bohrung 12 (Fig. 2) versehen ist, um die herum mehrere Düsen 13 als Zufuhrmittel für die zweite Komponente eines brennbaren Gemisches angeordnet sind. In Figur 2 sind beispielsweise die Düsen 131 - 136 sichtbar. Die Anzahl oder Lage der Düsen 13 ist jedoch nicht von erfindungswesentlicher Bedeutung. Die Verbrennungs- gase treten durch die Austrittsöffnung 15 als Strahl aus dem Kammergehäuse 1 aus.

Das in Figur 3 wiedergegebene Injektorrohr 2 dient als Zufuhrmittel für die erste Komponente des brennbaren Gemisches. Es hat an seinem zur

Austrittsöffnung 15 orientierten hinteren Ende eine hintere Axialbohrung 21, an seinem von der Austrittsöffnung 15 abgewandten Ende eine engere vordere Axialbohrung 22 und zwischen beiden Bohrungen 21, 22 eine Engstelle 23. Außerdem verlaufen mehrere Schrägkanäle 241, 242 radial und schräg zur Injektorachse i mit dem Scheitel des

Winkels α in Richtung der vorderen Axialbohrung

21 weisend, vom Kammerinnenraum zur Engstelle 23 oder auf Seiten der hinteren Axialbohrung

22 kurz vor die Engstelle 23. Durch die Schrägkanäle 241, 242 strömt ein Teil der in das Kammergehäuse 1 einströmenden zweiten Komponente in die Engstelle 23 oder kurz vor die Engstelle 23, vermischt sich dort mit der durch die hintere Axialbohrung 22 eintretenden ersten Komponente und verbrennt in der hinteren Axialbohrung 21. Dadurch, daß die Schrägkanäle 241, 242 einen spitzen Winkel α mit der Injektorachse i bilden, übt die durch die Schrägkanäle 241,

242 zur Engstelle 23 strömenden zweite Komponente eine Sogwirkung auf die durch die vordere Axialbohrung 22 eintretende erste Komponente aus. Die Querschnittsfläche sämtlicher Schrägkanäle 241, 242 zusammen mit der Querschnittsfläche der vorderen Axialbohrung 22 ist größer als die Querschnittsfläche der Engstelle 23. Die Querschnittsfläche sämtlicher Schrägkanäle 241, 242 wird daher auch dann nicht zur Querschnittsfläche der Engstelle 23 hinzugerechnet, wenn die Schrägkanäle 242, 242 ganz oder teilweise in die Engstelle 23 hineinmünden.

Die Zündung des brennbaren Gemisches erfolgt in dem Kammergehäuse 1 durch eine Zündsonde 3. Hierfür werden in der Zündphase der Brennreinrichtung die beiden Komponenten des brennbaren Gemisches mit nur geringem Druck oder nur geringer Strömungsgeschwindigkeit in das

Kammergehäuse 1 gefördert. Nach der Zündung schlägt die Flamme bis zur Engstelle 23 zwischen den beiden Axialkanälen 21, 22 zurück, nicht jedoch über die Engstelle hinaus. Die beiden Komponenten des brennbaren Gemisches mischen sich erst an der Engstelle 23, da es vor der Engstelle 23 in der vorderen Axialbohrung 22 kein zündfähiges Gemisch gibt. Bei einer offenen Brenneinrichtung wird beispielsweise bei einem Verbrennungsdruck von 4 bar im Kammergehäuse 1,

Luft als zweite Komponente mit 5 bis 6 bar dem Kammergehäuse 1 durch die Düsen 13 und der Brennstoff als erste Komponente lediglich mit einem Druck von 0,6 bar dem Injektorrohr 2 zugeführt. Ein Rückdruck oder ein "Stottern" der Verbrennung findet selbst bei diesen großen Druckunterschieden nicht statt.

Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen ist besonders das Brennverhalten der Brenneinrichtung bei einem Überschuß der zweiten Komponente, beispielsweise Luft, als mageres Gemisch von Interesse. Der Einsatz des

Injektorrohres 2 bewirkt hier, daß bei einer Änderung von Druck und Strömungsgeschwindigkeit in dem Kammergehäuse 1 keine Veränderung des Brennverhaltens bezüglich der Zündfähigkeit des Gemisches eintritt, sondern nur bei einer Änderung der

Injektorrohreinstellung, wie diese in den Figuren 4B und 4C dargestellt ist. So läßt sich durch Vergrößern oder Verkleinern der Schrägkanäle 241, 242 die Verbrennung in dem Injektorrohr 2 beeinflussen. Die vorstehend beschriebene Entkoppelung des Brennverhaltens der Brenneinrichtung von der Magerkeit des Gemisches ist dann nicht vorhanden, wenn die erste Kompomente lediglich durch eine in das Kammergehäuse 1 hineinragende Hohlnadel, mit oder ohne Düse, dem Kammergehäuse 1 zugeführt wird. Hier kann es zu so mageren Gemischen kommen, daß die Zündfähigkeit unterschritten wird. Die hintere Axialbohrung enthält ein sehr fettes Gemisch, da der größere Anteil der zweiten Komponente außen an dem Injektorrohr 2 vorbeiströmt und nur der kleinere, durch die Schrägkanäle 241, 242 in das Injektorrohr 2 eintretende Anteil der zweiten Komponente mit der ersten Komponente im Injektorrohr 2 reagiert. Der außerhalb des Injektorrohres 2 an diesem entlangströmende Anteil der zweiten Komponente wirkt als Mantelstrom und verhindert damit, daß die Wärme des

Injektorrohres 2 dem Verbrennungssystem verloren geht. Dieser Mantelstrom vermindert den Wärmeübergang von dem heißen Kernstrom, der aus dem Injektorrohr 2 austritt, auf die äußeren Wandungen des Kammergehäuses 1, da nur das viel geringere

Temperaturgefälle zwischen Mantelstrom und äußeren Wandungen für die Wärmeverluste entscheidend ist. Damit verbleibt mehr Energie in den Verbrennungsgasen, und die Verbrennung hat insgesamt einen besseren Wirkungsgrad. Bei der Verbrennung in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 reagieren diejenigen Teile der zweiten Komponente, die durch die Schrägkanäle 241, 242; 243, 244 in das Injektorrohr 2 gelangen mit der durch die vordere Axialbohrung 22 eintretenden ersten Komponente. Bei dieser Verbrennung können jedoch aus verschiedenen Gründen unverbrannte Reste aus dem Injektorrohr 2 in das Kammergehäuse 1 gelangen. An den Randzonen des Kernstromes zum umgebenden Mantelstrom kommt es dann zu Reaktionen zwischen der im Mantelstrom befindlichen zweiten Komponente, die nicht durch die Schrägkanäle 241 - 244 in das Injektorröhr 2 gelangt ist, und den unverbrannten Resten der ersten Komponente, die durch das Injektorrohr 2 in das Kammergehäuse 1 gelangt ist. In folgenden Fällen kann es zu unverbrannten Resten der ersten Komponente kommen:

- Bei Inhomogenität einer oder beider Komponenten.

In diesem Fall verändert sich die Verbrennung in der hinteren Axialbohrung 21 in dem Maße, wie die Zusammensetzung der einen oder der beiden Komponenten sich verändert. Bei inhomogenen Brennstoffen wird das Volumenverhältnis der

Komponenten so eingestellt, daß auch bei Schwächstmöglichem Energiegehalt der jeweiligen Komponenten ein mit Sicherheit im leicht zündbaren Bereich liegendes Gemisch in der hinteren Axialbohrung 21 verbrennen kann.

Das bedeutet andererseits, daß im Falle des höchstmöglichen Energiegehaltes der ersten Komponente, diese nicht restlos mit der zweiten Kompnente, die durch die Schrägkanäle 241 - 244 in das Injektorrohr 2 gelangt, in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorröhres 2 reagieren kann.

- In einem zweiten Fall können unverbrannte Reste der ersten Komponente auch dadurch entstehen, daß sich die Drücke oder die Strömungsgeschwindigkeiten, und als deren Folge wiederum die Drücke, so verändern, daß sich als weitere Folge die Energiedichte der ersten Komponente verändert.

Bei Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Drücke, mit denen die Komponenten eingegeben werden, kann es gleichfalls unverbrannte Reste bei der Reaktion in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 kommen. - Ebenso kann es zu unverbrannten Resten kommen, wenn die Reaktionsgeschwindigkeit der Verbrennung in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 so klein ist, daß die Zeit in der die Komponenten die hintere Axialbohrung 21 durchströmen, nicht für eine vollständige Reaktion ausreicht. Dies wäre z.B. bei langsam brennenden Emulsionen denkbar. Die Gestaltung des Injektorrohres 2, insbesondere die Länge der hinteren

Axialbohrung 21, hat in solchen Fällen einen wesentlichen Einfluß auf den Ausbrand.

