Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer gemäss Oberbegriff des Anspruchs
1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkammer.
Stand der Technik
[0002] In der Regel muss in Brennkammern von Gasturbinen der über die entsprechenden Brenner
strömende und in der Mischzone vor der Turbine durch eine Zumischung des nicht über
die Brenner strömenden Massenstromes auf das für die Turbine adäquate Temperaturprofil
eingestellt werden. Die Qualität aus dieser Zumischung wird üblicherweise über die
Dimensionierung des Querschnittes und der Anzahl der Lufteintrittsöffnungen gesteuert.
Diese Lufteintrittsöffnungen, die zugleich als Mischluftdüsen wirken, sorgen gleichzeitig
sowohl für die nötige Eindringtiefe der dort durchströmenden und kälteren Luft in
die Heissgasströmung und erzeugen damit die für eine schnelle Mischung notwendige
makroskopische Turbulenz als auch für eine ausreichende gleichmässige Verteilung der
kälteren Luftzufuhr über die Brennkammerwand. Da diese beiden Effekte an sich gegenläufig
sind, denn grössere Düsen führen zu grösserer Eindringtiefe und schlechterer Gleichverteilung
und damit zu heissen bzw. kalten Strähnen in der Heissgasströmung, sind den erreichbaren
Gleichmässigkeiten der Mischung Grenzen gesetzt, welche sich in einer Zunahme der
Schadstoff-Emissionen und einer Minderung des Wirkungsgrades niederschlagen.
Darstellung der Erfindung
[0003] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen
gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde bei einer Brennkammer und ein Verfahren
der eingangs genannten Art eine Verbesserung der Zumischungsqualität und Herabminderung
der kalorischen Belastung der Brennkammer zu erzielen, gleichzeitig soll Aufgabe der
Erfindung sein, eine Minimierung der Schadstoff-Emissionen und Maximierung des Wirkungsgrades
zu gewährleisten.
[0004] Die Verbesserung dieser Zumischungsqualität, welche die übrigen Aufgabenziele auslöst,
wird erreicht, indem die beiden oben genannten Effekte so voneinander getrennt werden,
dass sie jeweils für sich betrachtet eine Optimierung erfahren.
[0005] Die Erzeugung der makroskopischen Wirbelbewegungen in der Heissgasströmung wird durch
wirbelerzeugende Elemente, nachfolgend nur noch Wirbelgeneratoren genannt, erzielt,
welche vorzugsweise an der Brennkammerwand oder den Brennkammerwänden in der Mischstrecke,
stromab der Primärzone, fixiert sind. Diese Wirbelgeneratoren dienen der Erzeugung
der nötigen intensiven grossräumigen Mischbewegung zwischen Heissgasen und der einzumischenden
Mischluft in Form einer Sekundärströmung, welche sich, im Gegensatz zum üblichen Vorgehen,
unabhängig gegenüber dem Mischluftstrahl verhalten.
[0006] Die Mischluft wird nun über eine Anzahl kleiner Bohrungen in der Brennkammerwand
gleichmässig dem Heissgas so zugeführt, dass eine überkritische Ausblasrate angestrebt
wird, welche gleichzeitig eine Effusionskühlung gewährleistet. Auf Grund der angestrebten
überkritischen Ausblasrate dringt die Mischluft in die Randzonen der durch die Wirbelgeneratoren
inizierten Wirbel ein, wird durch diese Wirbel von der Wand fortgetragen und vermischt
sich demnach rasch mit den Heissgasen. Da die Wirbelgeneratoren direkt den Heissgasen
ausgesetzt sind, ist die damit erzielbare ausreichende Kühlung eine unabdingbare Voraussetzung
einer derartigen Mischsektion.
[0007] Der Effusionskühleffekt beruht hauptsächlich auf der inneren konvektiven Kühlung
beim Durchgang der Mischluft durch die Durchflussöffnungen und auf der möglichen Ausbildung
eines Kühlluftfilms auf der Heissgasseite.
