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B e s c h r e i b u,n g
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Dampferzeuger Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger zur Erzeugung
von Wasserdampf, bei welchem Wasserstoff- und Sauerstoffgas in einer Brennkammer
verbrennbar sind und bei welchem Wasser in die heißen Brenngase einspritzbar ist,
mit einem rohrförmigen Gehäuse mindestens einem ringförmigen, konzentrisch zum Gehäuse
angeordneten Verteilerraum für das einzuspritzende Wasser in der Wand des Gehäuses
und mit vom Verteilerraum im wesentlichen radial aus der Wand in die Brennkammer
austretenden Einlaßkanälen für das einzuspritzende Wasser.
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Ein solcher Dampferzeuger ist aus der DE-OS 29 33 932 bekannt.
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Bei bekannten Dampferzeugern dieser Art ergibt sich das Problem, daß
aufgrund der hohen Temperaturen der Brennkammergase und der hohen Drücke in der
Brennkammer diese heißen Gase in das Wassereinspritzsystem gelangen und dort aufgrund
ihrer hohen Temperaturen Zerstörungen anrichten können. Besonders schwierig ist
die Situation dann, wenn ein zündfähiges Gasgemisch in das Eihspritzsystem gelangt.
Bei Inbetriebnahme des Dampferzeugers
kann dann eine Zündung dieses
Gemisches im Einspritzsystem erfolgen; Die extremen Bedingungen in der Wand des
Dampferzeugers machen es außerdem außerordentlich schwer, die Menge des eingespritzten
Wassers entsprechend der jeweils gewünschten Betriebsart genau zu dosieren. Dabei
ist zu bedenken, daß im Innern der Brennkammer Drücke von unter Umständen einigen
Hundert Bar herrschen, die von dem einzuspritzenden Wasser überwunden werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese beschriebenen Nachteile
zu vermeiden und einen Dampferzeuger vorzuschlagen, bei welchem sichergestellt ist,-
daß insbesondere im abgeschalteten Zustand keine Brennkammergase in das Einspritzsystem
gelangen.
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Diese Aufgabe wirt bei einem Dampferzeuger der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verteilerraum an seiner der Brennkammer
zugewandten Seite konisch ausgebildet ist, daß die Einlaßkanäle in diesem konischen
Wandbereich aus dem Verteilerraum austreten, daß ein konzentrisch zum Gehause angeordneter
Ringschieber im Gehäuse parallel zu dessen Längsachse verschieblich gelagert ist
und mit einem komplementär zu dem konischen Wandbereich des Verteilerraums ausgebildeten
Bereich in den Verteilerraum hineinragt, und daß Mittel zum Verschieben des Ringschiebers
aus einer Schließstellung, in der der konische Bereich des Ringschiebers flächig
an dem konischen Wandbereich des Verteilerraums anliegt und die Einlaßkanäle verschließt,
in eine Offenstellung vorgesehen sind, in welcher der konische Bereich des Ringschiebers
vom konischen Wandbereich des Verteilerraums entfernt ist und die Einlaßkanäle
freigibt.
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Mit einer solchen Vorrichtung einer konischen Dichtfläche und eines
konischen, komplementär ausgebildeten Ringschiebers ist es bei kleinen Abmessungen
auch bei den extremen in der Wand des Gehäuses herrschenden Bedingungen möglich,
eine einwandfreie, gegenüber dem Innendruck der Brennkammer zuverlässig wirkende
Abdichtung zu erzielen. Dabei wird diese Abdichtung durch die flächige Anlage des
konischen Ringschieberbereiches am konischen Wandbereich des Verteilerraums erreicht,
also durch eine Dichtung zwischen zwei konischen Metallflächen.
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Vorteilhaft ist es, wenn angrenzend an den konischen Wandbereich des
Verteilerraums eine elastische Ringdichtung in die Wand des Verteilerraums eingelassen
ist, an welcher die freie Kante des Ringschiebers in der Schließstellung dichtend
zur Anlage gelangt. Dadurch wird die Dichtwirkung des Schiebers gegenüber der konischen
Dichtfläche des Verteilerraums unter stützt.
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Es kann dabei vorgesehen sein, daß die Ringdichtung im Querschnitt
trapezförmig ausgebildet ist, daß die schmale Parallelseite der Dichtung dem Ringschieber
zugewandt ist, daß zur Aufnahme der Ringdichtung eine der Kontur der Ringdichtung
angepaßte, hinterschnittene Ringnut in der Wand des Verteilerraums vorgesehen ist
und daß ein die Ringdichtung in der Ringnut fixierender Haltering an der Wand des
Verteilerraums befestigt ist.