Beim Verlassen der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorröhres 2 haben die unverbrannten Reste der ersten Komponente eine so hohe Temperatur, daß sie sofort mit der zweiten Komponente im Mantelstrom reagieren.

Wenn eine oder beide Brennstoffkomponenten sehr inhomogen sind, ist es notwendig, das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten im Injektorrohr 25 optimal einstellen zu können. Hierzu besteht das in den Figuren 4, 4A wiedergegebene Injektorrohr 25 aus einem

Grundteil 26 mit der hinteren Axialbohrung 21 und einer koaxialen, im Grundteil 26 in Längsrichtung verschiebbaren Injektornadel 27 mit der vorderen Axialbohrung 22. Durch die axiale Verschiebung der Injektornadel 27 im

Grundteil 26 ist der Gesamtquerschnitt der Schrägkanäle 243, 244 veränderbar. Hierdurch ist es möglich, das Mischungsverhältnis beider Komponenten bei der Verbrennung in der hinteren Axialbohrung 21 nach Wunsch zu verändern. Figur 4A gibt eine auseinandergezogene Darstellung von Grundteil 26 und Injektornadel 27 wieder. Die Durchführung einer definierten Bewegung der Injektornadel 27 im Grundteil 26 kann beispielsweise durch ein in den Zeichnungen nicht wiedergegebenes Gewinde zwischen Grundteil 26 und Injektornadel 27 erfolgen.

In den Figuren 4B, 4C ist das Injektorrohr 25 mit zwei Extremstellungen der Injektornadel 27 wiedergegeben: In Figur 4B sind die Schrägkanäle 243, 244 ganz geöffnet und in Figur 4C fast geschlossen. Bei der Verbrennung unterschiedlicher Komponenten im gleichen Injektorrohr 25 braucht beim Wechsel von einem Brennstoff zum anderen nur die Injektornadel 27 in vorherbestimmter Weise verändert bzw. neu eingestellt zu werden.

In den Zeichnungen sind jeweils nur zwei Schrägkanäle 241, 242 bzw. 243, 244 wiedergegeben. Es versteht, sich jedoch, daß die Anzahl der

Schrägkanäle nicht auf diese Anzahl beschränkt ist, sondern daß jeweils so viele Schrägkanäle vorhanden sein können, wie für die Zufuhr eines ausreichenden Anteiles der zweiten Komponente oder für eine räumlich gleichmäßige Verteilung benötigt werden. In Figur 5 ist ein Injektorrohr 2 wiedergegeben, das auf seiner Außenseite Kühlrippen

28 aufweist. Die Anzahl und die Geometrie der Kühlrippen 28 muß von Fall zu Fall bestimmt werden.

Figur 6 zeigt schließlich ein vorne offenes Kammergehäuse 14, in der das Injektorrohr 2 durch einen abgewinkelten Ansatz 29 gelagert ist. Durch den Ansatz 29 hindurch wird auch die erste Komponente zugeführt. Der Ansatz

29 kann auch wie ein Kreisbogenabschnitt gekrümmt sein, sodaß ein Injektorrohr 25 mit Schrägkanälen 243, 244 mit veränderbarem Querschnitt verwendbar ist.

Zur Verbesserung der Verbrennung kann das Injektorrohr 2 aus einem katalytischen Material bestehen oder mit einem katalytischen Material versehen sein.

Bezugszeiσhenliste

Kammergehäuse

Kopfteil zentrale Bohrung

Düse 131-136 Düsen vorne offenes Kammergehäuse

Austrittsöffnung

Injektorrohr hintere Axialbohrung vordere Axialbohrung

Engstelle 241, 242 Schrägkanäle mit konstantem Querschnitt 243, 244 Schrägkanäle mit veränderbarem Querschnitt

Injektorrohr mit veränderbarem Querschnitt der

Schrägkanäle

Grundteil

Injektornadel

Kühlrippen

Zündsonde

INTERNATIONALE ANMELDUNG VERÖFFENTLICHT NACH DEM VERTRAG ÜBER DIE INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT AUF DEM GEBIET DES PATENTWESENS (PCT)

(51) Internationale Patentklassifikation 4 (11) Internationale Veröffentlichungsnummer: WO 89/ 044 F23D 11/40, F23C 6/00 AI (43) Internationales

Veröf f entlichungsdatum : 18. Mai 1989 (18.05.

