COMBUSTION CHAMBER

Abstract: Combustion chamber, in particular for use in association with high- speed burners, with a housing (2) delimiting an axial tunnel (3) and with an insert (4) which is held in the housing, designed as a hollow body, includes a nozzle opening (5) which adjoins the tunnel and is coaxial with the housing axis (11), and is delimited by end faces (6, 7) which are perpendicular to the housing axis. For reliable fixing of the insert (4) in the housing seat and for simplifying replacement of the insert, the latter (4) is aligned on a longitudinal axis (14) which runs at an angle to the two end faces (6, 7) and is inclined at an acute angle ( alpha ) to the housing axis (11). <IMAGE>

Description: Brennkammer Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer, insbesondere für den Einsatz in Verbindung mit Hochgeschwindigkeitsbrennern. Derartige Brennkammern finden hauptsächlich bei Wärmebehand lugs-, Erwärmungs- und Glühöfen in der Maschinenbauindustrie sowie in der Eisen- und Metallindustrie Verwendung. 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. 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. 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. 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 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. 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. 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. 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. 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. Vorzugsweise ist das Einsatzstück im Gehäuse 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. 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 Einsatzstückes durch ein günstiges Verhältnis zwischen den Abmessungen des Einsatzstückes und denen des Gehäuses der Brennkammer erreicht. 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. 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 Brenn kammer gemäss der Erfindung; Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II 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 Ausfüh rungsbeispiel eines Einsatzstücks mit Darstellung der auf das Einsatzstück im Betrieb einwirkenden Drücke und Kräfte. 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 ausgebi'detes 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 II-IT 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 & schneidet. In einer in Figur 4 dargestellten abgewandelten Ausführungsform ist die Achse 14 des Einsatzstücks 4 um ein Mass zea nach oben verschoben, wobei der Schnittpunkt der Achse der 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. Beim Betrieb des Brenners entsteht im Innenraum der Brennkammer ein Überdruck. 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. P1 bezeichnet den Druck in der Brennkammer und P2 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 P3 auf das Einsatzstück 4. Diese Kraft kann in die entlang der geneigten Achse 14 des Einsatzstücks 4 wirkende Kraftkomponente P4 und in die dazu rechtwinklig gerichtete Kraftkomponente P5 aufgeteilt werden, welch letztere das Einsatzstück 4 gegen das Gehäuse 2 drückt. 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 PS 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. Der maximale Neigungswinkel man des Einsatzstücks 4 zur max 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/d1= 1,4 bis 1,5; d2/d1 = 0,45 bis 0,55; und l/d2 = 1,2 bis 1,3 beträgt der maximale Neigungswinkel & max = 27 bis 30 . Hierbei bedeuten: D = grosse Achse der elliptischen Stirnfläche des Ein satzstücks 4 d = Durchmesser des Tunnels 3 d2 = Austrittsdurchmesser der Düsenöffnung 5 1 = Länge des Einsatzstücks 4 Bei der Wahl des Neigungswinkels dC der Achse 14 des Einsatzstücks 4 zur Achse 11 der Brennkammer 1 muss folgendes berücksichtigt werden: Je kleiner der Winkel d 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 d 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 L1 und L2 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 g tf 3 gewährleistet ist. Eine optimale Wirkung wird in einem Winkelbereich von dL zwischen 5 und 15 erreicht. Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, kann die Achse 14 des Einsatzstücks 4 zur Tunnelachse 11 um die Grösse e/D s (1-d1/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/d1 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 s 0,1 sein. Einem Neigungswinkel dt = 3 bis 30 streckt die Verschiebung b gegen den Strom der Verbrennungsprodukte zur längeren Achse D des Einsatzstücks 4: b/D = l/D. ctg oQ = 1,9 bis 0,17. Das optimale Ergebnis lässt sich durch eine Längsverschiebung b unter einem Neigungswinkel OL = 5 bis 15 und b/D = 1,14 bis 0,37 erreichen. 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. 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.

Claims: Ansprüche 1. Brennkammer, insbesondere für den Einsatz in Verbindung mit Hochgeschwindigkeitsbrennern, 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, 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 ( ot ) 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.

Inventors: FALIN, ALEXEI ALEXANDROVICH ODINTSOVSKY RAION, NOVIKOV, LEONID MARKOVICH, SCHEPNOVA, ELENA SERGEEVNA, SINITSYN, EVGENY ALEXANDROVICH, ZVYAGINTSEV, KIRILL NIKOLAEVICH
Applicants: RUHRGAS AKTIENGESELLSCHAFT, VNIIPROMGAZ  VSESOJUZNY NAUCHNO-ISSLEDOVATELSKY INSTITUT ISPOLZOVANIYA GAZA V NARODNOM KHOZYAISTVE,
Application year: 1985
Main classification: F23C3
IPC codes: F23C3, F23M5, F23R3, F23D14