[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer, insbesondere für den Einsatz in
Verbindung mit Hochgeschwindigkeitsbrennern.
[0002] Derartige Brennkammern finden hauptsächlich bei Wärmebehandlungs-, Erwärmungs- und
Glühöfen in der Maschinenbauindustrie sowie in der Eisen- und Metallindustrie Verwendung.
[0003] Die vor allem bei Hochgeschwindigkeitsbrennern verwendeten keramischen Brennkammern
haben aufgrund der hohen Betriebstemperaturen und des insbesondere bei impulsgesteuerten
Brennern starken Wärmeaustausches nur eine begrenzte Lebensdauer und müssen daher
entsprechend häufig ausgewechselt werden. Ein Auswechseln der Brennkammer bedingt
lange Stillstandzeiten und hohe Reparaturkosten.
[0004] Es ist bekannt, zur Senkung der Material- und Reparaturkosten die Brennerkammer mit
einem als Hohlkörper ausgebildeten Düsen Einsatzstück zu versehen, das im Brennergehäuse
befestigt ist und die Düsenöffnung umschließt. Das Einsatzstück besteht vorzugsweise
aus einem wärmebeständigeren Werkstoff als die übrigen Teile der Brennkammer.
[0005] Eine aus der US-PS-3 320 999 bekannte Brennkammer besteht aus einem Gehäuse und einem
hohlen Einsatzstück aus Keramikmaterial, die in einem Metallgehäuse angeordnet sind.
Das hohle Einsatzstück ist zusammen mit dem Brennkammergehäuse fest im Brennergehäuse
installiert. Zum Austausch des Einsatzstücks muß der gesamte Brenner mit der Brennkammer
aus der Anlage ausgebaut werden. Dies führt zu langen Stillstandzeiten und dementsprechend
hohen Reparaturkosten. Aufgrund des festen Einbaus der keramischen Brennkammer im
Metallgehäuse besteht die Gefahr, daß die Brennkammer bei hohen Temperaturen infolge
Wärmeausdehnung der Kammer mechanisch überlastet wird und bricht.
[0006] Aus der GB-PS-2 069 683 ist eine Brennerkammer mit einem Gehäuse aus feuerfestem
Stein mit einem axialen Tunnel bekannt, der sich zum Eintritt hin verjüngt und im
Mittelabschnitt erweitert ist. Am austrittsseitigen Ende ist ein Einsatzstück eingebaut,
das eine sich verjüngende Austrittsdüse bildet. Das Einsatzstück ist mit der Tunnelachse
ausgerichtet und mit dem Tunnelgehäuse durch feuerfestes Material verbunden. Beim
Betrieb dieser bekannten Brennkammer kann sich unter Einwirkung hoher Temperaturen
und infolge Wärmeaustauschs die Verbindung zwischen dem Einsatzstück und dem Gehäuse
lösen. Dies hat zur Folge, daß das Einsatzstück bei Überdruck in der Brennkammer und/oder
aufgrund von Vibrationen der Anlage aus seiner Einsatzposition im Anschluß an den
Tunnel ausgeschoben wird und herausfällt. Dieser Mangel wurde wiederholt bei Brennern
beobachtet, deren Brennkammern mit der Gehäuseachse symmetrisch ausgerichtete Einsatzstücke
besitzen. Die Gefahr des Auswurfs des Einsatzstücks wird bei impulsgesteuertem Betrieb
des Brenners (impulsweises Ein- und Ausschalten des Brenners) erhöht. Der Auswurf
des Einsatzstückes aus dem Tunnel der Brennkammer führt nicht nur langen Stillstandzeiten
des Ofen und zu hohen Reparaturkosten der Brennkammer, sondern auch zu Unterbrechungen
der Wärmebehandlung des Glühgutes mit den entsprechenden Folgeschäden.
[0007] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer mit einem Einsatzstück
derart auszustatten, daß das Einsatzstück im Brennkammergehäuse zuverlässig festgelegt
ist und trotzdem rasch und kostengünstig ausgewechselt werden kann.
