DE10029607A1

DE10029607A1 - Brenner mit gestufter Vormischgas-Eindüsung

Info

Publication number: DE10029607A1
Application number: DE10029607A
Authority: DE
Inventors: Adnan Eroglu; Jaan Hellat
Original assignee: Alstom Power NV
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2001-12-20
Also published as: EP1559955A3; DE50106117D1; EP1559955A2; EP1559955B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner, bestehend aus einem Drallerzeuger (1) für einen Verbrennungsluftstrom, einem Drallraum (2) und Mitteln zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom, wobei der Drallerzeuger (1) Brennluft-Eintrittsöffnungen (4) für den tangential in den Drallraum (2) eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist und die Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom wenigstens eine erste Brennstoffzuführung (5) mit einer ersten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung einer Brennerachse (3) angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen (6) für eine erste Vormischbrennstoffmenge umfassen. Weiterhin sind eine oder mehrere zweite Brennstoffzuführung(en) (7) mit einer zweiten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse (3) angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen (8) für eine zweite Vormischbrennstoffmenge vorgesehen, wobei die zweite(n) Brennstoffzuführung(en) (7) unabhängig von der ersten Brennstoffzuführung (5) mit Brennstoff beaufschlagbar ist/sind. Mit dem vorliegenden Brenner lassen sich optimale Mischbedingungen auch bei unterschiedlichen Lasten, Gasqualitäten oder Gasversorgungstemperaturen einstellen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner, bestehend aus einem Drallerzeuger für einen Verbren nungsluftstrom, einem Drallraum und Mitteln zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluft strom, wobei der Drallerzeuger Brennluft- Eintrittsöffnungen für den tangential in den Drallraum eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist und die Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbren nungsluftstrom wenigstens eine erste Brennstoffzufüh rung mit einer ersten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse angeordneten Brennstoff- Austrittsöffnungen für eine erste Vormischbrennstoff menge umfassen. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet für derartige Brenner sind die Brennräume von Gasturbinen; derartige Brenner werden weiterhin beispielsweise auch in atmosphärischen Kesselfeuerungen eingesetzt.

Stand der Technik

Aus der EP 0 321 809 ist ein aus mehreren Schalen bestehender kegelförmiger Brenner, ein sogenannter Doppelkegelbrenner, gemäß dem Oberbegriff des Anspru ches 1 bekannt. Durch den kegelförmigen aus mehreren Schalen zusammengesetzten Drallerzeuger wird eine Drallströmung in dem von den Teilkegelschalen einge schlossenen Kegelinnenraum erzeugt. Aufgrund eines Querschnittssprungs an einem brennraumseitigen Ende des Brenners wird die Drallströmung instabil, und geht in eine annulare Drallströmung mit Rückströmung im Kern über. Diese Rückströmung ermöglicht die Stabilisierung einer Flammenfront am Brenneraustritt. Die Schalen des Drallerzeugers sind derart zusammengesetzt, dass entlang der Brennerachse tangentiale Lufteintritts schlitze für Verbrennungsluft gebildet werden. An der hierdurch gebildeten Einströmkante der Kegelschalen sind Zuführungen für einen gasförmigen Vormischbrenn stoff, vorgesehen, die in Richtung der Brennerachse verteilte Austrittsöffnungen für das Vormischgas aufweisen. Das Gas wird durch die Austrittsöffnungen bzw. Bohrungen quer zum Lufteintrittsspalt eingedüst. Diese Eindüsung führt in Verbindung mit dem im Drall raum erzeugten Drall der Verbrennungsluft-Brenngas- Strömung zu einer guten Durchmischung des Brenn- bzw. Vormischgases mit der Verbrennungsluft. Eine gute Durchmischung ist bei derartigen Vormischbrennern die Voraussetzung für niedrige NO_x-Werte beim Verbrennungs vorgang.

Zur weiteren Verbesserung eines derartigen Bren ners ist aus der EP 0 780 629 ein Brenner für einen Wärmeerzeuger bekannt, der im Anschluss an den Draller zeuger eine zusätzliche Mischstrecke zur weiteren Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft aufweist. Diese Mischstrecke kann beispielsweise als nachgeschaltetes Rohr ausgeführt sein, in das die aus dem Drallerzeuger austretende Strömung ohne nennenswer te Strömungsverluste überführt wird. Durch diese zusätzliche Mischstrecke kann der Vermischungsgrad weiter erhöht und damit die Schadstoffemissionen verringert werden.