(21) Internationales Aktenzeichen: PCT/EP88/00953

Veröffentlicht

(22) Internationales Anmeldedatum: Mit internationalem Recherchenbericht.

25. Oktober 1988 (25.10.88)

(31) Prioritätsaktenzeichen: P 37 37 247.5

(32) Prioritätsdatum: 3. November 1987 (03.11.87)

(33) Prioritätsland: DE

(71)(72) Anmelder und Erfinder: ZETTNER, Michael, L. [AT/DE]; Neufriedenheim 9, D-8830 Treuchtlingen (DE).

(74) Anwalt: BROSE, Manfred; Pellergasse 45, D-8500 Nürnberg 50 (DE).

(81) Bestimmungsstaaten: AT (europäisches Patent), AU, BE (europäisches Patent), BR, CH (europäisches Patent), DE (europäisches Patent), FR (europäisches Patent), GB (europäisches Patent), IT (europäisches Patent), JP, LU (europäisches Patent), NL (europäisches Patent), SE (europäisches Patent), SU, US.

(54) Title: BURNER

(54) Bezeichnung: BRENNEINRICHTUNG

(57) Abstract

A burner for combustible mixtures consisting of two fluid compo- nents comprises a chamber housing (1), first feed means for the first component, second feed means for the second component and an outlet orifice (15) for the combustion gases. The feed means for the first component is an injector tube (2) which has at the end facing the outlet orifice (15) a rear axial bore (21), at the other end a narrower front axial bore (22), a narrow passage (23) between the two bores (21, 22) and at least one inclined radial Channel (241, 242; 243, 244) inclined to the injector axis (i) at an angle α, the apex of which is turned towards the rear axial bore (21) and which ex- tends from the inner space of the chamber housing (1) to the narrow passage (23) or along the sides of the front axial bo

(22) and ends before the narrow passage (23) in such a way that a part of the second component which flows through th inclined Channel into the chamber housing (1) reaches the narrow passage, where it mixes with the first component, whic enters through the front axial bore (22), is burnt in the rear axial bore (21) from which it flows into the chamber housin (1).

(57) Zusammenfassung

Eine Brenneinrichtung zur Verbrennung eines aus zwei fließfähigen Komponenten bestehenden brennbaren Gem sches, besteht aus einem Kammergehäuse (1), ersten Zufuhrmitteln für die erste Komponente, zweiten Zufuhrmitteln fü die zweite Komponente und einer Austrittsöffnung (15) für die Verbrennungsgase. Als Zufuhrmittel für die erste Komp nente dient ein Injektorrohr (2), das an seinem zur Austrittsöffnung (15) hin orientierten Ende eine hintere Axialbohrun (21), an seinem anderen Ende eine engere vordere Axialbohrung (22), zwischen beiden Bohrungen (21, 22) eine Engstell

(23) und mindestens eine radial und schräg zur Injektorachse (i) mit dem Scheitel des Winkels α in Richtung der hintere Axialbohrung (21) weisende, vom Innenraum des Kammergehäuses (1) in die Engstelle (23) oder auf Seiten der vordere Axialbohrung (22) kurz vor die Engstelle (23) verlaufende Schrägkanal (241, 242; 243, 244) aufweist, so daß ein Teil der i das Kammergehäuse (1) einströmenden zweiten Komponente durch die Schrägkanal zur Engstelle strömt, sich dort mi der durch die vordere Axialbohrung (22) einretenden ersten Komponente mischt, in der hinteren Axialbohrung (21) ver brennt und aus dieser in das Kammergehäuse (1) strömt.

LEDIGLICH ZUR INFORMAHON

Code, die zur Identifizierung von PCT-Vertragsstaaten auf den Kopfbögen der Schriften, die internationale

Anmeldungen gemäss dem PCT veröffentlichen.

