DE4417538A1 - Brennkammer mit Selbstzündung - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

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 Koh­ len/Wasserstoffe) Emissionen erstellt werden kann. Diesbezüg­ lich 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 Flam­ menstabilisierung, den Wirkungsgrad und die Schadstoff-Emis­ sionen, insbesondere was die NOx-Emissionen betrifft, einen Qualitätssprung darstellen. Es gibt indessen Feuerungsanla­ gen, 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 Flammenhal­ tern ergänzt wird. Im ersten Fall muß stets mit hohen NOx- Emissionen gerechnet werden, deren Ausstoßmenge längst nicht mehr mit den neueren Gesetzgebungen der marktmäßig wichtig­ sten Länder im Einklang steht; im zweiten Fall ist trotz Ein­ bau der vorgeschlagenen Vorkehrungen immer noch ein Flammen­ rückschlag von der Flammenzone ins Innere der Vormischstrecke möglich, insbesondere entlang der Innenwand, wo naturgemäß eine relativ kleine Strömungsgeschwindigkeit der Verbren­ nungsluft 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 weitge­ hend zylindrisches Rohr oder um eine Ringbrennkammer, worin ein Arbeitsgas mit einer relativ hohen Temperatur einströmt, dort mit einem eingedüsten Brennstoff zur Bildung eines Gemi­ sches kommt, wobei der Brennstoff eine Selbstzündung auslöst. Die kalorische Aufbereitung des Arbeitsgases zu Heißgas fin­ det allein innerhalb dieses Rohres oder dieser Ringbrennkam­ mer statt. Handelt es sich um eine Nachbrennkammer, welche zwischen einer Hochdruck- und Niederdruck-Turbine wirkt, so ist es schon aus Platzgründen unmöglich, Vormischbrenner ein­ zubauen oder Hilfsmittel gegen einen Flammenrückschlag vorzu­ sehen, weshalb bis anhin auf diese an sich attraktive Ver­ brennungstechnik 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.

Darstellung der Erfindung

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 Draller­ zeuger (= 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 Flammenrück­ schlag. Der Vorteil der Erfindung ist hier darin zu sehen, daß die Eindüsung des Brennstoffes hinter einer sich veren­ genden Stelle im Vormischkanal erfolgt. Diese Verengung bie­ tet den Vorteil, daß die Turbulenz durch Anhebung der Axial­ geschwindigkeit vermindert wird, was die Gefahr eines Flam­ menrückschlages durch die Veränderung der turbulenten Flam­ mengeschwindigkeit minimiert.

Des weiteren, die Aufenthaltszeit zur Verhinderung einer Selbstzündung wird verringert.

Ferner, die großräumige Verteilung des Brennstoffes wird weiterhin gewährleistet, da die Umfangskomponente der Drall­ strömung nicht beeinträchtigt wird.

Nach der verengenden Stelle im Vormischkanal wird die Axial­ komponente durch die dort stattfindende Öffnung wieder ver­ mindert: der Vorteil daraus ist darin zu sehen, daß die nun stärker werdende Turbulenz für eine homogene Vermischung sorgt.

Abströmungsseitig des Vormischkanals findet eine Quer­ schnittserweiterung statt, deren Größe den eigentlichen Strömungsquerschnitt des Brennraumes oder der Verbrennungs­ zone ergibt. Innerhalb dieser Querschnittserweiterung bilden sich während des Betriebes Randzonen, in welchen durch den dort strömungsbedingt entstehenden Unterdruck Wirbelablösun­ gen, 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 näm­ lich 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 periphä­ ren Wirbelablösungen stabilisieren die Flammenfront, derge­ stalt, daß keine zusätzliche Vorkehrungen mehr gegen eine Rückzündung der Flamme vonnöten sind.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbei­ spiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel­ bare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strö­ mungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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 Brenn­ stoff 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 zusam­ menhängenden annularen oder quasi-annularen Zylinders auf­ weist. Darüber hinaus kann eine solche Brennkammer auch aus einer Anzahl axial, quasi-axial oder schraubenförmig angeord­ neter und einzeln in sich abgeschlossener Brennräume beste­ hen. 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 stromaufwirkende Turbine 2 nur auf eine Teilentspannung der Heißgase 3 ausge­ legt, womit die Abgase 4 stromab dieser Turbine 2 noch mit einer recht hohen Temperatur in die Zuströmzone 5 der Ring­ brennkammer 1 strömen. Diese Zuströmzone 5 ist innenseitig und in Umfangsrichtung der Kanalwand 6 mit einer Reihe von wirbelerzeugenden Elementen 100, im folgenden nur noch Wir­ bel-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 Vor­ mischstrecke 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 einzel­ nen 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 Gemi­ sches 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 spe­ zifische Temperatur aufweisen, welche die brennstoffabhängige Selbstzündung auszulösen vermag. Wird die Ringbrennkammer 1 mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben, muß für die Iniziierung 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 Axialgeschwindig­ keit vermindert, was die Rückschlaggefahr durch die Verminde­ rung der turbulenten Flammengeschwindigkeit minimiert wird. Andererseits wird die großräumige Verteilung des Brennstof­ fes 9 weiterhin gewährleistet, da die Umfangskomponente der von den Wirbel-Generatoren 100 stammenden Drallströmung nicht beeinträchtigt wird. Hinter der relativ kurz gehaltenen Vor­ mischzone 7 schließt sich eine Verbrennungszone 11 an. Der Übergang zwischen der beiden Zonen wird durch einen radialen Querschnittssprung 12 gebildet, der zunächst den Durchfluß­ querschnitt der Verbrennungszone 11 induziert. In der Ebene des Querschnittssprunges 12 stellt sich auch eine Flammen­ front ein. Um eine Rückzündung der Flamme ins Innere der Vor­ mischzone 7 zu vermeiden muß die Flammenfront stabil gehal­ ten werden. Zu diesem Zweck werden die Wirbel-Generatoren 100 so ausgelegt, daß in der Vormischzone 7 noch keine Rezirku­ lation stattfindet; erst nach der plötzlichen Querschnittser­ weiterung 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 Verbren­ nungszone 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 Wirbelablö­ sungen entstehen, welche dann zu einer Stabilisierung der Flammenfront führen. Die in der Verbrennungszone 11 aufberei­ teten Abgase 4 zu Heißgasen 14 beaufschlagen anschließend eine weitere stromab wirkende Turbine 14. Die Abgase 15 kön­ nen anschließend zum Betrieb eines Dampfkreislaufes herange­ zogen werden, wobei im letztgenannten Fall die Anlage dann eine Kombianlage ist.