Die WO 93/17279 zeigt einen weiteren bekannten Vormisch-Brenner, bei dem ein zylindrischer Drallerzeu ger mit einem zusätzlichen konischen Innenkörper eingesetzt wird. Bei diesem Brenner wird das Vormisch gas ebenfalls über Zuführungen mit entsprechenden Austrittsöffnungen in den Drallraum eingedüst, die entlang der axial verlaufenden Lufteintrittsschlitze angeordnet sind. Dieser Brenner weist im konischen Innenkörper zusätzlich eine zentrale Zuführung für Brenngas auf, das nahe der Austrittsöffnung des Brenners zur Pilotierung in den Drallraum eingedüst werden kann. Diese zusätzliche Pilotstufe dient dem Anfahren des Brenners. Die Zuführung des Pilotgases im Austrittsbereich des Brenners führt jedoch zu erhöhten NO_x-Emissionen, da in diesem Bereich nur eine unzurei chende Vermischung mit der Verbrennungsluft stattfinden kann.

Bei allen dargestellten Brennern erfolgt die Ein düsung des Vormischgases im Lufteintrittsspalt durch Zuführungen mit im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse angeordneten Austrittsöffnungen. Damit sind die Charakteristik der Eindüsung hinsichtlich Eindringtiefe und Einmischung der Gasstrahlen sowie die Brennstoffverteilung entlang der Lufteintrittsschlitze bzw. der Brennerachse vorgegeben. Die Anordnung der Austrittsöffnungen legt somit bereits die Mischgüte des Gases und der Verbrennungsluft sowie die Brennstoffver teilung am Brenneraustritt fest. Diese Größen sind wiederum entscheidend für die NO_x-Emissionen, für die Lösch- und Rückschlagsgrenzen sowie für die Stabilität des Brenners im Hinblick auf Verbrennungspulsationen.

Bei unterschiedlichen Lasten, Gasqualitäten oder Gasvorwärmtemperaturen treten jedoch unterschiedliche Gasvordrücke an den Austrittsöffnungen auf, die wiederum zu unterschiedlichen Vormischbedingungen und Gemischqualitäten am Brennstoffaustritt führen. Aus den unterschiedlichen Vormischbedingungen resultieren dann unterschiedliche Emissionswerte und Stabilitätsbedin gungen, die von der Last, der Gasqualität und der Gasvorwärmung abhängig sind. Die bekannten Brenner lassen sich daher nur für ganz bestimmte Wertebereiche dieser Parameter optimal betreiben.

Problematisch beim Betrieb von Vormischbrennern insbesondere in Gasturbinen ist der Teillastbereich, da hier der Brennluft nur vergleichsweise geringe Brenn stoffmengen zugemischt werden. Bei der vollständigen Vermischung des Brennstoffes mit der gesamten Luft aber entsteht ein Gemisch, welches gerade im unteren Teillastbereich nicht mehr zündfähig ist, oder nur noch eine sehr instabile Flamme auszubilden in der Lage ist. Dies kann zu schädlichen Verbrennungspulsationen oder zum vollständigen Verlöschen der Flamme führen.

Für eine Anpassung der bekannten Brenner auf be stimmte Emissionswerte oder auf ein bestimmtes Stabili tätsfenster bei unterschiedlichen Lasten, Umgebungsbe dingungen, Gasqualitäten und Vorwärmtemperaturen besteht zurzeit einerseits die Möglichkeit, bei Einsatz von Mehrfachbrenneranordnungen die Vormisch- bzw. Premixgaszufuhr zu einzelnen Brennergruppen zu stufen.

Dies ist jedoch nur bei mehrreihigen Brenneranordnungen möglich. Für einreihige annulare Brennkammern hat diese Technik den Nachteil, dass sich ein in Umfangsrichtung ungleichförmiges Temperaturprofil im Brennkammeraus tritt einstellt.