[0008] Ausgehend von einer Brennkammer mit einem einen axialen Tunnel begrenzenden Gehäuse
und einem im Gehäuse gehalterten, als Hohlkörper ausgebildeten Einsatzstück, das eine
an den Tunnel anschließende, zur Gehäuseachse koaxiale Düsenöffnung umschließt und
durch zur Gehäuseachse senkrechte Stirnflächen begrenzt ist, ist erfindungsgemäß zur
Lösung dieser Aufgabe vorgesehen, daß das Einsatzstück auf einer Längsachse ausgerichtet
ist, die schräg zu den beiden Stirnflächen und unter einem spitzen Winkel zur Gehäuseachse
geneigt verläuft.
[0009] Die erfindungsgemäß Ausbildung der Brennkammer gewährleistet eine sichere Verankerung
des Einsatzstückes im Gehäuse. Das Einsatzstück wird einerseits durch Schwerkraft
und andererseits durch betriebliche Kippmomente in der Sitzfläche im Gehäuse verkeilt
gehalten. Für die Befestigung des Einsatzstücks im Gehäuse ist die Verwendung eines
feuerbeständigen Fixiermittels nicht unbedingt erforderlich. Daher läßt sich das Einsatzstück
bei der erfindungsgemäßen Brennkamer besonders leicht austauschen. Im Ergebnis erreicht
die Erfindung eine längere Betriebszeit der Brennkammer eine Verringerung der Betriebskosten
und eine Erhöhung der Leistung der Anlage aufgrund kürzerer Stillstandzeiten bei Reparatur
oder Austausch der Brennkammer.
[0010] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Einsatzstück
im Gehäuse so angeordnet ist, daß seine Längsachse die Gehäuseachse an einem Punkt
schneidet, der entgegen der Strömungsrichtung der Verbrennungsprodukte von der inneren
Stirnseite des Einsatzstücks beabstandet ist. Dies führt zu einer Erhöhung des Kippmomentes,
durch das das Einsatzstück in seiner Sitzfläche im Gehäuse gehalten wird. Selbst bei
geringen Neigungswinkeln der Achse des Einsatzstückes in Bezug auf die Gehäuseachse
ist das Kippmoment ausreichend, um das Einsatzstück zuverlässig im Brennergehäuse
festzulegen. Dadurch können auch die Abmessungen und der Materialeinsatz der Brennkammer
verringert werden.
[0011] Vorzugsweise ist das Einsatzstuck im Gehause so angeordnet, daß seine Achse zur Achse
des Gehäuses unter einem spitzen Winkel zwischen 3 und 30° verläuft. Innerhalb dieses
Winkelbereichs ist eine sichere Befestigung des Einsatzstücks im Gehäuse bei vertretbaren
Gehäuseabmessungen gewährleistet.
[0012] Der Schnittpunkt der Achse des Einsatzstückes und des Gehäuses sollte gegenüber der
inneren Stirnfläche vorzugsweise um ein Maß verschoben sein, dessen Verhältnis zum
maximalen Durchmesser der inneren Stirnfläche des Einsatzstückes im Bereich von 1,9
bis 0,17 liegt. Auch hierdurch wird eine bessere Verankerung des Einsatzstükkes durch
ein günstiges Verhältnis zwischen den Abmessungen des Einsatzstückes und denen des
Gehäuses der Brennkammer erreicht.
[0013] Das Einsatzstück kann aber auch im Gehäuse so angeordnet sein, daß der Schnittpunkt
seiner Achse mit der des Gehäuses in der Ebene der inneren Stirnfläche des Einsatzstückes
liegt.
[0014] Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Brennkammer gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 11-11 in Fig. 1:
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III―III in Fig. 1;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Einsatzstückes; und
Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Einsatzstücks
mit Darstellung der auf das Einsatzstück im Betrieb einwirkenden Drücke und Kräfte.