In den Fig. 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 Längser­ streckung verlaufen diese Flächen unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung. Die Seitenwände der Wirbel-Generatoren 100, 101, 102, welche vorzugsweise aus rechtwinkligen Dreiec­ ken 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 Symmetrie­ achse 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 e 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 Wir­ belachsen liegen in der Achse der Hauptströmung. Die Drall­ zahl und der Ort des Wirbelaufplatzens (Vortex Breakdown), sofern letzteres angestrebt wird, werden durch entsprechende Wahl des Anstellwinkels e und des Pfeilwinkels α bestimmt. Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drall­ zahl erhöht, und der Ort des Wirbelaufplatzens verschiebt sich stromaufwärts bis hin in den Bereich des Wirbel-Genera­ tors 100, 101, 102 selbst. Je nach Anwendung sind diese bei­ den 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 Aus­ führung gelangen wird.

In Fig. 2 bildet die Verbindungskante 116 der beiden Seiten­ flächen 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 Kanalströ­ mung zuerst beaufschlagte Kante.

In Fig. 3 ist ein sogenannter halber "Wirbel-Generator" auf der Basis eines Wirbel-Generators nach Fig. 2 gezeigt. Beim hier gezeigten Wirbel-Generator 101 ist nur die eine der bei­ den Seitenflächen mit dem Pfeilwinkel α/2 versehen. Die an­ dere Seitenfläche ist gerade und in Strömungsrichtung ausge­ richtet. 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, son­ dern 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 beauf­ schlagt wird. Das Element ist demnach um 180° gedreht. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, haben die beiden gegen­ läufigen 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 unmit­ telbar stromab des Wirbel-Generators 100 bereits eine solche Größe erreicht, dergestalt, daß damit die volle Kanalhöhe H ausgefüllt wird. Dies führt zu einer gleichmäßigen Geschwin­ digkeitsverteilung in dem beaufschlagten Querschnitt. Ein weiteres Kriterium, das Einfluß auf das zu wählende Verhält­ nis 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 miteinan­ der zu mischen. Die Hauptströmung 4 in Form von Verbrennungs­ luft 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 Sekundärströmung wird im vorlie­ genden Fall stromab des Wirbel-Generators in die Hauptströ­ mung eingeleitet, wie dies aus Fig. 1 besonders gut hervor­ geht.

Im dargestellten Beispiel gemäß Fig. 1 sind vier Wirbel- Generatoren 100 mit Abstand über den Umfang des Kanals 5 ver­ teilt. 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 Fig. 6-12 zeigen weitere mögliche Formen der Einfüh­ rung des Brennstoffes in die Verbrennungsluft 4. Diese Vari­ anten 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 Kanalwandbohrun­ gen 120, die sich stromabwärts der Wirbel-Generatoren befin­ den, auch über Wandbohrungen 121 eingedüst, die sich unmit­ telbar neben der Seitenflächen 111, 113 und in deren Längser­ streckung in der gleichen Kanalwand 6 befinden, an der die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Einleitung des Brenn­ stoffes 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 Vor­ kehrungen 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 Wir­ bel-Generator als Schutzfilm gegen die heiße Hauptströmung 4 durch Umströmung weitgehend abschirmt.

In den nachstehend beschriebenen Beispielen wird die Sekun­ därströmung (Vgl. oben) zunächst über nicht gezeigte Führun­ gen durch die Kanalwand 6 ins hohle Innere der Wirbel-Genera­ toren eingeleitet. Damit wird, ohne weitere Dispositiven vor­ zusehen, eine interne Kühlmöglichkeit für die Wirbel-Genera­ toren geschaffen.