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Vorzugsweise besteht der Haltering aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit,
so daß dieser die Weichdichtung vor den hohen Temperaturbelastungen zuverlässig
schützt.
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Der Ringschieber ist zum Verschieben vorzugsweise mit einem hydraulischen
oder pneumatischen Druckmittel beaufschlagbar.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Ringschieber außerhalb des Verteilerraums einen radial abstehenden Kragen
aufweist, der sich in einem neben dem Verteilerraum angeordneten, ringförmigen Zylinderraum
befindet- und diesen in zwei Teilräume unterteilt, daß die beiden Teilräume durch
ringförmige Dichtungen zwischen der Wand des Zylinderraums und dem Ringschieber
gegeneinander abgedichtet sind und daß jeder Teilraum über eine Leitung mit einer
Druckmittelquelle in Verbindung steht. Auf diese Weise kann durch unterschiedliches
Einleiten von Druckmittel in die beiden Teilräume der Ringschieber in axialer Richtuna
verschoben werden, wobei selbstverständlich Zwischenstellungen möglich sind.
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Zur Uberwachung der jeweiligen Stellung des Ringschiebers kann ein
mit diesem verbundenes Teil vorgesehen sein, welches je nach Stellung des Ringschiebers
in keine einen oder mehrere Lichtwege einer Anzahl parallel zueinander angeordneter
Lichtschranken eintaucht.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen,
daß parallel zu der der Brennkammer zugewandten Wand des Gehäuses Kühlleitungen
in der Wand eingelassen sind, die einerseits mit einer Zufuhrleitung für Kühlwasser
und andererseits über eine Verbindungsleitung mit dem Verteilerraum in Verbindung
stehen, und daß der Ringschieber in seiner vollständig geöffneten Stellung Wasser
in den Verteilerraum zuführende Versorgungsleitungen verschließt, so daß nur das
Kühlwasser aus den Xühlleitungen über die Einlaßkanäle unmittelbar in die Brennkammer
gelangt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Verteilerraum an seiner dem konischen Wandbereich
gegenüberliegenden Seite ebenfalls mit gleicher öffnungsrichtung konisch ausgebildet
ist, wenn in diesem Bereich die Versorgungsleitungen in den Verteilerraum einmünden
und wenn der Schieber einen komplementären Dichtbereich aufweist, der in der vollständig
geöffneten Stellung des Schiebers flächig an dem konischen Bereich des Verteilerraums
anliegt und die Versorgungsleitungen dicht verschließt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Gehäuse
aus einem der Brennkammer benachbarten inneren Mantel und zwei diesen umgebenden,
nebeneinander angeordneten Ringkörpern besteht, wobei der innere Mantel aus einem
gut wärmeleitenden Metall besteht und Kühlwasserleitungen aufnimmt. Es ist dabei
vorteilhaft, wenn der konische Wandbereich des Verteilerraums vom inneren Mantel
und die übrigen Wände des Verteilerraums von einem der beiden Ringkörper gebildet
werden und wenn der innere Mantel gegenüber diesem Ringkörper abgedichtet ist.
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Weiterhin kann vorgesehen. sein, daß der der Verschiebung des Ringschiebers
dienende Zylinderraum im anderen Ringkörper angeordnet ist und der Ringschieber
zwischen dem inneren Mantel und dem die übrigen Wände des Verteilerraums bildenden
Ringkörper in den Verteilerraum abgedichtet eintaucht.
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Vorzugsweise befindet sich eine der zu den Teilräumen führenden Leitungen
in dem den Zylinderraum aufnehmenden Ringkörper, die zum anderen Teilraum führende
dagegen im anderen Ringkörper; dabei ist der letzte Teilraum zum anderen Ringkörper
hin offen und diesem gegenüber abgedichtet.
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Es kann vorgesehen sein, daß im inneren Mantel zwischen Brennkammer
und Ringschieber ein in axialer Richtung ausgedehnter Stahlring konzentrisch zum
Gehäuse eingebettet ist. Dieser Stahlring dient einerseits als Wärmeschild für den
Ringschieber und seinen Verschiebungsmechanismus, andererseits unter--stützt er
die Festigkeit des aus einem gut leitfähigen Metall bestehenden inneren Mantels.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient m Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen: Fig.
