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PATENTANSPRÜCH E
1. Brennkammer mit Diffusionsbrenner mit verdrallter Luftzufuhr und zentraler Brennstoffzufuhr, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusionsbrenner (2) eine Düsenkontraktion (5) aufweist, welche stromabwärts des Drallkörpers (4) einsetzt.
2. Brennkammer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (7) im Bereich der Düsenkontraktion (5) radial in den Luftstrom (6) eingeführt wird.
Die Erfindung betrifft eine Brennkammer mit Diffusionsbrenner mit verdrallter Luftzufuhr und zentraler Brennstoffzufuhr.
In Brennkammern können Schwingungen mit unter Umständen gefährlich hohen Druckamplituden auftreten.
Dabei handelt es sich häufig um selbsterregte, helmholtzartige Schwingungen, bei denen die Gassäulen in den Zuund Abgasleitungen gleichsam als schwingende Massen und das Brennkammervolumen als Feder wirken. Selbst wenn der zugeführte Brennstoffmassenstrom zeitlich konstant gehalten wird und an dem Schwingungsvorgang nicht teilnehmen kann - wie das im technisch wichigen Fall eines 01- Diffusionsbrenners oder bei stark gedrosselter Gaszufuhr der Fall ist - können selbsterregte Schwingungen auftreten, wobei die Anregung mit der Steilheit des Ausbrandgradienten in Brennernähe zusammenhängt.
Steile Ausbrandgradienten - d.h. kurze, im Brennermund (Brennerdüse) zündende Flammen - begünstigen die Anregung von Druckstörungen: Entweder durch das Entstehen von Temperaturstörungen im Bereich des Druckgradienten am Brennkammereintritt oder durch effektive Schwankungen des Brennstoffumsatzes auf Grund von Schwankungen der Einmischung des Brennstoffes bzw. der Flammenposition.
Nun führt aber die Forderung nach möglichst kleinen Brennkammern hoher Leistung zur Entwicklung von Brennerkonzepten, die kurze, schon im Brenner zündende Flammen erzeugen. Damit handelt man sich eine höhere Wahrscheinlichkeit zum Entstehen von Feuerraumschwingungen ein. In diesem Zusammenhang wird auf die Schrift VDI-Berichte Nr. 423, 1981, S. 89-96 hingewiesen, wo die Entstehung tieffrequenter selbsterregter Schwingungen in Brennkammern erläutert und behandelt wird. Die Massnahmen, die man gegen solche Schwingungen ergreift, sind bislang mehr oder weniger zufällig und wirken nur in einem schmalen Band der Leistung und der gewählten Brennereinstellung.
Ein weit verbreitetes Brennerkonzept besteht darin, den Brennstoff zentral und die Verbrennungsluft, der ein Drall aufgeprägt wird, ringförmig zuzuführen, so dass Mischung und Reaktion erst im Feuerraum der Brennkammer stattfinden. Bei solchen Brennern wird die für die Drehströmungen wichtige Eigenschaft, nämlich innere Rückströmungen auszubilden (Vortex Breakdown), für die sichere Zündung der Flamme und die Erhöhung der Reaktionsdichte, d.h. Verkürzung der Flamme, ausgenützt. Da die innere Rückströmung im allgemeinen im oder in unmittelbarer Nähe des Brennermundes (Brennerdüse) einsetzt, und da die Hauptreaktionszonen der Flammen örtlich mit der Rückströmung zusammenfallen, ist dieser Brennertyp schwingungsanfällig.
Auf der anderen Seite bedeutet das aber auch, dass man hier das Schwingungsverhalten in einem engen Zusammenhang mit den Eigenschaften der vom Brenner erzeugten Drehströmung sehen muss. Ferner hängt der Ausbrandverlauf der Drallflammen und damit deren Schwingungsverhalten von einer Reihe weiterer Parameter ab, insbesondere von der Gaslanzenposition, dem Spritzwinkel des Brennstoffes, den Impulsverhältnissen und Austrittsgeschwindigkeiten, den Luftzahlen und Brennerlasten.
Nur in sehr wenigen Fällen ist es bei bestimmten Kombinationen dieser Parameter möglich, eine ruhige Verbrennung zu erzielen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennerkammer mit einem Diffusionsbrenner zu schaffen, der in einem weiten Bereich der oben angeführten Betriebsparameter die Erzielung von schwingungsfreien Flammen ermöglicht.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einer Brennerkammer der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass durch Anfügen einer Düsenkontraktion in den Luftaustritt eines Drallbrenners bei Drallstärken, die zwar ohne Kontraktion eine stabil zündende, jedoch schwingungsanfällige Flamme erzeugen, eine ebenfalls stabile, jedoch völlig schwingungsfreie Verbrennung erzielt wird.