Eine andere Möglichkeit ist, Brenner, wie oben be reits kurz angerissen, mit einer sogenannten Pilot- Brennstoffversorgung auszustatten. Die Brenner werden dann bei sehr hohen Luftzahlen als Diffusionsbrenner betrieben. Dies resultiert einerseits in einer überle genen Flammenstabilität, andererseits aber in hohen Emissionswerten und weiteren betriebstechnischen Nachteilen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Brenner sowie ein zugehöriges Betriebsver fahren anzugeben, der auch bei Änderungen der Last, der Gasqualität oder der Gasvorwärmtemperatur mit annähernd konstanten NO_x-Emissionswerten möglichst im Vormischbe trieb stabil betrieben werden kann.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Brenner gemäß Patentan spruch 1 bzw. den Verfahren gemäß den Patentansprüchen 17 und 22 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen des Brenners sowie der Verfahren sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der vorliegende Brenner besteht aus einem Draller zeuger für einen Verbrennungsluftstrom, einem Drallraum und Mitteln zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom, wobei der Drallerzeuger Brenn luft-Eintrittsöffnungen für den tangential in den Drallraum eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist und die Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom eine oder mehrere erste Brenn stoffzuführung(en) mit einer ersten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen für eine erste Vormisch brennstoffmenge umfassen. Der Brenner zeichnet sich dadurch aus, er eine oder mehrere zweite Brennstoffzu führung(en) mit einer zweiten Gruppe von im Wesentli chen in Richtung der Brennerachse angeordneten Brenn stoff-Austrittsöffnungen für eine zweite Vormischbrenn stoffmenge aufweist, welche zweite Brennstoff zuführung(en) unabhängig von der bzw. den ersten Brennstoffzuführung(en) mit Brennstoff beaufschlagbar ist/sind. Vorzugsweise sind eine oder mehrere der ersten und/oder zweiten Gruppen von Brennstoff- Austrittsöffnungen im Bereich zumindest einer der Brennluft-Eintrittsöffnungen angeordnet.

Unter einer Anordnung im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse ist in der vorliegenden Anmeldung eine Anordnung auf Linien zu verstehen, die parallel oder unter einem Winkel von weniger als 45° zur Brennerachse verlaufen.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen ein oder mehreren zweiten Brennstoffzuführungen, durch die die Menge an Vormischbrennstoff, die über die zweite Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen in den Drallraum eingedüst wird, - und somit auch der Brennstoffvordruck - unabhängig von der Menge an Vormischbrennstoff eingestellt werden kann, die über die erste(n) Brenn stoffzuführung(en) strömt, lässt sich eine einfache Anpassung der Mischungsverteilung und der Mischgüte an unterschiedliche Randbedingungen erreichen. Weiterhin kann durch diese Ausgestaltung auch ein Ausgleich unterschiedlicher Wobbezahlen erreicht werden, indem beispielsweise die ersten Brennstoffzuführungen eine bestimmte Leistung oder einen bestimmten Volumenstrom tragen und der Rest der Leistung oder des Volumenstroms über die zweiten Brennstoffzuführungen gefahren wird. Durch geeignete Anordnung der zweiten Brennstoffzufüh rungen mit den entsprechenden zweiten Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen relativ zu den ersten Brennstoffzuführungen mit den ersten Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen lässt sich die axiale und radiale Brennstoffverteilung im Brenner günstig beeinflussen. So ist es möglich, im Teillastbetrieb in bestimmten Bereichen des Brenneraustritts eine gezielte Anreicherung des Gemisches mit Brennstoff zu erzielen, um die Flammenstabilität zu verbessern. Bei hoher Brennerlast kann der Brennstoff dann gleichmässig verteilt werden, was in geringen Emissionen resultiert.

Durch eine Ausgestaltung, bei der auch mehrere der zweiten Brennstoff-Zuführungen unabhängig voneinander mit Vormischbrennstoff beaufschlagbar sind - und beaufschlagt werden, lässt sich eine noch feiner abgestufte Anpassung der Mischungsverteilung und der Mischgüte an unterschiedliche Randbedingungen vorneh men.

Weiterhin schliesst die Erfindung auch solche Aus gestaltungen ein, bei denen neben ersten und zweiten auch dritte, vierte usw. Brennstoffzuführungen vorhan den und unabhängig mit Brennstoff beaufschlagbar sind.

Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Brenners wird die Zufuhr des Brennstoffes über die erste(n) Brenn stoffzuführung(en) getrennt von der Zufuhr des Brenn stoffes über die zweite(n) Brennstoffzuführung(en) gesteuert oder geregelt. Vorzugsweise wird hierbei der Vormischbrennstoff lastabhängig auf die erste(n) und zweite(n) Brennstoffzuführungen verteilt in den Brenner eingebracht.