1 einen Abschnitt eines rohrförmigen Dampferzeugers im Längsschnitt; Fig. 2 eine
vergröBerte Teilansicht des Wandbereiches des in Fig. 1 dargestellten Abschnittes
eines Dampferzeugers im Längsschnitt; Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2 eines abgewandelten
Ausführungsbeispiels eines Dampferzeugers und Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 2
eines'weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Dampferzeugers.
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In Fig. 1 ist lediglich ein Abschnitt eines rohrförmigen Dampferzeugers
dargestellt, dessen Längsachse durch die strichpunktierte Linie 1 wiedergegeben
ist. Eine rohrförmige, rotationssymmetrische Brennkammer 2 wird von einer ausgedehnten
Wand umgeben, in der sich in dem dargestellten Abschnitt an der Außenseite nebeneinander
drei Ringkammern 3, 4 und 5 befinden. Jeder Ringkammer ist eine Anschlußleitung
6, 7 bzw. 8 zugeordnet.
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Desweitere Aufbau des Dampferzeugers wird im folgenden anhand der
vergrößerten Darstellung der Fig. 2 erläutert. Man erkennt darin, daß die Wand des
Abschnittes im wesentlichen aus drei Einzelteilen aufgebaut ist, nämlich einem die
Brennkammer 2 unmittelbar umgebenden inneren Mantel 9 sowie aus zwei'den inneren
Mantel 9 konzentrisch umgebenden, nebeneinander angeordneten Ringkörpern 10 und
11. Der Ringkörper 10 nimmt die Ringkammer 3 auf, der Ringkörper 11 die Ringkammern
4 und 5. Die Ringkammern sind dabei in Form von nach außen offenen Ringrä,umen in
den Ringkörpern angeordnet, auf der Außenseite sind die Ringkörper 10 durch je einen
Zylindermantel 12 bzw. 13 abgedichtet umgeben.
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Im inneren Mantel 9 verlaufen parallel zu der der Brennkammer 2 zugewandten
Innenwand achsparallele Kühlleitungen 14, die mittels einer Mçrbindungsleitung 15
mit der Ringkammer 5 und mittels einer Zufuhrleitung 16 (Figur 1) mit der Ringkammer
3 verbunden sind.
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Zwischen dem inneren Mantel 9 und dem einen Ringkörper 11 ist ein
die Brennkammer konzentrisch umgebender, ringförmiger Verteilerraunt 17 ausgebildet,
dessen brennkammerseitige Begrenzung durch einen konischen Wandbereich 18 gebildet
wird. In diesem konischen Wandbereich treten zwei Einlaßkanäle 19 und 20 aus dem
Verteilerraum 17 aus, die über Bohrungen 21 durch die Innenwand des inneren Mantels
in die Brennkammer 2 einmünden.
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Der Verteilerraum 17 steht über eine Versorgungsleitung 22 mit der
mittleren Ringkammer 4 in Verbindung.
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In dem Ringkörper 10 befindet sich ein, die Brennkammer konzentrisch
umgebender Zylinderraum 23, in welchem ein Ringschieber
24 in axialer
Richtung verschieblich gelagert ist. Dieser Ringschieber 24 tragt einen radial abstehenden
Kragen 25, der den Zylinderraum 23 in einen ersten Teilraum 26 und einen zweiten
Teilraum 27 unterteilt. Der Ringschieber 24 ist dabei mittels in Ringnuten 28 und
29 angeordneter Stützringe 30 bzw. 32 und Ringdichtungen 31 bzw. 33 gegenüber der
Innenwand des Zylinderraums abgedichtet', so daß auch die beiden Teilräume 26 und
27 gegeneinander abgedichtet sind. Der aus dem zum inneren Mantel 9 und zum Ringkörper
11 hin offenen Teilraum 27 hervortretende Teil des Ringschiebers 24 ragt durch einen
Spalt zwischen dem inneren Mantel 9 und dem Ringkörper 11 in den Verteilerraum 17
hinein. Ein komplementär zum konischen Wandbereich 18 des Verteilerraums 17 ausgebildeter
konischer Bereich 34 des Ringschiebers 24 liegt dabei dem konischen Wandbereich
18 des Verteilerraums 17 geqenüber.
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Eine Ringdichtung 36 in einer konzentrisch zur Gehäuseachse angeordneten
Ringnut 35 des Ringkörpers 10 dichtet diesen und damit den Teilraum 26 gegenüber
dem anderen Ringkörper 11 ab. In einer ebenfalls konzentrisch zur Gehäuse achse
angeordneten Ringnut 37 im Ringkörper 11 befinden sich Stützringe 38 sowie eine
Ringdichtung 39, die den Ringkörper 11 gegenüber dem Ringschieber 24 abdichten.