Wenn das Verhältnis zwischen Impuls des Mischluftstrahls und demjenigen der Heissgasströmung
klein genug ist, wird auf der Heissgasseite die Strömungsgrenzschicht von der Mischluft
nicht durchstossen und ein Kühlluftfilm kann sich optimal ausbilden. Ueberschreitet
diese Ausblasrate einen kritischen Wert, so dringt der Mischluftstrahl ohne Ausbildung
eines Kühlluftfilms in die Heissgasströmung ein. Bei geeigneter Auslegung wächst mit
steigender Ausblasrate aber gleichzeitig der wandinnere Kühleffekt so an, dass die
Gesamtkühlwirkung in etwa konstant gehalten werden kann.
[0008] Im überkritischen Bereich kann die Eindringtiefe des
Mischluftstrahls in die Heissgasströmung nahe den Wirbelgeneratoren gering gehalten
werden, mindestens eine Grössenordnung kleiner als bei den üblichen Lufteintrittsöffnungen,
da sie lediglich so gross sein muss, dass die Mischluft zwar in die Wirbel eindringt,
nicht aber der Mischluftstrahl selbst für die nötige grossskalige Turbulenz sorgen
muss. Daher sind keine grossen Durchmesser erforderlich und die Zuführung der Mischluft
kann grossflächig erfolgen.
[0009] Die vorgeschlagene Mischsektion lässt sich auch an verschiedene Lastzustände der
Gasturbine anpassen. Wenn das für die Einmischung zur Verfügung stehende Druckgefälle
variabel gestaltet wird, beispielsweise über eine einstellbare Vordrossel, so lässt
sich auch der einzumischende Mischluftstrom kontrollieren. Wechselt dabei die Ausblasrate
vom über- in den unterkritischen Bereich, ist trotz grosser Variation des Mischluftstroms
eine gleichbleibende Wirkung der Effusionskühlung über einen grossen Lastbereich gegeben.
Auf diese Weise wird sowohl die einzumischende Luft grossflächig dem Mischprozess
zugeführt und damit insgesamt die Mischqualität gesteigert, als auch die Wand der
Mischsektion unabhängig von der Mischleistung vor zu hohen Temperaturen geschützt.
[0010] Eine derartige variable Mischsektion lässt sich sowohl in den üblichen Diffusions-
und Vormischbrennkammern als auch in Brennkammerkonzepten mit gestufter Verbrennung
einsetzen.
[0011] Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung
sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
[0012] Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt
und näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen
Elemente sind weggelassen worden. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen
angegeben. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0013] Es zeigt:
- Fig. 1
- eine Brennkammer, als Ringbrennkammer konzipiert, mit einer Primärzone, einer Mischstrecke
und einer Sekundärstufe,
- Fig. 2
- eine Ansicht durch die Schittebene II-II, wobei die Wirbelgeneratoren an der Innen-
und Aussenwand der Brennkammer fixiert sind,
- Fig. 3
- eine Anordnung der Wirbelgeneratoren an der Innenwand fixiert,
- Fig. 4
- eine perspektivische Darstellung eines Wirbelgenerators,
- Fig. 5
- eine Ausführungsvariante des Wirbelgenerators,
- Fig. 6
- eine Anordnungsvariante des Wirbelgenerators nach Fig. 5,
- Fig. 7
- einen Wirbelgenerator in der Mischstrecke.
- Fig. 8-14
- Varianten über die Zuführung einer Mischluft über die Wirbelgeneratoren und
- Fig. 15
- einen allseitig perforierten Wirbelgenerator.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit
[0014] Fig. 1 zeigt, wie aus der eingezeichneten Wellenachse 15 hervorgeht, dass es sich
hier als Brennkammer um eine Ringbrennkammer 100 handelt, welche im wesentlichen 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.
An sich kann die Brennkammer auch aus einem einzigen Rohr bestehen. Des weiteren kann
diese Brennkammer die einzige Verbrennungsstufe einer Gasturbine oder eine Verbrennungsstufe
einer sequentiell befeuerten Gasturbine sein. Die Ringbrennkammer 100 gemäss Fig.