[0015] In Figur 1 ist im Längsschnitt die Brennkammer 1 mit einem Gehäuse 2 dargestellt
in welchem ein axialer Tunnel 3 verläuft. In einem stirnseitigen Endabschnitt des
Gehäuses 2 sitzt ein als Hohlkörper ausgebildetes Einsatzstück 4 mit einer Düsenöffnung
5, die koaxial zur Längsachse 11 des Gehäuses 2 angeordnet ist. Das Einsatzstück 4
hat eine im wesentlichen zylindrische Mantelfläche (Schnitt III―III gemäß Figur 3),
deren Zylinderachse 14 unter einen spitzen Winkel gegen die Gehäuseachse 11 geneigt
ist. Eine innere Stirnfläche 6 sowie eine äußere Stirnfläche 7 des Einsatzstückes
4 liegen in senkrecht zur Gehäuseachse 11 verlaufenden Ebenen; die Stirnflächen 6
und 7 haben daher eine elliptische Form (Schnitt 11-11 gemäß Figur 2) und verlaufen
schräg zur Längsachse des Einsatzstücks. In der Darstellung gemäß Figur 1 ist das
Einsatzstück 4 im Gehäuse 2 so eingebaut, daß seine Achse 14 die Gehäuseachse 11 etwa
in der Ebene der (stromaufwärts der Verbrennungsprodukte gelegenen) inneren Stirnfläche
6 des Einsatzstücks unter einem spitzen Winkel a schneidet.
[0016] In einer in Figur 4 dargestellten abgewandelten Ausführungsform ist die Achse 14
des Einsatzstücks 4 um ein Maß "e" nach oben verschoben, wobei der Schnittpunkt der
Achse 14 des Einsatzstücks 4 mit der Achse 11 des Gehäuses 2 entgegen der Stromrichtung
der Verbrennungsprodukte gegenüber der Stirnfläche 6 verschoben ist. Wie aus Figur
4 erkennbar ist, wird dadurch die Materialmasse des Einsatzstückes oberhalb der zur
Gehäuseachse 11 koaxialen Düsenöffnung 5 wesentlich größer als die Materialmasse unterhalb
der Düsenöffnung 5.
[0017] Beim Betrieb des Brenners entsteht im Innenraum der Brennkammer ein Uberdruck. Wenn
die Haftverbindung zwischen dem Gehäuse 2 (Figur 1) und dem Einsatzstück 4 fehlt oder
fortfällt, so wirken auf das Einsatzstück die in Figur 5 dargestellten Drücke und
Kräfte. P, bezeichnet den Druck in der Brennkammer und P
2 den Druck in der Anlage. Wegen der asymmetrischen Form des Einsatzstücks 4 ruft die
auf das Einsatzstück einwirkende Druckfront ein Kippmoment M = P.a hervor; hierbei
bedeuten P eine gleichwirkende Druckkraft und a den Kraftarm der Kraft P. Außerdem
wirkt in Richtung der Längsachse 11 der Brennkammer 1 eine Axialkraft P
3 auf das Einsatzstück 4. Diese Kraft kann in die entlang der geneigten Achse 14 des
Einsatzstücks 4 wirkende Kraftkomponente P
4 und in die dazu rechtwinklig gerichtete Kraftkomponente P
5 aufgeteilt werden, welch letztere das Einsatzstück 4 gegen das Gehäuse 2 drückt.
[0018] Das Kippmoment M drückt das Einsatzstück 4 gegen die komplementäre Sitzfläche im
Gehäuse 2 und ist im Uhrzeigersinn wirksam. Außerdem wirkt einem Herausrutschen des
Einsatzstücks 4 aus dem Gehäuse 2 die Kraftkomponente P
5 entgegen. Bei einem Herausrutschen aus der Gehäusesitzfläche müßte das Einsatzstück
4 eine Aufwärtsbewegung ausführen, so daß zusätzlich zur Reibkraft noch die Schwerkraft
zu überwinden wäre.
[0019] Der maximale Neigungswinkel a
max des Einsatzstücks 4 zur Brennkammerachse 11 kann geometrisch durch den Schnittpunkt
der unteren Mantellinie des Einsatzstücks 4 mit dessen äußeren Stirnfläche 7 im Punkt
C (Figur 1) bestimmt werden. Bei den praktisch zulässigen Verhältnissen D/d
i = 1,4 bis 1,5; d
2/d
j = 0,45 bis 0,55; und 1/d
2 = 1,2 bis 1,3 beträgt der maximale Neigungswinkel a
max = 27 bis 30°. Hierbei bedeuten:
D = große Achse der elliptischen Stirnfläche des Einsatzstücks 4
d, = Durchmesser des Tunnels 3
d2 = Austrittsdurchmesser der Düsenöffnung 5
1 = Länge des Einsatzstücks 4
[0020] Bei der Wahl des Neigungswinkels a der Achse 14 des Einsatzstücks 4 zur Achse 11
der Brennkammer 1 muß folgendes berücksichtigt werden: Je kleiner der Winkel a ist,
um so kleiner sind auch das Kippmoment M und die Hubbewegung des Einsatzstücks 4 beim
Verschieben. Dementsprechend geringer ist der Halt des Einsatzstücks in der Sitzöffnung
des Gehäuses 2. Ist dagegen der Winkel a größer, so ist auch der Halt des Einsatzstücks
4 in der Sitzöffnung größer. Jedoch muß in diesem Falle die Materialstärke des Gehäuses
2 zur Einhaltung der zulässigen Maße L, und L
2 vergrößert werden, damit das Gehäuse 2 an den dünnsten Stellen nicht aufreißen kann.