AT Österreich FR Frankreich MR Mauritanien

AU Australien GA Gabun MW Malawi

BB Barbados GB Vereinigtes Königreich NL Niederlande

BE Belgien HU Ungarn NO Norwegen

BG Bulgarien rr Italien RO Rumänien

BJ Benin JP Japan SD Sudan

BR Brasilien KP Demokratische Volksrepublik Korea SE Schweden

CF Zentrale Aürüanische Republik KR Republik Korea SN Senegal

CG Kongo u Liechtenstein SU Soviet Union

CH Schweiz LK Sri Lanka TD Tschad

CM ^"Kamerun LU Luxemburg TG Togo

DE Deutschland, Bundesrepublik MC Monaco US Vereinigte Staaten von Amerika

DK Dänemark MG Madagaskar

FI Finnland ML Mali

Beschreibung

Brenneinrichtung

Bei Verbrennungsvorgängen, wie sie in modernen

Bei einem offenen System werden Brennstoff und Oxidator in einer Brennkammer verbrannt, und die Verbrennungsgase treten aus einer Öffnung in der Brennkammer als Strahl aus. Der Gasstrahl kann beispielsweise als Antriebsmittel bei Luft- und Raumfahrzeugen oder Turbinen verwandt werden, er kann aber auch zu anderen Zwecken, wie Heizzwecken, eingesetzt werden. Bei den offenen Systemen wirkt sich eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, mit der Brennstoff und Oxidator in die Brennkammer einströmen, ungünstig auf das Zündverhalten aus. Der Bereich des Mischungsverhältnisses von Treibstoff und Oxidator, in dem dieses zündfähig ist (Zündfähigkeitsbereich), wird mit Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Brennkammerdruckes, kleiner.

Wenn das für die Zündfähigkeit notwendige

Mischungsverhältnis zwischen Brennstoff und Oxidator nicht 2. Brenneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 25 ) aus einem Grundteil ( 26 ) mit der hinteren Axialbohrung ( 21 ) und einer koaxialen, im Grundteil ( 26 ) in Längsrichtung bewegbaren Injektornadel ( 27 ) mit der vorderen Axialbohrung ( 22 ) besteht, wobei durch eine Bewegung der Injektornadel ( 27 ) in axialer Richtung, der Gesamtquerschnitt des Schrägkanals ( 243, 244 ) veränderbar ist. ( Fig. 4 ).

3. Brenneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr (2) auf seiner Außenseite zur Vergrößerung der Oberfläche Kühlrippen ( 28 ) aufweist ( Fig. 5 ).

4. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) abgewinkelt ausgebildet ist.

5. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) bogenförmig gekrümmt ausgebildet ist.

6. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein zylindrisches Kammergehäuse ( 1 ) mit einem Kopfteil ( 11 ), wobei das Kopfteil ( 11 ) zur Aufnahme des Injektorröhres ( 2 ) eine zentrale Bohrung ( 12 ) aufweist, um die herum mehrere Düsen ( 131 - 136 ) als Zufuhreinrichtungen für die zweite Komponente angeordnet sind.

7. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) aus einem katalytischen Material besteht. beschrieben, wobei als Oxidator Sauerstoff und Luft verwandt werden. Mit der Verbrennungseinrichtung wird angestrebt, die Verwendung von Sauerstoff zwecks möglichst vollständiger Verbrennung mit einem kleinen Flammenvolumen zu kombinieren, um die durch die

Verwendung von reinem Sauerstoff erzielbaren hohen Temperaturen nicht andererseits durch ein großes Flammenvolumen wieder herabzusetzen. Hierzu wird durch ein zentrales Rohr mit einer Düse reiner Sauerstoff und in einem umgebenden größeren Leitungsrohr der Brennstoff zugeführt. Kurz vor der Düse tritt ein kleiner Anteil des Brennstoffes durch Schrägkanäle in eine Sauerstoff-Vorbrennkammer ein, verwirbelt dort mit dem Sauerstoff und verbrennt dann in der Vorbrennkammer mit einer kleinen, sehr heißen Flamme, durch die die umgebende Hauptmenge des Brennstoffes vollständig verdampft wird. In einem das Brennstoffrohr konzentrisch umgebenden dritten Rohr wird die Verbrennungsluft zugeführt, die dann mit dem verdampften, teilweise atomisierten und sehr reaktionsfähigen Brennstoff verbrennt. Die Hauptverbrennung in der vorbeschriebenen Verbrennungseinrichtung mit der Verbrennungsluft erfolgt in einer durch die Düsenmündungen gegebenen Ebene. In dieser Ebene treten die zwei Reaktionspartner, verdampfter Brennstoff und Luft, gleichzeitig aus der Düse aus, wobei in bezug auf die Gesamtmenge der vorhandenen Oxidatoren, reiner Sauerstoff und Luft, eine stöchiometrisch ausreichende Menge zur Verfügung steht. Bei dieser Verbrennungseinrichtung werden keine Probleme behandelt, die sich aus einer unterstöchiometrischen Verbrennung, d.h. aus der Verbrennung eines mageren Gemisches, insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ergeben. Der Erfingung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brenneinrichtung zur Verbrennung eines fließfähigen Brennstoffes mit einem fließfähigen Oxidator zu schaffen, durch die insbesondere die bei mageren Gemischen auftretenden Zündprobleme vermieden werden.