1 besteht in Anströmungsrichtung aus einer Primärzone 1, dieser schliesst sich dann
eine Mischstrecke 2 an, und dieser nachgeschaltet wirkt dann eine Sekundärstufe 3,
die vorzugsweise als Zuströmung zu einer Turbine ausgebildet ist. Der Brenner sowie
die Brennstoffzuführung und die Primärluftzuführung sind im wesentlichen am Anfang
der Primärzone 1 plaziert und sind in vorliegender Fig. 1 mit Pfeil 13 versinnbildlicht.
Die Primärzone 1 ist mit einem beabstandeten konzentrischen Rohr 11 ummantelt; dazwischen
fliesst in Gegenströmrichtung eine Kühlluftmenge 12, welche eine Konvektivkühlung
der Primärzone 1 gewährleistet. Diese Luft kann dann nach abgeschlossenem Durchlauf
beispielsweise durch die Brenner gehen. Die Heissgase 4 aus der Primärzone 1 strömen
in die Mischstrecke 2; die Innenwand 6 und die Aussenwand 5 dieser Mischstrecke 2
sind mit einer Reihe von Wirbelgeneratoren 200 bestückt, welche verschiedentlich in
Umfangsrichtung der genannten Wände unterschiedlich angeordnet sein können. Auf die
verschiedenen Formen, Wirkungsweisen und Anordnungen der Wirbelgeneratoren 200 wird
weiter unten näher eingegangen. Im Bereich der Wirbelgeneratoren 200 ist die Mischstrecke
2 durch eine Kammer 10 ummantelt, in welche eine Mischluft 8 über Regelungsorgane
9 einströmt und sich dann dort über die verschiedenen Oeffnungen in der Innenwand
6 und Aussenwand 5 als auch durch die Wirbelgeneratoren 200 verteilt, um anschliessend
in die Mischstrecke 2 zu strömen. Die erwähnten Oeffnungen sind beispielsweise in
Fig. 8, 10, 12, 14 und 15 ersichtlich; diese Figuren werden weiter unten noch näher
zur Erläuterung kommen. Die Mischluft 8 ist an sich von grösserer Menge, beispielsweise
bis zu 50% und mehr des Gesamtmassenstromes. Bei einer solchen Mischluftmenge ist
die Ausblasrate in die Mischstrecke 2 überkritisch, weshalb sich ein Kühlfilm entlang
der Wände 5, 6 an sich nicht ausbilden kann. Selbstverständlich ist es so, dass bei
starker Drosselung der Mischluft 8 über die Regelorgane 9 die möglich eingemischte
Luft 8 deutlich sinkt, weshalb dann die Menge des Heissgasstromes 4 ansteigt. Erreicht
diese Mischluftmenge 8 einmal die unterkritische Ausblasrate, so bildet sich dann
immer noch ein Kühlfilm entlang der Wände 5, 6, wodurch eine ausreichende Wandkühlung
immer noch gewährleistet ist. An sich wird aber bestimmungsgemäss eine überkritische
Ausblasrate angestrebt, weil dann die Mischluft 8 in die Randzonen der durch die dort
angeordneten Wirbelgeneratoren 200 ausgelösten Wirbel eindringt. Durch diese Wirbel
wird die einströmende Mischluft 8 von den Wänden 5, 6 fortgetragen, womit sie sich
rasch mit den durch die Brennkammer 100 strömenden Heissgasen 4 vermischt. Allseitige
Oeffnungen durch die Wirbelgeneratoren 200 (Vgl. unten Fig. 15) bilden zudem eine
ausreichende Kühlung der letztgenannten gegen die Heissgase 4. Die überkritische Ausblasrate
sorgt auch dafür, dass die Eindringtiefe der Mischluft 8 in die Heissgase 4 im Bereich
der Wirbelgeneratoren 200 klein gehalten werden kann. Sie muss lediglich so gross
sein, dass die Mischluft 8 zwar in die von den Wirbelgeneratoren 200 ausgelösten Wirbel
eindringt, nicht aber, dass die einströmende Mischluft 8 für eine grossskalige Turbulenz
sorgen muss. Von daher weisen die Oeffnungen auch keinen grossen Querschnitt resp.