In Fig. 9 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 124 einge­ düst, welche sich innerhalb der Dachfläche 110 unmittelbar hinter und entlang der quer zum durchströmten Kanal verlau­ fenden 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 einge­ düst, welche innerhalb der Dachfläche 110 entlang der Symme­ trielinie 117 gestaffelt angeordnet sind. Mit dieser Variante werden die Kanalwände 6 besonders gut vor der heißen Haupt­ strömung 4 geschützt, da der Brennstoff zunächst am Außenum­ fang der Wirbel eingeführt wird.

In Fig. 11 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 126 einge­ düst, 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 Ele­ mentes 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, einer­ seits im Bereich der Längskanten 112 und 114, andererseits im Bereich der Verbindungskante 116. Diese Variante ist wir­ kungsähnlich 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 Brenn­ stoffes in Strömungsrichtung vorgesehen werden. In diesem Fall entspricht der Eindüsungsimpuls etwa jenem der Haupt­ strömung. Der eingedüste Brennstoff 9 wird in Verbindung mit einem Anteil an Stützluft 10 über mehrere radiale Öffnungen 17 von den stromauf iniziierten 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 Aufprall­ strahlen an der gegenüberliegenden Kanalwand sowie die Bil­ dung von sogenannten "hot spots", wie dies bei einer unver­ wirbelten Strömung der Fall ist. Da der hauptsächliche Misch­ prozeß in den Wirbeln erfolgt, und er weitgehend unempfind­ lich gegen den Eindüsungsimpuls der Sekundärströmung ist, kann die Brennstoffeinspritzung flexibel gehalten werden und an andere Grenzbedingungen angepaßt werden. So kann im gan­ zen Lastbereich an sich der gleiche Eindüsungsimpuls beibe­ halten werden, wobei hier der Vollständigkeit halber auf die Ausführungen unter Fig. 14 verwiesen wird. Demnach, da die Mischungsgüte weitgehend von der Geometrie der Wirbel-Genera­ toren bestimmt wird, muß allenfalls bloß im transienten Bereich auf die Brennstoffeindüsung eingegriffen werden. Indem der Verbrennungsprozeß durch Anpassen der Zündverzugs­ zeit des Brennstoffes 9 an der Mischzeit der Wirbel optimiert wird, ist eine allgemeine Minimierung der Schadstoff-Emissio­ nen gewährleistet. Des weiteren ist hervorzuheben, dies im Zusammenhang mit der Beschreibung der Wirbel-Generatoren unter Fig. 2-4, daß die intensive Vermischung ein gutes Tem­ peraturprofil über den ganzen durchströmten Querschnitt ergibt, was bewirkt, daß das Auftreten von thermoakustischen Instabilitäten reduziert wird. Sonach wirken die Wirbel-Gene­ ratoren, 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 Brenn­ kammer angefahren wird. Dabei geht es hier darum, beim Anfah­ ren jene Bedingungen zu erstellen, welche eine optimale Mischung des eingedüsten Brennstoffes gegenüber der Haupt­ strömung 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 Brennstoffimpul­ ses führen zu thermoakustische Instabilitäten innerhalb der Brennkammer. Dies wird durch eine ständige Zuführung eines minimalen Anteils Z an Stützluft 10 verhindert.

Bezugszeichenliste

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 Öffnungen 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)

1. Brennkammer mit Selbstzündung, welche im wesentlichen aus einer Zuströmzone und einer Verbrennungszone besteht, wobei beide Zonen nacheinander geschaltet sind und dieselbe Strö­ mungsrichtung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, 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 Zuström­ zone (5) eine Vormischzone (7) anschließt, in welche ein gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff (9) als Sekundär­ strömung 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.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff (9) mit einem Anteil Stützluft (10) versehen ist.

3. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1, 2, dadurch gekenn­ zeichnet, 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.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer eine Ringbrennkammer (1) ist.

5. 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 Dach­ fläche (110) mit einer quer zum durchströmten Kanal (5) ver­ laufende Kante (115) am gleichen Wandsegment des Kanals (6) anliegt wie die Seitenflächen (111, 113), und daß längsge­ richtete Kanten (112, 114) der Dachfläche (110) bündig mit den in den Kanal (5) hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen (111, 113) sind und unter einem Anstellwin­ kel (Θ) zum Wandsegment des Kanals (5) verlaufen.

6. 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.

7. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden den Pfeilwinkel (α, α/2) einschließenden Seitenflä­ chen (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 kreisför­ migen Kanals (5) liegt.

8. 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.

9. Brennkammer nach den Ansprüchen 1, 5, 6, 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Symmetrieachse (117) des Wirbel-Generators (100) parallel zur Kanalachse verläuft, daß die Verbindungs­ kante (116) der beiden Seitenflächen (111, 113) die stromab­ wärtige 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.

10. 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 unmittel­ bar stromab des Wirbel-Generators (100) die volle Hohe (H) des Kanals (5) und die volle Höhe (h) des dem Wirbel-Genera­ tor (100) zugeordneten Kanalteils ausfüllt.