Der Grund für dieses Verhalten liegt darin, dass mit der Düsenkontraktion eine innere Rückströmung erzeugt wird, die im Gegensatz zu den Dispositionen ohne Düsenkontraktion weiter stromab liegt. Zum Verständnis des Vortex Breakdown lässt sich sagen, dass die Ausbildung einer Rezirkulation mit einem kritischen Übergang der Strömung zusammenhängt und dass eine Düsenkontraktion im Zusammenhang mit der anschliessenden Erweiterung auf den Kammerdurchmesser diesen Effekt forciert. Für die Flamme hat dies zur Folge, dass sie in einem grösseren Abstand zum Brenner zündet, dass aber Zündstabilität und Reaktionsdichte erhalten bleiben.
Die geringe Anfälligkeit dieser Flammen für Schwingungen hängt damit zusammen, dass der Anstieg des Ausbrandes vom Brenner weg stromab verschoben wird und dass der Flamme ein Bereich vorgeschaltet wird, in dem eine Teilvormischung zwischen Brennstoff und Luft stattfindet.
Im folgenden ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt und näher erläutert. Alle für das Verständnis der Erfindung unwesentlichen Elemente sind nicht dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Brenner mit Drallkörper und Düsenkontraktion;
Fig. 2 den Einfluss der Düsenkontraktion auf die Druckschwingungsamplitude (Ordinate) bei veränderlicher Brennerlast (Abszisse) bei einer ersten Brennstofflanzenposition;
Fig. 3 den Einfluss der Düsenkontraktion auf die Druckschwingungsamplitude (Ordinate) bei veränderlicher Brennerlast (Abszisse) bei einer zweiten Brennstofflanzen- position;
Fig. 4 eine typische Flammenkontur ohne Kontraktion;
Fig. 5 eine typische Flammenkontur mit Düsenkontraktion.
In Fig. 1 ist ein Diffusionsbrenner 2 und die anschliessende vordere Partie des Brennraums 1 einer Brennkammer ersichtlich. Der Diffusionsbrenner 2 ist mit einem Drallkörper 4 versehen, der für eine verdrallte Luftzufuhr 6 sorgt.
Über die Brennstofflanze 3 wird der Brennstoff 7, im vorliegenden Fall Gas, zentral zugeführt und radial eingedüst; selbstverständlich können auch flüssige Brennstoffe zugeführt werden. Stromabwärts des Drallkörpers 4 in einem Abstand, der kleiner als der Brennerdurchmesser sein sollte, befindet sich eine Düse 5 mit in diesem Falle trapezförmiger Kontur F und einem Kontraktionsflächenverhältnis 2 zu 3.
Der Diffusionsbrenner 2 bietet eine Reihe von Einstellparametern zur Erzielung verschiedener Flammentypen hezüglich Ausbrandverlauf und Reaktionsdichte. Solche Parameter sind u. a. die Schlitzweite t der Brennstoffdüse 16 als Mass für das Verhältnis der eintretenden Impulsdichten, der Schaufelwinkel des Drallkörpers 4, die Querschnitte der Luftzufuhr 6 und der Brennstoffzufuhr 7 und die Position der Brennstofflanze X bezüglich Erweiterung 12 zwischen Diffusionsbrenner 2 und Brennraum 1. Solche Einstellmöglichkeiten können einen starken Einfluss auf das Schwingungsverhalten der Flamme haben.
Allerdings ist es nur in sehr wenigen Fällen bei bestimmten Einstellungen möglich, eine annähernd schwingungsfreie Flamme zu erzielen. Anders verhält es sich mit dem Einbau der erfindungsgemässen Düsenkontraktion 5 im Diffusionsbrenner 2. Sie bewirkt, dass die ab einer Mindestdrallstärke auftretende brennkammerinnere Rückströmung des Brennstoff/Luft-Gemisches auf alle Fälle weiter stromab zu liegen kommt. Der Brennstoff 7 sollte allerdings mit einem hinreichend grossen Impuls noch im Bereich der Düsenkontraktion 5 eingedüst werden, um einerseits die Teilvormischung zu begünstigen und andererseits das Einmischen von unverbranntem Brennstoff in die innere Rückströmzone zu verhindern. Die Kontur F der Düsenkontraktion 5 muss nicht notwendigerweise die Form eines Trapezes haben; die Kontur F kann beispielsweise auch die Form eines Dreieckes aufweisen.