Durchmesser auf, wobei die Einbringung der Mischluft 8 innerhalb der Mischstrecke
2 grossflächig erfolgen kann. Selbstverständlich lässt sich die Einbringung der Mischluft
8 in die Mischstrecke 2 in Abhängigkeit zur Last der Anlage regeln. Die senkrechte
Verbindungskante (Vgl. 4-7, Pos. 216) der Wirbelgeneratoren 200 bildet zugleich den
Uebergang von der Mischstrecke 2 zur Sekundärstufe 3, wobei hier eine Einschnürung
der Mischzone 2 resultiert, welche dann zu einem unmittelbaren Querschnittssprung
14 am Anfang der Sekundärstufe 3 führt. Die variable Aufteilung der Massenströme 4,
8 bewirkt, dass je nach Lastzustand der Anlage die Kühlwirkung der Mischluft 8 beim
Wanddurchtritt entweder durch den Wärmeübergang im Inneren der Oeffnungen alleine
oder durch eine Kombination mit dem Kühlfilm erzielt wird. Beim ersten Fall handelt
es sich um einen überkritischen Fall mit hohem Massenstrom und hohem Vordruck, beim
zweiten Fall geht es um einen unterkritischen Fall mit geringem Massenstrom und geringem
Vordruck. Demnach ist die so gebildete Mischkonfiguration variabel in dem Sinne, als
der Mischluftstrom 8 stark lastabhängig sein darf, ohne dass eine Ueberhitzung des
Materials, insbesondere der Wirbelgeneratoren 200 und der Wände 5, 6, auftritt. Auslegungskriterium
betreffend Eindüsungsgeometrie ist demnach eine über einen grösseren Bereich nur schwach
vom Mischluftstrom 8 abhängige Kühleffektivität. Eine derartige so konzepierte Mischstrecke
2 findet sowohl ihre Anwendung bei gestufter Verbrennung als auch bei Brennern, wobei
es hier darum geht, trotz veränderlicher Last mit konstantem Brennstoff-Luft-Verhältnis
fahren zu können.
[0015] Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus der Schnittebene II-II von Fig. 1 und zeigt eine Konfiguration
von Wirbelgeratoren 200, welche sowohl an der Aussenwand 5 als auch an der Innenwand
6 fixiert sind. Sie sind in Umfangsrichtung zueinander anliegend, wobei der Durchfluss
der Heissgase 4 durch den Freiraum aus der radialen Beabstandung der gegenüberliegenden
Spitzen der Wirbelgeneratoren 200 sowie aus den Zwischenräumen der frei umströmten
Flächen gegeben ist. Die in dieser Figur ersichtlichen gekrümmten Linien wollen die
von den Wirbelgeneratoren 200 ausgelösten Wirbel darstellen.
[0016] Fig. 3 entspricht weitgehend Fig. 2, wobei hier die Wirbelgeneratoren 200 nur an
der Innenwand 6 fixiert sind.
[0017] In den Figuren 4, 5 und 6 ist die eigentliche Mischstrecke 2 nicht dargestellt. Dargestellt
ist hingegen durch einen Pfeil die Strömung der Heissgase 4, womit auch die Strömungsrichtung
vorgegeben ist. Gemäss diesen Figuren besteht ein Wirbelgenerator 200, 201, 202 im
wesentlichen aus drei frei umströmten dreieckigen Flächen. Es sind dies eine Dachfläche
210 und zwei Seitenflächen 211 und 213. In ihrer Längserstreckung verlaufen diese
Flächen unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung. Die Seitenwände der Wirbelgeneratoren
200, 201, 202, welche vorzugsweise aus rechtwinkligen Dreiecken bestehen, sind mit
ihren Längsseiten mindestens 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
216 ausgeführt und steht senkrecht zu jeder Kanalwand 5, 6, mit welcher die Seitenflächen
bündig sind. Die beiden den Pfeilwinkel α einschliessenden Seitenflächen 211, 213
sind in Fig. 4 symmetrisch in Form, Grösse und Orientierung, sie sind beidseitig einer
Symmetrieachse 217 angeordnet, welche gleichgerichtet wie die Kanalachse ist.