Fig. 1 eine Brenneinrichtung mit einem

Kammergehäuse und einem Injektorrohr,

Fig. 2 die Brenneinrichtung nach Figur 1 ohne Injektorrohr,

Fig. 3 ein nicht einstellbares Injektorrohr,

Fig. 4 ein einstellbares Injektorrohr,

Fig. 4B das einstellbare Injektorrohr nach Figur 4 mit offenen Schrägkanälen

Fig. 4C das einstellbare Injektorrohr nach

Figur 4 mit fast geschlossenen Schrägkanälen

Fig. 5 ein Injektorrohr mit Kühlrippen und

Fig. 6 ein Brennkammergehäuse mit einem abgewinkelten Injektorrohr.

In Figur 1 ist eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Darstellung einer Brenneinrichtung mit einem Kammergehäuse 1 und einem Injektorrohr 2 wiedergegeben. Das Kammergehäuse 1 dient zur Verbrennung eines fließfähigen Brennstoffes mit einem fließfähigen Oxidator bei einem hohen Brennkammerdruck oder hoher Einströmgeschwindigkeit. Unter dem Begriff "fließfähiger Stoff" sind sämtliche Flüssigkeiten, Gase oder Emulsionen, aber auch Mischungen von Flüssigkeiten oder Gasen mit Feststoffpartikeln, die jedoch fließfähige Eigenschaften haben, zu verstehen. Als eine beispielsweise Ausführungsform ist in den Figuren 1 und 2 ein zylindrisches Kammergehäuse 1 mit einem scheibenförmigen Kopfteil 11 wiedergegeben, wobei das Kopfteil 11 zur Aufnahme des Injektorrohres 2 mit einer zentralen Bohrung 12 (Fig. 2) versehen ist, um die herum mehrere Düsen 13 als Zufuhrmittel für die zweite Komponente eines brennbaren Gemisches angeordnet sind. In Figur 2 sind beispielsweise die Düsen 131 - 136 sichtbar. Die Anzahl oder Lage der Düsen 13 ist jedoch nicht von erfindungswesentlicher Bedeutung. Die Verbrennungsgase treten durch die Austrittsöffnung 15 als Strahl aus dem Kammergehäuse 1 aus.

Winkels α in Richtung der vorderen Axialbohrung

242 zur Engstelle 23 strömenden zweite Komponente eine Sogwirkung auf die durch die vordere Axialbohrung 22 eintretende erste Komponente aus. Die Querschnittsfläche sämtlicher Schrägkanäle 241, 242 zusammen mit der Querschnittsfläche der vorderen Axialbohrung 22 ist größer als die Querschnittsfläche der Engstelle 23. Die Querschnittsfläche sämtlicher Schrägkanäle 241, 242 wird daher auch dann nicht zur Querschnittsflache der Engstelle 23 hinzugerechnet, wenn die Schrägkanäle 242, 242 ganz oder teilweise in die Engstelle 23 hineinmünden.