Bei einer weiteren bevorzugten Betriebsweise des Brenners wird in einem ersten Betriebszustand im Wesentlichen die gesamte Vormischbrennstoffmenge über den bzw. die ersten Brennstoffzuführungen zugeführt und über die erste Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen in den Verbrennungsluftstrom eingebracht, und in einem weiteren Betriebszustand wenigstens ein Teil der gesamten Brennstoffmenge über wenigstens eine der zweiten Brennstoffzuführung(en) mit der zweiten Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen in den Verbrennungs luftstrom eingebracht.

Wird der Brenner in einem Wärmeerzeuger betrieben, so kann in einem Teillastzustand des Wärmeerzeugers der gesamte Vormischbrennstoff über die ersten Brennstoff zuführungen zugeführt werden, und im Volllastbetrieb des Wärmeerzeugers der Brennstoff auf die erste(n) Brennstoffzuführung(en) und eine oder mehrere zweite Brennstoffzuführung(en) aufgeteilt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des vorlie genden Brenners sind einige oder alle der zweiten Brennstoffzuführungen unmittelbar neben den ersten Brennstoffzuführungen, vorzugsweise parallel zu diesen, angeordnet. Hierbei sollte zumindest eine zweite Brennstoffzuführung neben jeder ersten Brennstoffzufüh rung vorgesehen sein.

Es versteht sich jedoch von selbst, dass die zwei ten Brennstoffzuführungen auch unabhängig von den ersten Brennstoffzuführungen in symmetrischer Anordnung am Drallerzeuger vorgesehen sein können. Die Geometrie des Drallerzeugers ist hierbei unerheblich. So können kegelförmige Drallerzeuger, wie sie aus den eingangs genannten Druckschriften des Standes der Technik bekannt sind, beispielsweise mit zwei, vier oder mehr Lufteintrittsschlitzen, eingesetzt werden. Auch andere Geometrien, wie zylindrische Drallerzeuger oder zylindrische Drallerzeuger mit konischen oder zylindri schen Innenkörpern lassen sich einsetzen.

Die zweiten Brennstoffzuführungen sind vorzugswei se an der Aussenschale des Drallkörpers und hierbei insbesondere an den Lufteintrittsschlitzen entlang dieser angeordnet. Bei einer Ausführungsform des Drallerzeugers mit einem Innenkörper können die zweiten Brennstoffzuführungen jedoch auch im Innenkörper angeordnet sein. Wesentlich ist hierbei jedoch, dass die zweiten Brennstoffzuführungen mehrere im Wesentli chen in Richtung der Brennerachse verteilte Brennstoff- Austrittsöffnungen aufweisen, um eine ausreichende Vormischung erzielen zu können. Die Austrittsöffnungen liegen in der Regel auf parallel oder unter einem durch eine Kegelform des Drallerzeugers oder Innenkörpers vorgegebenen Winkel zur Brennerachse verlaufenden Achsen.

Je nach angestrebten Einflussmöglichkeiten auf die Vormischung können die zweiten Brennstoff-Austritts öffnungen der zweiten Brennstoffzuführungen im Ver gleich zu den ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen andere gegenseitige Abstände oder Durchströmquerschnit te aufweisen. Gerade bei einer Anordnung, bei der unmittelbar neben einer ersten Brennstoffzuführung auch zumindest eine zweite Brennstoffzuführung vorgesehen ist, können die jeweiligen Brennstoff- Austrittsöffnungen auch die gleichen gegenseitigen Abstände aufweisen, jedoch versetzt zueinander angeord net sein. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Eindüsung des Vormischbrennstoffes in den Drallraum. Weiterhin können beispielsweise die ersten Brennstoff-Austritts öffnungen über die gesamte axiale Erstreckung der Brennluft-Eintrittsöffnungen, die zweiten Brennstoff- Austrittsöffnungen jedoch nur in einem bestimmten axialen Teilbereich angeordnet sein. In gleicher Weise ist es auch möglich, die ersten Brennstoff- Austrittsöffnungen nur in einem ersten axialen Teilbe reich und die zweiten Brennstoff-Austrittsöffnungen nur in einem sich an den ersten Teilbereich anschließenden zweiten axialen Teilbereich vorzusehen - oder umge kehrt. Unterschiedliche Einflussmöglichkeiten auf den Betrieb des Brenners aufgrund dieser unterschiedlichen Ausgestaltungsmöglichkeiten, deren Kombination keine praktischen Grenzen gesetzt sind, lassen sich den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Zur voneinander unabhängigen Beaufschlagung der ersten und der zweiten Brennstoffzuführungen mit dem Vormischbrennstoff sind diese mit unterschiedlichen Anschlüssen ausgestattet. Vorzugsweise sind zusätzlich Mittel zur voneinander unabhängigen Regelung oder Steuerung der Vormischbrennstoffzufuhr zu den ersten und den zweiten Brennstoffzuführungen vorgesehen. Die unterschiedliche Zufuhr kann beispielsweise durch ein geeignetes Regelventil gesteuert werden.