Die Dachfläche 210 liegt mit einer quer zum durchströmten Kanal verlaufenden und sehr
schmal ausgebildeten Kante 215 an der gleichen Kanalwand 6 an wie die Seitenflächen
211, 213. Ihre längsgerichteten Kanten 212, 214 sind bündig mit den in den Strömungskanal
hineinragenden, längsgerichteten Kanten der Seitenflächen 211, 213. Die Dachfläche
210 verläuft unter einem Anstellwinkel Θ zur Kanalwand 6, deren Längskanten 212, 214
bilden zusammen mit der Verbindungskante 216 eine Spitze 218. Selbstverständlich kann
der Wirbelgenerator 200, 201, 202 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.
[0018] Die Wirkungsweise des Wirbelgenerators 200, 201, 202 ist die folgende: Beim Umströmen
der Kanten 212 und 214 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
e 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 Wirbelgenerators 200, 201, 202 selbst. Je nach Anwendung
sind diese beiden Winkel Θ und α durch konstruktive Gegebenheiten und durch den Prozess
selbst vorgegeben. Angepasst werden müssen diese Wirbelgeneratoren nur noch bezüglich
Länge und Höhe, wie dies weiter unten unter Fig. 7 noch detailliert zur Ausführung
gelangen wird.
[0019] In Fig. 4 bildet die Verbindungskante 216 der beiden Seitenflächen 211, 213 die stromabwärtsseitige
Kante des Wirbelgenerators 200. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende Kante
215 der Dachfläche 210 ist somit die von der Kanalströmung zuerst beaufschlagte Kante.
[0020] In Fig. 5 ist ein sogenannter halber "Wirbelgenerator" auf der Basis eines Wirbelgenerators
nach Fig. 4 gezeigt. Beim hier gezeigten Wirbelgenerator 201 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 Wirbelgenerator
wird hier nur ein Wirbel an der gepfeilten Seite erzeugt, wie dies in der Figur versinnbildlicht
wird. Demnach liegt stromab dieses Wirbelgenerators kein wirbelneutrales Feld vor,
sondern der Strömung wird ein Gesamtdrall aufgezwungen.
[0021] Fig. 6 unterscheidet sich gegenüber Fig. 4 insoweit, als hier die scharfe Verbindungskante
216 des Wirbelgenerators 202 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.
[0022] Fig. 7 zeigt die grundsätzliche Geometrie eines in der Mischstrecke 2 eingebauten
Wirbelgenerators 200. In der Regel wird man die Höhe h der Verbindungskante 216 mit
der Kanalhöhe H, oder der Höhe des Kanalteils, welchem dem Wirbelgenerator zugeordnet
ist, so abstimmen, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromab des Wirbelgenerators
200 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 Wirbelgenerators 200 auftritt. Es versteht sich, dass mit grösserem Verhältnis
h/H auch der Druckverlustbeiwert ansteigt.
[0023] Die Wirbelgeneratoren 200, 201, 202 werden hauptsächlich und vorzugsweise dort eingesetzt,
wo es darum geht, zwei Strömungen miteinander zu mischen. Die Hauptströmung 4 als
Heissgase attackiert in Pfeilrichtung die quergerichtete Kante 215, respektiv die
Verbindungskante 216. Die Mischluft 8 (Vgl. Fig. 1), weist eine Menge auf, die bis
zu 50% und mehr der Hauptströmung 4 beträgt. Diese Mischluftströmung 8 wird im vorliegenden
Fall stromauf und stromab der Wirbelgenerator sowie durch die Wirbelgeneratoren selbst
in die Hauptströmung 4 eingeleitet, wie dies aus Fig. 1 besonders gut hervorgeht.