Bei einer Vergrößerung des Neigungswinkels steigt auch die Beanspruchung im spitzwinkligen
Übergangsbereich B des Gehäuses 2. Darüberhinaus treten auch Schwierigkeiten bei der
Formgebung des Einsatzstücks 4 auf, wenn der Winkel a vergrößert wird. Untersuchungen
haben gezeigt, daß ein ausreichend günstiger Effekt bei einem Winkel a = 3° gewährleistet
ist. Eine optimale Wirkung wird in einem Winkelbereich von a zwischen 5 und 15° erreicht.
[0021] Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, kann die Achse 14 des Einsatzstücks 4 zur Tunnelachse
11 um die Größe e/D :-5 (1-d,/D): 2 verschoben werden. Dabei bedeutet e = Verschiebung
der Achse des Einsatzstücks 4 nach oben. Jedoch wird bei einem extremen Wert von e/D
die Stärke der Wandung des Einsatzstücks 4 im unteren Teil fast Null. Deshalb ist
dieser Wert als Grenzwert zu betrachten. In der Praxis beträgt beim Verhältnis D/d
i :5 1,4 bis 1,5 der Grenzwert für die Verschiebung e/d = 0,15. Um jedoch die zulässige
Minimalstärke von 20 bis 25 mm der Wandung des unteren Teils des Einsatzstücks 4 einhalten
zu können, muß das Verhältnis e/D ≤ 0,1 sein. Einem Neigungswinkel a = 3 bis 30° streckt
die Verschiebung b gegen den Strom der Verbrennungsprodukte zur längeren Achse D des
Einsatzstücks 4: b/D = 1/D. ctg a = 1,9 bis 0,17. Das optimale Ergebnis läßt sich
durch eine Längsverschiebung b unter einem Neigungswinkel a = 5 bis 15° und b/D =
1,14 bis 0,37 erreichen.
[0022] Aufgrund der asymmetrischen Form des Einsatzstücks 4 entsteht durch Verschiebung
der Einsatzstückachse 14 nach oben ein zusätzliches Kippmoment, welches bei Betrieb
des Brenners das Einsatzstück in der Sitzöffnung des Gehäuses festlegt. Wenn man deshalb
die Achse 14 des Einsatzstücks gleichzeitg kippt und verschiebt, kann man bei kleineren
Kipp- und Verschiebungswinkeln das der obigen Beschreibung entsprechende Ergebnis
erzielen.
[0023] Wie in den Figur 2 und 3 dargestellt ist, sind das Einsatzstück 4 und die komplementäre
Sitzfläche im Gehäuse 2 an einer Seite abgeflacht, um ein Drehen des Einsatzstücks
4 um dessen Achse 14 zu verhindern.
1. Brennkammer, insbesondere für den Einsatz in Verbindung mit Hochgeschwindigkeitsbrennern,
mit einem einen axialen Tunnel begrenzenden Gehäuse und einem im Gebäude gehalterten,
als Hohlkörper mit im wesentlichen zylindrischer Mantelfläche ausgebildeten Einsatzstück,
das eine an den Tunnel anschließende, zur Gehäuseachse koaxiale Düsenöffnung umschließt
und durch zur Gehäuseachse senkrechte Stirnflächen begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Einsatzstück (4) auf einer Längsachse (14) ausgerichtet ist, die schräg zu
den beiden Stirnflächen (6, 7) und unter einem spitzen Winkel (a) zur Gehäuseachse
(11) geneigt verläuft.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzstück (4) im
Gehäuse (2) so angeordnet ist, daß seine Längsachse (14) die Gehäuseachse (11) an
einem Punkt schneidet, der entgegen der Strömungsrichtung der Verbrennungsprodukte
mit Abstand von der Ebene der inneren Stirnfläche (6) angeordnet ist.