Der erfindungsgemäße Brenner wird nachfolgend an hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfin dungsgedankens nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemässen Brenner im Längs- und Querschnitt;

Fig. 2 ein Beispiel für den Gasaustritt aus den Austrittsöffnungen bei einer möglichen Be triebsweise des in Fig. 1 dargestellten Brenners;

Fig. 3 schematisch ein Beispiel für die Anordnung der Brennstoffzuführungen und der Brennstoff austrittsöffnungen eines erfindungsgemäßen Brenners;

Fig. 5 bis 7 Beispiele für die Anordnung der Brennstoffzuführungen und der Brennstoffaus trittsöffnungen eines erfindungsgemäßen Brenners;

Fig. 8 schematisch ein Beispiel für einen erfin dungsgemäßen Brenner mit einem zylindrischen Drallerzeuger;

Fig. 9 und 10 Beispiele für erfindungsgemässe Brennerbauformen mit zylindrischem Drallkör per und konischem Innenkörper;

Fig. 11 bis 14 schematisch Beispiele für weitere Drallerzeugergeometrien, mit denen die vor liegende Erfindung verwirklicht werden kann;

Fig. 15 und 16 Drallerzeugergeometrien mit einem nachgeschalteten Vormischrohr, bei denen die Erfindung verwirklicht werden kann; und

Fig. 17 und 18 schematisch zwei Beispiele für den Aufbau des Drallkörpers im Querschnitt, wie er beim erfindungsgemäßen Brenner einge setzt werden kann.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In den folgenden Figuren sind die Brenner in stark schematisierter Ausführung dargestellt, so dass lediglich jeweils an einer Position die für die jeweilige Erläuterung wesentlichen Merkmale herausge stellt sind. Die weitere Gestaltung der dargestellten Brenner ist dem Fachmann unter anderem aus den als Stand der Technik zitierten Dokumenten geläufig. Weiterhin wird bei den Ausführungsbeispielen teilweise auf die Eindüsung von gasförmigem Brennstoff Bezug genommen. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch flüssiger Brennstoff über die Brennstoff- Austrittsöffnungen in den Verbrennungsluftstrom eingebracht werden kann. Der Brennstoff wird weiterhin als Vormischbrennstoff referiert; es versteht sich von selbst, dass ein Teil der gesamten Brennstoffmenge in bestimmten Lastbereichen auch als Pilotbrennstoff zur weiteren Erhöhung der Flammenstabilität eingebracht werden kann. Zuführungen für Pilotbrennstoff sind in keiner der Figuren dargestellt, da sie nicht erfin dungswesentlich sind; in Kenntnis des Standes der Technik wird der Fachmann diese aber ohne Weiteres in die exemplarisch dargestellten Brenner zu implementie ren wissen, falls er dies für nötig erachtet.