Hierdurch ergibt sich eine Abdichtung des zweiten Teilraumes 27 auch-gegenUber dem
Ringschieber und dem Ringkörper 11.
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In den ersten Teilraum 26 mündet eine radial durch den Ringkörper
10-geführte Druckmittelleitung 40 ein, in den zweiten Teilraum 27 eine durch den
Ringkörper 11 an den Teilraum 27 herangeführte Druckinittelleitung 41. Die beiden
Druckmittelleitungen sind in aus der Zeichnung nicht ersichtlicher Weise mit Druckmittelquellen
verbunden.
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An der der freien Kante 42 des Ringschiebers gegenüberliegenden Wand
des Verteilerraums 17 ist in einer hinterschnittenen Ringnut 43 ein im Querschnitt
trapezförmiger Dichtring 44 aus einem weichelastischen Material angeordnet, der
in der entsprechend seinem Querschnitt geformten Ringnut durch einen' Haltering
45 fixiert ist, der mittels Schrauben 46 am inneren Mantel 9 befestigt ist.
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Auf der Rückseite des Ringschiebers 24 ist ein Bolzen 47 in die sen
eingeschraubt, der durch eine öffnung aus dem Teilraum 26 in einen benachbarten
Hohlraum 48 hindurchragt. Der Bolzen 47 ist gegenüber der öffnung durch eine Ringdichtung
49 abgedichtet.
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Im Hohlraum 48 befinden sich nebeneinander mehrere Lichtschranken
50, 51, in deren Lichtweg der Bolzen 47 entsprechend der Stellung des Ringschiebers
24 mehr oder weniger weit eintaucht, so daß aus den jeweils unterbrochenen Lichtschranken
die Stellung des Schiebers entnommen werden kann.' Den Lichtschranken sind übliche
elektronische Nachweis' geräte zugeordnet, die in der Zeichnung nicht dargestellt
sind.
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Im Betrieb des Dampferzeugers wird Kühlwasser über die Anschlußleitung
6 zu und über die Anschlußleitung 8 wieder abgeführt.
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Das Kühlwasser - oder eine andere entsprechende Kühlflüssigkeit -strömt
dabei über die Zufuhrleitung 16 durch die Kühlleitung 14 und über die Verbindungsleitung
15 wieder zurück zur Ringkammer 5.
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Außerdem wird über die Anschlußleitung 7 unter hohem Druck Wasser
in die mittlere Ringkammer 4 eingeführt, welches über die Versorgungsleitung 22
in den Verteilerraum 17 gelangt.
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In einer ersten in Fig. 2 dargestellten Stellung wird über die Druckmittelleitung
40 Druckmittel in den Teilraum 26 eingefUhrtR so daß der Ringschieber 24 in den
Verteilerraum 17 hineinverschoben wird. Dabei gelangt der konische Bereich 34 des
Ringschiebers 24 zu einer flächigen Anlage auf dem konischen Wandbereich 18 des
Verteilerraums und verschließt dadurch die Einlaßkanäle 19 und 20 gasdicht. Eine
zusätzliche Abdichtung ergibt sich durch die Anlage der freien Kante 42 des Ringschiebers
24 an dem elastischen Dichtring 44.
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In dieser Stellung kann das durch die Anschlußleitung 7 zuge führte
Wasser nicht über die Einlaßkanäle 19 und 20 in die Brennkammer eingespritzt werden,
umgekehrt kann aber auch kein Brennkammergas aus derselben durch die Einlaßkanäle
19 und 20 in den Verteilerraum 17 gelangen.
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Durch Entzug von Druckmittel aus dem ersten Teilraum 16 über die Druckmittelleitung
40 und durch Zufuhr von Druckmittel in den Teilraum'27 über die Druckmittelleitung
41 läßt sich der Ringschieber derart verschieben, daß der konische Bereich 34 vom
konischen Wandbereich 18 entfernt wird. Dadurch wird ein Strömungsweg für das in
den Verteilerraum 17 einströmende Wasser-durch'die Einlaßkanäle 1-9 und 20 in die
Brennkammer 2 freigegeben. Durch die jeweilige Stellung des Ringschiebers lassen
sich die Strömungsquerschnitte fein regulieren, so daß der Ringschieber zur Dosierung
des in die Brennkammer abgegebenen Wasserstromes dienen kann.
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Die jeweilige Stellung-des Schiebers läßt sich über die Lichtschrankenanordnung
bestimmen.