3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittpunkt der Achsen
(14, 11) des Einsatzstücks (4) und des Gehäuses (2) gegenüber der inneren Stirnfläche
(6) um ein Maß (b) verschoben ist, dessen Verhältnis zum maximalen Durchmesser (D)
der inneren Stirnfläche (6) des Einsatzstücks (4) im Bereich von 1,9 bis 0,17 liegt.
4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß, das Einsatzstück (4) im
Gehäuse (2) so angeordnet ist, daß der Schnittpunkt seiner Achse (14) mit der Achse
(11) des Gehäuses (2) in der Ebene der inneren Stirnfläche (6) des Einsatzstücks (4)
liegt.
5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzstück
(4) im Gehäuse (2) so angeordnet ist, das seine Achse (14) zur Achse (11) des Gehäuses
(2) unter einem spitzen Winkel (a) zwischen 3 und 30° verläuft.
1. Chambre de combustion, particulièrement pour brûleurs à impulsion, avec un carter
entourant un tunnel axial et une garniture fixée dans le carter, conçue comme corps
creux avec une enveloppe en principe cylindrique, enfermant l'ouverture d'une tuyière
coaxiale par rapport à l'axe du carter en prolongation du tunnel et limitée par des
surfaces perpendiculaires sur l'axe du carter, caracterisée par le fait que la garniture
(4) est disposée sur un axe longitudinal (14) incliné par rapport aux surfaces (6,
7) sous un angle aigu (a) par rapport à l'axe du carter (11).
2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la
garniture (4) dans le carter (2) est disposée de la manière que son axe longitudinal
(14) coupe l'axe du carter (11) dans un point qui se trouve à une certaine distance
du plan de la surface intérieure (6) en direction opposée à l'écoulement des produits
de combustion.
3. Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée par le fait que le
point de coupure des axes (14, 11) de la garniture (4) et du carter (2) est déplacé
par rapport à la surface intérieure (6) d'une distance (b) dont le rapport avec le
diametre maximal (D) de la surface (6) de la garniture (4) se trouve dans une plage
allant de 1,9 à 0,17.
4. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la
garniture (4) est disposée dans le carter (2) de la manière que le point d'intersection
de son axe (14) avec l'axe (11) du carter (2) se trouve sur le même plan que la surface
intérieure (6) de la garniture (4).
5. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le
fait que la garniture (4) est disposée dans le carter (2) de la manière que son axe
(14) est incliné par rapport à l'axe (11) du carter (2) sous un angle aigu (a) entre
3 et 30°.
1. A combustion chamber, particularly for use with high-velocity burners comprising
a body bounding an axial tunnel and an insert held by said body, of the type of a
hollow body with a substantially cylindrical surface, said insert surrounding a nozzle
port coaxial with the body centerline adjoining said tunnel and being limited by faces
intersecting said body centerline at right angles characterized in that said insert
(4) is centered on a longitudinal axis (14) which is inclined with respect to said
two faces (6, 7) and intersects said body centerline (11) at an acute angle (a).
2. A combustion chamber according to claim 1 characterized in that said insert (4)
is arranged inside said body (2) so that its longitudinal axis (14) intersects said
body centerline (11) at a point spaced relative to the plane of the inner face (6)
in the direction opposite to the direction of combustion product flow.
3. A combustion chamber according to claim 2 characterized in that the point of intersection
of said axis (14) of said insert (4) and said centerline (11) of said body (2) is
displaced with respect to said inner face (6) by a distance (b), the ratio of said
distance (b) and the maximum diameter (D) of said inner face (6) of said insert (4)
being in the range between 1.9 and 0.17.
4. A combustion chamber according to claim 1 characterized in that said insert (4)
is arranged inside said body (2) so that the point of intersection of its axis (14)
and the centerline (11) of said body (2) is situated in the plane of said inner face
(6) of said insert (4).
5. A combustion chamber according to any one of claims 1 through 4 characterized in
that said insert (4) is arranged inside said body (2) so that its axis (14) and the
centerline (11) of said body (2) enclose an acute angle (a) between 3° and 30°.