Fig. 2 zeigt eine Gegenüberstellung der Druckschwingungsamplitude (Ordinate) bei veränderlicher Brennerlast (Abszisse), einmal durch die Kurve 8, die durch den Versuch ohne Einbau irgendwelcher Kontraktionsvorrichtung im System zustande kam, und einmal durch die Kurve 9, die den Versuch mit Einbau einer Düsenkontraktion 5 wiedergibt.
Dabei ist zu beachten, dass bei diesem Versuch die Position X der Brennstofflanze 3 gegenüber der Endkante 13 der Düsenkontraktion 5 stromaufwärts 20 mm betragen hat.
Demgegenüber zeigt Fig. 3 den Unterschied zwischen Versuch ohne Kontraktionsvorrichtung (Kurve 10) und Versuch mit Düsenkontraktion 5 (Kurve 11), wenn die Posi- tion X der Brennstofflanze 3 auf 0 mm eingestellt wird, d.h..
wenn die beiden Kanten - Brennstofflanze 3 gegenüber Endkante 13 der Düsenkontraktion 5 - in einer Ebene liegen.
Fig. 4 zeigt die typische Flammenkontur 14 eines Diffusionsbrenners 2 ohne Kontraktion. Wie daraus hervorgeht, setzt die innere Rückströmung bereits ab Ausgang der Brennstoffdüse 16 der Brennstofflanze 3 ein, was zur bekannten Schwingungsanfälligkeit führt.
Anders verhält sich die Flamme, sobald im Diffusionsbrenner 2 eine Düsenkontraktion 5 eingebaut wird. Wie Fig.
5 zeigt, setzt die innere Rückströmung weiter stromab ein.
was zu einer typischen Flammenkontur 15 führt.
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PATENT CLAIM E
1. Combustion chamber with a diffusion burner with swirled air supply and a central fuel supply, characterized in that the diffusion burner (2) has a nozzle contraction (5) which is used downstream of the swirl body (4).
2. Combustion chamber according to claim 1, characterized in that the fuel (7) in the region of the nozzle contraction (5) is introduced radially into the air stream (6).
The invention relates to a combustion chamber with a diffusion burner with a swirled air supply and a central fuel supply.
Vibrations with potentially high pressure amplitudes can occur in combustion chambers.
These are often self-excited, Helmholtz-like vibrations, in which the gas columns in the intake and exhaust pipes act as vibrating masses and the combustion chamber volume as a spring. Even if the supplied fuel mass flow is kept constant over time and cannot participate in the oscillation process - as is the case in the technically important case of a 01 diffusion burner or when the gas supply is severely restricted - self-excited vibrations can occur, the excitation depending on the steepness of the burnout gradient Close to the burner.
Steep burnout gradients - i.e. Short flames igniting in the burner mouth (burner nozzle) favor the excitation of pressure disturbances: Either through the occurrence of temperature disturbances in the area of the pressure gradient at the combustion chamber inlet or through effective fluctuations in the fuel conversion due to fluctuations in the mixing of the fuel or the flame position.
However, the demand for the smallest possible high-performance combustion chambers leads to the development of burner concepts that produce short flames that ignite in the burner. This is a higher probability of generating combustion chamber vibrations. In this context, reference is made to the publication VDI-Reports No. 423, 1981, pp. 89-96, where the generation of low-frequency self-excited vibrations in combustion chambers is explained and treated. The measures taken against such vibrations have so far been more or less random and only work in a narrow band of performance and the burner setting selected.
A widely used burner concept consists of supplying the fuel centrally and the combustion air, which is imparted with a swirl, in a ring, so that mixing and reaction only take place in the combustion chamber's combustion chamber. In such burners, the property that is important for the three-phase currents, namely the formation of internal backflows (vortex breakdown), for the safe ignition of the flame and the increase in the reaction density, i.e. Shortening the flame, exploited. Since the internal backflow generally starts in or in the immediate vicinity of the burner mouth (burner nozzle) and since the main reaction zones of the flames coincide locally with the backflow, this type of burner is susceptible to vibration.
On the other hand, this also means that you have to see the vibration behavior in a close connection with the properties of the three-phase flow generated by the burner. Furthermore, the burnout curve of the swirl flames and thus their vibration behavior depends on a number of other parameters, in particular on the gas lance position, the spray angle of the fuel, the pulse ratios and exit speeds, the air figures and burner loads.
Only in very few cases is it possible to achieve quiet combustion with certain combinations of these parameters.