[0024] In den dargestellten Beispielen gemäss Fig. 2 und 3 sind die Wirbelgeneratoren bündig
zueinander plaziert; selbstverständlich können diese Wirbelgeneratoren mit einem Abstand
zueinander über den Umfang der Mischstrecke 2 verteilt sein. Für die Wahl der Geometrie,
Anzahl und Anordnung der Wirbelgeneratoren ist letzlich der zu erzeugenden Wirbel
massgebend.
[0025] Die Figuren 8-15 zeigen weitere Wirbelgeneratoren mit verschiedenen Konfigurationen
hinsichtlich der Durchflussöffnungen oder Bohrungen für die Einströmung der Mischluft
in die Hauptströmung. Wahlweise können diese Durchgänge auch zur Einbringung eines
weiteren oder anderen Mediums, beispielsweise eines Brennstoffes, in die Mischstrecke
benutzt werden.
[0026] Fig. 10 zeigt Kanalwandbohrungen 220, die sich stromabwärts der Wirbelgeneratoren
befinden, sowie weitere Wandbohrungen 221, die sich unmittelbar neben der Seitenflächen
211, 213 und in deren Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 6 befinden, an der
die Wirbelgeneratoren fixiert sind. Die Einleitung der Mischluftströmung durch die
Wandbohrungen 221 verleiht den erzeugten Wirbeln einen zusätzlichen Impuls und Kühlwirkung,
was die Lebensdauer des Wirbelgenerators verlängert.
[0027] In Fig. 9, 10 wird die Mischluftströmung über einen Schlitz 222 oder über Wandbohrungen
223 eingedüst, wobei sich beide Vorkehrungen unmittelbar vor der quer zum durchströmten
Kanal verlaufenden Kante 215 der Dachfläche 210 und in deren Längserstreckung in der
gleichen Kanalwand 6 befinden, an der die Wirbelgeneratoren angeordnet sind. Die Geometrie
der Wandbohrungen 223 oder des Schlitzes 222 ist so gewählt, dass die Mischluft, allenfalls
ein anderes Medium, unter einem bestimmten Eindüsungswinkel in die Hauptströmung 4
eingegeben wird und den nachplazierten Wirbelgenerator als Schutzfilm gegen die heisse
Hauptströmung 4 durch Umströmung weitgehend abschirmt.
[0028] In den nachstehend beschriebenen Beispielen wird die Mischluftströmung, wie aus Fig.
1 ersichtlich, ins hohle Innere der Wirbelgeneratoren eingeleitet. Damit wird, ohne
weitere Dispositiven vorzusehen, die angestrebte Mischungsmechanik gegenüber der Hauptströmung
4 sowie die eminent wichtige Kühlmöglichkeit für die Wirbelgeneratoren selbst geschaffen.
[0029] Selbstverständlich kann die Mischluftströmung anhand einer Kombination der bereits
beschrieben Einblas-Möglichkeiten (Fig. 8-10) sowie anhand der weiteren Möglichkeiten
gemäss den nachfolgend zur Beschreibung gelangenden Figuren 11-15 eingebracht werden.
Zur Wahrung einer gewissen Uebersichtlichkeit sind die gepfeilten Durchflussöffnungen
in den verschiedenen Figuren 8-14 nur qualitativ gezeigt, womit es ohne weiteres möglich
ist, die betreffenden oder alle Flächen des Wirbelgenerators ganz mit zueinander beabstandeten
Durchflussöffnungen zu versehen, wie dies aus Fig. 15 ersichtlich ist.
[0030] In Fig. 11 wird die Mischluftströmung über Bohrungen 224 eingedüst, welche die Dachfläche
210 belegen, wobei die Einströmung der Mischluftströmung quer zum durchströmten Kanal
resp. zur Kante 215 geschieht. Die KühlunOg des Wirbelgenerators erfolgt hier mehr
extern als intern. Die austretende Mischluftströmung entfaltet bei unterkritischer
Ausblasrate beim Umströmen der Dachfläche 210 eine diese gegen die heisse Hauptströmung
4 abschirmende Schutzschicht, ansonsten, bei überkritischer Ausblasrate, entsteht
die Mischwirkung, wie sie unter Fig. 1 beschrieben worden ist.