In Fig. 1 ist ein erstes Beispiel für einen er findungsgemässen Brenner im Längsschnitt und im Querschnitt dargestellt. Fig. 1a zeigt eine Anordnung der ersten 5 und zweiten Brennstoffzuführungen 7 bei einem Brenner mit kegelförmigem Drallkörper 1. In der Außenschalung dieses Drallkörpers 1 ist an den Ein strömkanten der Lufteintrittsschlitze, wie sie dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt sind, neben der ersten Zuführung 5 für eine erste Vormischbrenn stoffmenge P1 eine zweite Zuführung 7 für eine zweite Vormischbrennstoffmenge P2 angeordnet. Diese beiden Zuführungen lassen sich unabhängig voneinander mit Vormischbrennstoff beaufschlagen, d. h., dass beispiels weise der Massenstrom des zweiten Vormischbrennstoffes P2, der durch die zweite Zuführung 7 strömt, unabhängig vom Massenstrom des ersten Vormischbrennstoffes P1 durch die erste Zuführung 5 eingestellt werden kann. Dies ist durch die unterschiedlichen Zuführungsleitun gen mit den Pfeilen angedeutet. Es versteht sich von selbst, dass vorzugsweise mehrere dieser Zuführungspaa re 5, 7 symmetrisch um die Brennerachse angeordnet sind. Die Brennstoffzufuhr zu den beiden Zuführkanälen, kann über hier nicht explizierte Regelventile unabhän gig voneinander eingestellt werden. Die Anordnung der Regelventile ist im Beispiel nicht dargestellt, dem Fachmann aber ohne Weiteres geläufig.

In Fig. 1b ist der Brenner im senkrechten Schnitt durch die Brennerachse 3 dargestellt. In dieser Abbildung sind die beiden Schalen 1a, 1b des Drallkör pers zu erkennen. Diese sind mit zur eigentlichen Brennerachse 3 versetzten Symmetrieachsen 3a, 3b angeordnet, dergestalt, dass zwischen ihnen Luftein trittsschlitze 4 für die Verbrennungsluft 11 ausgebil det sind. An einem solchen Lufteintrittsschlitz 4 ist in aus dem Stand der Technik bekannter Weise der erste Zuführungskanal 5 mit den entsprechenden Austrittsöff nungen 6 für den Vormischbrennstoff zu erkennen. Unmittelbar neben diesem ersten Zuführungskanal 5 ist der zweite Zuführungskanal 7 mit den entsprechenden zweiten Austrittsöffnungen 8 angeordnet. Beide Zuführ kanäle zeigen mit ihren Austrittsöffnungen 6, 8 zum einströmenden Verbrennungsluftstrom.

Durch die Stufung der Vormisch-Brennstoffmengen über getrennt voneinander beaufschlagbare Zuführkanäle kann die Eindringtiefe der Vormisch-Brennstoffmengen P1, P2 in den Verbrennungsluftstrom über den einen Zuführkanal groß und über den anderen Zuführkanal klein eingestellt werden. Dies ist in Fig. 2 schematisch dargestellt, welche Figur die Anordnung gemäß Fig. 1 in einer möglichen Betriebsweise darstellt. Hierbei wird die Brennstoffmenge im ersten Zuführkanal 5 höher eingestellt als im zweiten Zuführkanal 7, so dass sich der Druck und somit die Austrittsgeschwindigkeit des Brennstoffs an den Austrittsöffnungen 6 im Vergleich zu den Austrittsöffnungen 8 erhöht. Der erste Vormisch brennstoff P1 aus dem ersten Zuführkanal 5 dringt somit tiefer in die Verbrennungsluftströmung ein als der Vormischbrennstoff P2 aus dem zweiten Zuführungskanal 7, wie dies in der Figur angedeutet ist. Die gleiche Wirkung kann auch durch unterschiedliche Öffnungsdurch messer bzw. Durchströmquerschnitte der jeweiligen Austrittsöffnungen erreicht werden, wobei dann die durch die beiden Kanäle strömenden Brennstoffmengen bei unterschiedlicher Eindringtiefe identisch gewählt werden können.

Mit dieser Anordnung können somit die Mischungs verteilung und die Mischgüte im Brenner gezielt eingestellt werden.

Fig. 3 zeigt eine Variante der Anordnung der Zu führkanäle und der Austrittsöffnungen. Auch in diesem Beispiel ist der kegelförmige Drallkörper 1 mit jeweils einem ersten und einem zweiten Zuführungskanal 5, 7 zur Veranschaulichung in stark vereinfachter Form darge stellt. Die beiden Zuführkanäle liegen auch hier parallel nebeneinander am - nicht dargestellten - tangentialen Lufteintrittsschlitz. Bei dieser Anordnung weisen die beiden Zuführkanäle die gleiche Anzahl von Bohrungen n1 bzw. n2 auf. Die Bohrungen sind gleichmä ßig entlang der Brennerachse 3 verteilt, wobei die axiale Anordnung der Bohrungen 8 der zweiten Zuführung 7 auf Lücke zu der axialen Anordnung der Bohrungen 6 der ersten Vormisch-Brennstoffzuführung eingestellt ist. Selbstverständlich kann die Anzahl der Bohrungen n1 und n2 auch voneinander verschieden sein.