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Es ist vorteilhaft, daß bei geschlossenem Ringschieber keinerlei
Gas
in den'Verteilerraum und das dahinter angeordnete Einspritzsystem gelangen.kann.
Auf der anderen Seite ist es auch günstig, daß bei geschlossenem Ringschieber Wasser
in den Verteilerraum eingeführt werden kann, ohne daß in undefinierter Weise Wasser
in die Brennkammer eingespritzt wird.
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Die getrennte Wasserkühlung (Kühlleitungen 14) gewährleistet eine
ausreichende Kühlung des Wandungsbereichs,insbe',sondere da der innere Mantel 9
aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. Dadurch werden der Schieber und
die Dichtungen wirkungsvoll vor den hohen Temperaturen der Brennkammer geschützt.
Dies gilt insbesondere für den Dichtring44, der durch den metallischen Haltering
45 zusätzliche Kühlung erfährt.
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Ein ähnlich aufgebautes Ausführungsbeispiel ist der Fig. 3 zu entnehmen.
Die den im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 beschriebenen
Ausführungsbeispiel entsprechenden Teile tragen in Fig. 3 dieselben Bezugszeichen.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. ,3 unterscheidet sich im wesentlichen dadurch von
dem der Fig. 2, daß bei diesem Ringschieber kein Lichtschrankenpositionsüberwachungssystem
vorgesehen ist und daß zwischen dem Ringschieber 24 und den Kühlleitungen 14 ein
sich in axialer Richtung über einen Teilbereich des Abschnittes erstreckender Stahlring
52 in den inneren Mantel 9 eingebettet ist. Dieser Stahlring-dient einerseits als
Hitzeschild zwischen der Brennkammer und dem Schieber und trägt andererseits zur
Festigkeit des inneren Mantels bei, der bei Dampferzeugern die hohen Drücke der
Brenngase aufnehmen muß.
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Es ist dadurch möglich, für den inneren Mantel besonders gut wärmeleitende
Metalle zu verwenden, die selbst keine so hohe Festigkeit aufweisen. Dadurch wird
insgesamt die Kühlung des
Dampferzeugers im Wandbereich verbessert.
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Auch das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel gleicht dem voranstehend
beschriebenen weitgehend - entsprechende Teile sind daher ebenfalls mit denselben
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Bei diesem Ausführhngsbeispiel fehlt die Ringkammer 5 mit der zueordneten
Anschlußleitung 8. Statt dessen ist die Verbindungsleitung 15 direkt in den Verteilerraum
17 hineingeführt. Dessen dem konischen Wandbereich 18 gegenüberliegende Wand 53
ist bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls konisch ausgebildet, wobei sie in derselben'Richtung
divergiert wie der konische Wandbereich 18. Die Versorgungsleitung 22 mündet in
diesem Bereich in den Verteilerraum 17 ein.
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Der Ringschieber 24 trägt an seinem im Verteilerraum 17 angeordneten
Vorderteil einen Vorsprung 54 mit einer der konischen Wand 53 gegenüberliegenden,
zu dieser komplementären konischen Dichtfläche 55. Diese Dichtfläche 55 ist von
der konischen Wand 53 entfernt, wenn der Schieber ir der in Fig. 4 dargestellten
Schließstellung steht, in welcher der konische Bereich 34 des Ringschiebers 24 am
konischen Wandbereich 18 des Verteilerraums flächig und dichtend anliegt. Verschiebt
man den Schieber 24 jedoch in die extreme Offenstellung, so gelangt die konische
Dichtfläche 55 zu einer flächigen Anlage an der Wand 53 und verschließt dabei die
Versorgungsleitung 22.
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-H'n diesem Ausführungsbeispiel strömt also das Kühlwasser dann, wenn
der Schieber in Schließstellung steht (Einlaßkanäle 19 und 20 verschlossen) durch
den Verteilerraum 17, die Versorgungsleitung 22 und die Ringkammer 4 in die Anschlußleitung
7. Sobald jedoch der Ringschieber in die Offenstellung gelangt, verschließt
er
die Versorgungsleitung 22, so daß nunmehr Kühlwasser aus dem Verteilerraum 17 über
die Einlaßkanäle 19 und 20 direkt in die Brennkammer eingespritzt wird. Bei Zwischenstellungen
des Schiebers ergeben sich Mischvorgänge.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel gelangt das Wasser bereits in einem
vorgewärmten Zustand in die Brennkammer, so daß der Verdampfungsvorgang gefördert
wird.
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