[0031] In Fig. 12 wird die Mischluftströmung über Bohrungen 225 eingedüst, welche innerhalb
der Dachfläche 210 mindestens entlang der Symmetrielinie 217 gestaffelt angeordnet
sind. Mit dieser Variante werden die Kanalwände 6 besonders gut vor der heissen Hauptströmung
4 geschützt, da die Mischluftströmung zunächst am Aussenumfang der Wirbel eingeführt
wird.
[0032] In Fig. 13 wird die Mischluftströmung über Bohrungen 226 eingedüst, die sich mindestens
in den längsgerichteten Kanten 212, 214 der Dachfläche 210 befinden. Diese Lösung
gewährleistet eine gute Kühlung des Wirbelgenerators, da die Mischluftströmung an
dessen Extremitäten austritt und somit die Innenwandungen des Elementes voll umspült.
Die Mischluftströmung wird hier direkt in den entstehenden Wirbel hineingegeben, was
bei überkritischer Ausblasrate zu einer definierten Mischung innerhalb der Hauptströmung
führt.
[0033] In Fig. 14 geschieht die Eindüsung der Mischluftströmung über Bohrungen 227, die
sich in den Seitenflächen 211 und 213 befinden, einerseits im Bereich der Längskanten
212 und 214, andererseits im Bereich der Verbindungskante 216. Diese Variante ist
wirkungsähnlich wie jene aus Fig. 8 (Bohrungen 221) und aus Fig. 13 (Bohrungen 226).
Bezugszeichenliste
[0034]
- 1
- Primärzone
- 2
- Mischstrecke, Kanal
- 3
- Sekundärstufe
- 4
- Heissgase, Hauptströmung
- 5
- Aussenwand der Brennkammer, Kanalwand
- 6
- Innenwand der Brennkammer, Kanalwand
- 7
- Heissgase zur Beaufschlagung einer Strömungsmaschine
- 8
- Mischluft, Mischluftströmung, Sekundärströmung
- 9
- Regelorgane
- 10
- Verteilkammer
- 11
- Konzentrisches Rohr
- 12
- Kühlluft
- 13
- Brenner, Brennstoffzuführung
- 14
- Wellenachse
- 100
- Brennkammer
- 200, 201, 202
- Wirbelgeneratoren
- 210
- Dachfläche
- 211, 213
- Seitenflächen
- 212, 214
- Längsgerichtete Kanten
- 215
- Querverlaufende Kante
- 216
- Verbindungskante
- 217
- Symmetrieachse
- 218
- Spitze
- 220-227
- Durchflussöffnungen oder Bohrungen zur Eindüsung der Mischluft in die Hauptströmung
- L, h,
- Abmessungen des Wirbelgenerators
- H
- Höhe des Kanals
- α
- Pfeilwinkel
- Θ
- Anstellwinkel
1. Brennkammer, welche im wesentlichen aus einer Primärzone (1), einer in Strömungsrichtung
nachgeschalteten Sekundärstufe (3) besteht, wobei die beiden Stufen für eine Verbrennung
in einer Wirkverbindung zueinander stehen, dadurch gekennzeichnet, dass intermediär
zwischen der Primärzone und der Sekundärstufe eine Mischstrecke (2) angeordnet ist,
dass die Mischstrecke mit Wirbelgeneratoren (200, 201, 202) bestückt ist, und dass
Mischstrecke und Wirbelgeneratoren Durchlassöffnungen (220, 221, 223; 225, 226, 227)
aufweisen, über welche eine Mischluft (8) in eine Hauptströmung (4) eindüsbar ist.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wirbelgenerator (200)
drei frei umströmte Flächen aufweist, die sich in Strömungsrichtung erstrecken, von
denen eine die Dachfläche (210) und die beiden anderen die Seitenflächen (211, 213)
bilden, dass die Seitenflächen (211, 213) mit einem gleichen Wandsegment des Kanals
(2) bündig sind und miteinander den Pfeilwinkel (α) einschliessen, dass die Dachfläche
(210) mit einer quer zum durchströmten Kanal (2) verlaufende Kante (215) am gleichen
Wandsegment (5, 6) des Kanals (2) anliegt wie die Seitenflächen (211, 213), und dass
längsgerichtete Kanten (212, 214) der Dachfläche (210) bündig mit den in den Kanal
(2) hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen (211, 213) sind und unter
einem Anstellwinkel (Θ) zum Wandsegment des Kanals (5) verlaufen.