Durch die Möglichkeit, die Bohrungen der Zuführka näle unterschiedlich anzuordnen, zu verteilen oder mit unterschiedlichen Durchmessern zu versehen lässt sich die axiale und radiale Brennstoffverteilung im Brenner respektive am Brenneraustritt gezielt beeinflussen.

So kann die axiale und radiale Brennstoffvertei lung beispielsweise durch eine ungleichmäßige Anordnung der Bohrungen 8 entlang des zweiten Zuführkanals 7 bzw. der Brennerachse 3 beeinflusst werden, wie dies in den folgenden Figuren dargestellt ist.

Fig. 4 zeigt hierbei eine Anordnung, bei der die Bohrungen 6 des ersten Zuführkanals 5 in üblicher Weise in Richtung der Brennerachse 3 in gleichmäßigem gegenseitigen Abstand verteilt sind. Die Bohrungen 8 des zweiten Zuführkanals 7 sind in diesem Beispiel nur über die erste Hälfte des Drallraums in Richtung der Brennerachse 3 verteilt. Durch diese Lochanordnung kann eine Anfettung des Brennstoffgemisches im Brennerzen trum durch Zuschalten dieser zweiten Stufe - der Vormischbrennstoffzufuhr über die zweite Zuführung 7 - erreicht werden.

Fig. 5 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der die Bohrungen 8 des zweiten Zuführkanals ebenfalls, wie bei Fig. 4 im ersten Bereich des Drallraums in Richtung der Brennerachse 3 angeordnet sind. Bei diesem Beispiel sind jedoch die Bohrungen 6 des ersten Zuführkanals 5 nicht über die gesamte Länge des Drallraums in Richtung der Brennerachse 3 verteilt, sondern lediglich im zweiten, zum Brenneraustritt gerichteten Teil. Die Anzahl n1 bzw. n2 der jeweiligen Bohrungen kann je nach Anforderungen gewählt werden. Diese können gleich oder auch unterschiedlich sein.

Eine vergleichbare Ausgestaltung mit vertauschter Anordnung der Austrittsbohrungen 6, 8 in Richtung der Brennerachse 1 zeigen die Fig. 6 und 7. Insbesondere bei der Anordnung der Fig. 6 lässt sich die Anfettung des äußeren Bereiches des Brenners, das heißt des der Brennkammer zugewandten Bereiches, mit der zweiten Stufe erreichen. Grundsätzlich kann mit Anordnungen, wie sie in den Fig. 4 bis 7 dargestellt sind, ein gewünschter Konzentrationsgradient des Brennstoffes entlang der Brennerachse eingestellt werden.

Mit einer Anordnung, wie sie in Fig. 4 darge stellt ist, kann auch eine Pilotierung des Brenners bei kleinen Lasten durchgeführt werden. In diesem Fall wird mit der Stufe angefahren, die den Brennstoff in das Zentrum des Brenners eindüst. Mit zunehmender Last wird dann die zweite Stufe zugeschaltet. Bei Volllast, bei der eine möglichst gleichmäßige Brennstoffverteilung erwünscht ist, wird dann nur noch mit der zweiten Stufe gefahren.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Beispiel für die Aus führung eines erfindungsgemäßen Brenners in stark schematischer Darstellung. In diesem Beispiel wird ein rein zylindrischer Drallkörper 1 eingesetzt. Die beiden in der Figur angedeuteten Zuführungen 5, 7 mit den ersten 6 und zweiten Austrittsöffnungen 8 können in gleicher Weise ausgestaltet und angeordnet sein, wie dies bereits in Zusammenhang mit den vorangehenden Figuren erläutert wurde.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners unter Einsatz eines zylindrischen Drallerzeu gers 1 mit konischem Innenkörper 9 ist beispielhaft in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Fig. 9 zeigt hierbei wiederum den ersten 5 und den zweiten Zuführkanal 7 mit den entsprechenden Austrittsöffnungen 6, 8. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 9 sind diese Zuführkanäle nebeneinander in der Außenschalung des Drallkörpers 1 angeordnet.

Der zweite Zuführkanal 7 kann jedoch auch am zy lindrischen Innenkörper 9 angeordnet sein, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist.