Temperaturgefälle zwischen Mantelstrom und äußeren Wandungen für die Wärmeverluste entscheidend ist. Damit verbleibt mehr Energie in den Verbrennungsgasen, und die Verbrennung hat insgesamt einen besseren Wirkungsgrad. Bei der Verbrennung in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 reagieren diejenigen Teile der zweiten Komponente, die durch die Schrägkanäle 241, 242; 243, 244 in das Injektorrohr 2 gelangen mit der durch die vordere Axialbohrung 22 eintretenden ersten Komponente. Bei dieser Verbrennung können jedoch aus verschiedenen Gründen unverbrannte Reste aus dem Injektorrohr 2 in das Kammergehäuse 1 gelangen. An den Randzonen des Kernstromes zum umgebenden Mantelstrom kommt es dann zu Reaktionen zwischen der im Mantelstrom befindlichen zweiten Komponente, die nicht durch die Schrägkanäle 241 - 244 in das Injektorrohr 2 gelangt ist, und den unverbrannten Resten der ersten Komponente, die durch das Injektorrohr 2 in das Kammergehäuse 1 gelangt ist. In folgenden Fällen kann es zu unverbrannten Resten der ersten Komponente kommen:

- Bei Inhomogenität einer oder beider Komponenten.

Das bedeutet andererseits, daß im Falle des höchstmöglichen Energiegehaltes der ersten Komponente, diese nicht restlos mit der zweiten Kompnente, die durch die Schrägkanäle 241 - 244 in das Injektorrphr 2 gelangt, in der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 reagieren kann.

Beim Verlassen der hinteren Axialbohrung 21 des Injektorrohres 2 haben die unverbrannten Reste der ersten Komponente eine so hohe Temperatur, daß sie sofort mit der zweiten Komponente im Mantelstrom reagieren.

Bezugszeichenliste

Kammergehäuse

Kopfteil zentrale Bohrung

Düse 131- 136 Düsen vorne offenes Kammergehäuse

Austrittsöffnung

Injektorrohr hintere Axialbohrung vordere Axialbohrung

Injektorrohr mit veränderbarem Querschnitt der Schrägkanäle

Grundteil

Injektornadel

Kühlrippen

Zündsonde

Claims

Patentansprüche

1. Brenneinrichtung zur Verbrennung eines brennbaren

Gemisches aus zwei fließfähigen Komponenten, von denen mindestens eine mit hohem Druck oder hoher Geschwindigkeit zugeführt wird, mit einem Gehäuse mit einer Kammer, Mitteln für die Zufuhr der ersten und der zweiten

Komponente und zu deren Mischung und einer Austrittsöffnung für die Verbrennungsgase, gekennzeichnet durch ein Injektorrohr (2) als Zufuhrmittel für die erste Komponente, das in das Kammergehäuse (1) in Richtung auf dessen Austrittsöffnung (15) hineinragt und an seinem zur

Austrittsöffnung (15) hin orientierten Ende eine hintere Axialbohrung (21), an seinem von der Austrittsöffnung (15) abgewandten Ende eine engere vordere Axialbohrung (22), zwischen beiden Bohrungen (21,22) eine Engstelle (23) und mindestens einen radial und schräg zur

Injektorachse (i) vom Innenraum des Kammergehäuses in die Engstelle (23) oder in deren Nähe in die vordere Axialbohrung (22) verlaufenden, mit seinem inneren Ende in Richtung der hinteren Axialbohrung (21) weisenden Schrägkanal (241, 242; 243, 244) aufweist, durch den ein Teil der in das Kammergehäuse (1) einströmenden zweiten Komponente zur Engstelle (23) oder in die vordere Axialbohrung (22) strömt, sich dort mit der ersten Komponente mischt, wonach dieses Gemisch wenigstens zum Teil in der hinteren Axialbohrung (21) verbrennt und aus dieser in das Kammergehäuse (1) strömt.

2. Brenneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 25 ) aus einem Grundteil ( 26 ) mit der hinteren Axialbohrung ( 21 ) und einer koaxialen, im Grundteil ( 26 ) in Längsrichtung bewegbaren Injektornadel ( 27 ) mit der vorderen Axialbohrung ( 22 ) besteht, wobei durch eine Bewegung der Injektornadel ( 27 ) in axialer Richtung, der Gesamtquerschnitt des Schrägkanals ( 243, 244 ) veränderbar ist. ( Fig. 4 ).

6. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein zylindrisches Kammergehäuse ( 1 ) mit einem Kopfteil ( 11 ), wobei das Kopfteil ( 11 ) zur Aufnahme des Injektorrohres ( 2 ) eine zentrale Bohrung ( 12 ) aufweist, um die herum mehrere Düsen ( 131 - 136 ) als Zufuhreinrichtungen für die zweite Komponente angeordnet sind.

7. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) aus einem katalytischen Material besteht.

8. Brenneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ( 2 ) mit einem katalytischen Material versehen ist.