The object of the invention is to provide a burner chamber with a diffusion burner, which enables vibration-free flames to be achieved in a wide range of the above-mentioned operating parameters.
According to the invention, this object is achieved in a burner chamber of the type mentioned at the outset with the characterizing features of patent claim 1.
The advantages achieved by the invention are essentially to be seen in the fact that by adding a nozzle contraction in the air outlet of a swirl burner at swirl strengths that produce a stable igniting but vibration-prone flame without contraction, a likewise stable but completely vibration-free combustion is achieved.
The reason for this behavior is that the contraction of the nozzle creates an internal backflow which, in contrast to the disposition without contraction of the nozzle, is further downstream. To understand the vortex breakdown, it can be said that the formation of a recirculation is related to a critical transition of the flow and that a nozzle contraction in connection with the subsequent expansion to the chamber diameter accelerates this effect. The consequence of this for the flame is that it ignites at a greater distance from the burner, but that ignition stability and reaction density are retained.
The low susceptibility of these flames to vibrations is related to the fact that the increase in burnout is shifted downstream from the burner and that the flame is preceded by an area in which a partial premixing between fuel and air takes place.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is shown in simplified form and explained in more detail below with reference to the drawing. All elements that are not essential for understanding the invention are not shown. Show it:
1 shows a burner with swirl body and nozzle contraction.
2 shows the influence of the nozzle contraction on the pressure oscillation amplitude (ordinate) with a variable burner load (abscissa) at a first fuel lance position;
3 shows the influence of the nozzle contraction on the pressure vibration amplitude (ordinate) with variable burner load (abscissa) at a second fuel lance position;
4 shows a typical flame contour without contraction;
Fig. 5 shows a typical flame contour with nozzle contraction.
1 shows a diffusion burner 2 and the subsequent front part of the combustion chamber 1 of a combustion chamber. The diffusion burner 2 is provided with a swirl body 4, which ensures a swirled air supply 6.
The fuel 7, in the present case gas, is supplied centrally via the fuel lance 3 and is radially injected; Of course, liquid fuels can also be added. Downstream of the swirl body 4 at a distance that should be smaller than the burner diameter is a nozzle 5 with in this case a trapezoidal contour F and a contraction area ratio 2 to 3.
The diffusion burner 2 offers a number of setting parameters for achieving different types of flame, including the burnout process and reaction density. Such parameters are u. a. the slot width t of the fuel nozzle 16 as a measure of the ratio of the incoming pulse densities, the blade angle of the swirl body 4, the cross sections of the air supply 6 and the fuel supply 7 and the position of the fuel lance X with respect to the extension 12 between the diffusion burner 2 and the combustion chamber 1. Such setting options can be one have a strong influence on the vibration behavior of the flame.
However, it is only possible in very few cases with certain settings to achieve an almost vibration-free flame. The situation is different with the installation of the nozzle contraction 5 according to the invention in the diffusion burner 2. It has the effect that the backflow of the fuel / air mixture which occurs inside the combustion chamber from a minimum swirl strength is in any case further downstream. However, the fuel 7 should be injected with a sufficiently large impulse in the area of the nozzle contraction 5, on the one hand to favor the partial premixing and on the other hand to prevent the unburned fuel from mixing into the inner backflow zone. The contour F of the nozzle contraction 5 does not necessarily have to have the shape of a trapezoid; the contour F can also have the shape of a triangle, for example.
Fig. 2 shows a comparison of the pressure oscillation amplitude (ordinate) with variable burner load (abscissa), once by curve 8, which was obtained by the experiment without installing any contraction device in the system, and once by curve 9, the experiment with the installation of a Nozzle contraction 5 represents.
It should be noted that in this experiment the position X of the fuel lance 3 in relation to the end edge 13 of the nozzle contraction 5 was 20 mm upstream.
3 shows the difference between an experiment without a contraction device (curve 10) and an experiment with nozzle contraction 5 (curve 11) when the position X of the fuel lance 3 is set to 0 mm, i.e.
if the two edges - fuel lance 3 opposite end edge 13 of nozzle contraction 5 - lie in one plane.
4 shows the typical flame contour 14 of a diffusion burner 2 without contraction. As can be seen from this, the internal backflow already starts at the outlet of the fuel nozzle 16 of the fuel lance 3, which leads to the known susceptibility to vibration.
The flame behaves differently as soon as a nozzle contraction 5 is installed in the diffusion burner 2. As Fig.
5 shows the internal backflow continues downstream.
which leads to a typical flame contour 15.