3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden den Pfeilwinkel
(α) einschliessenden Seitenflächen (211, 213) des Wirbelgenerators (200) symmetrisch
um eine Symmetrieachse (217) angeordnet sind.
4. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden den Pfeilwinkel
(α, α/2) einschliessenden Seitenflächen (211, 213) eine Verbindungskante (216) miteinander
umfassen, welche zusammen mit den längsgerichteten Kanten (212, 214) der Dachfläche
(210) eine Spitze (218) bilden, und dass die Verbindungskante (216) in der Radiale
des Kanals (2) liegt.
5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskante (216)
und/oder die längsgerichteten Kanten (212, 214) der Dachfläche (210) zumindest annähernd
scharf ausgebildet ist.
6. Brennkammer nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse
(217) des Wirbelgenerators (200) parallel zur Kanalachse verläuft, dass die Verbindungskante
(216) der beiden Seitenflächen (211, 213) die stromabwärtige Kante des Wirbelgenerators
(200) bildet, und dass die quer zum durchströmten Kanal (2) verlaufende Kante (215)
der Dachfläche (210) die von der Hauptströmung (4) zuerst beaufschlagte Kante ist.
7. Brennkammer nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskante
(216) den Uebergang zwischen Mischstrecke (2) und Sekundärstufe (3) bildet.
8. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelgenerator
(220, 201, 202) integral über alle Flächen (210, 211, 213) und über die Verbindungskante
(216) Durchflussöffnungen (225, 226, 227) aufweist.
9. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Höhe (h)
des Wirbelgenerators (200) zur Höhe (H) des Kanals (2) so gewählt ist, dass der erzeugte
Wirbel unmittelbar stromab des Wirbelgenerators (200) die volle Hohe (H) des Kanals
(2) und die volle Höhe (h) des dem Wirbelgenerator (200) zugeordneten Kanalteils ausfüllt.
10. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer eine Ringbrennkammer
ist.
11. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strecke abströmungsseitig
der Wirbelgeneratoren (200, 201, 202) venturiförmig ausgebildet ist, und dass ein
weiterer Brennstoff im Bereich der grössten Einschnürung der venturiförmigen Strecke
eindüsbar ist.
12. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelgeneratoren (200,
201, 202) mindestens an einer Kanalwand (5, 6) der Mischstrecke (2) fixiert sind.
13. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärzone (1) stromab
und die Sekundärstufe (3) stromauf von Strömungsmaschinen angeordnet sind.
14. Brennkammer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine stromab
der Sekundärstufe (3) eine Turbine ist.
15. Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer nach Anspruch 1, welche im wesentlichen aus
einer Primärzone, einer in Strömungsrichtung nachgeschalteten Sekundärstufe besteht,
wobei die beiden Stufen für eine Verbrennung in einer Wirkverbindung zueinander stehen,
dadurch gekennzeichnet, dass in eine intermediär zwischen Primärzone (1) und Sekundärstufe
(3) angeordnete Mischstrecke (2) eine Mischluft (8) in eine Hauptströmung (4) eingedüst
wird, dass die Menge dieser Mischluft (8) gegenüber der Hauptströmung (4) bei überkritischer
Einblasrate lediglich in die von Wirbelgeneratoren (200, 201, 202) erzeugten Wirbel
eindringt, und dass bei unterkritischer Einblasrate eine Filmkühlung mindestens entlang
der Mischstrecke (2) ausgelöst wird.