Der zweite Zuführkanal 7 ist hierbei vorzugsweise innerhalb der Außenwandung des Innenkörpers 9 angeord net, wobei auch in diesem Fall, wie bei den vorangehen den Beispielen eine symmetrische Verteilung mehrerer Zuführkanäle 7 um die Brennerachse 3 gewählt werden sollte. Bei diesem Beispiel ist es jedoch auch möglich, die zweite Zuführleitung 7 zentral im Innenkörper 9 verlaufen zu lassen, wobei dann die Austrittsöffnungen 8 über entsprechende radial verlaufende Kanäle zum Drallraum 2 ausgebildet sein müssen. Im vorderen sich verjüngenden Bereich des Innenkörpers 9 können auch eine oder mehrere zusätzliche Austrittsöffnungen mit einer entsprechend getrennten Zuführung für Brennstoff (zur Pilotierung) oder Luft vorgesehen sein.

Die Fig. 11 bis 14 zeigen schematisch Beispiele für weitere Drallerzeugergeometrien, mit denen die vorliegende Erfindung verwirklicht werden kann. In den Figuren sind von oben nach unten ein Brenner mit kegelförmigem Drallkörper 1 und konischem Innenkörper 9, ein Brenner mit in Form eines umgekehrten Kegels ausgebildetem Drallkörper 1 und konischem Innenkörper 9, ein Brenner mit tulpenförmigem sowie ein Brenner mit trichterförmigem Drallkörper 1 dargestellt. Bei sämtlichen dieser Brennergeometrien können wie in den vorangegangenen Beispielen die zweiten Zuführungen sowohl im Drallkörper 1 wie auch im Innenkörper 9 angeordnet sein. Allen hier gezeigten Geometrien ist gemeinsam, dass der axiale Durchflussquerschnitt des Drallraumes im Bereich des Drallkörpers zum Brenneraus tritt hin zunimmt. Dies ist zwar keine absolut notwen dige Voraussetzung für einen gattungsgemässen Vormisch brenner, ist aber eine vorteilhafte Ausführungsform der Drallerzeuger.

Weiterhin können sämtliche Brennergeometrien mit einem Vormischrohr 10 versehen sein, wie dies beispiel haft in Fig. 15 für einen Kegelbrenner und in Fig. 16 für einen zylinderförmigen Brenner mit konischem Innenkörper 9 veranschaulicht ist.

Die Fig. 17 und 18 zeigen schließlich schema tisch zwei Beispiele für den Aufbau eines Drallkörpers im Querschnitt, wie er beim erfindungsgemäßen Brenner eingesetzt werden kann. In Fig. 17 ist ein Drallkörper dargestellt, der sich aus vier gegeneinander versetzten Schalen 1a, 1b, 1c, 1d zusammensetzt, die in der dargestellten Anordnung vier tangentiale Lufteintritt schlitze 4 bilden. Die Schalen können im gezeigten Querschnitt unterschiedlich, beispielsweise kreisseg mentförmig, elliptisch oder oval, ausgeformt sein. Bei der dargestellten Konfiguration sind die Teilkörper 1a, 1b, 1c, 1d so angeordnet, dass deren jeweilige Mittel achsen 3a, 3b, 3c, 3d versetzt zur eigentlichen Brennerachse angeordnet sind. Die Ausgestaltung eines Brenners, mit oder ohne Vormischrohr, mit einer derartigen Geometrie kann im Detail der der EP 321 809 oder der EP 0780629 entnommen werden.

In Fig. 18 ist ein monolithischer Drallkörper 1 mit darin eingebrachten tangentialen Lufteintrittsöff nungen 4 dargestellt. Die Lufteintrittsöffnungen 4 können beispielsweise als eingefräste Lufteintritts schlitze oder als Reihen von Lufteintrittsbohrungen ausgebildet sein.

Die in den vorangehenden Beispielen angeführten Kombinationen der Zuführkanäle sowie der Anordnung bzw. Ausgestaltung der Austrittsöffnungen in den Zuführkanä len können beliebig verändert oder miteinander kombi niert werden. So lassen sich sämtliche Varianten der in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Austrittsöffnungsan ordnungen auch bei den Ausgestaltungen der Fig. 8 bis 16 anwenden. Dies gilt sowohl für die Verteilung, die Anzahl wie auch die Anordnung der einzelnen Austrittsöffnungen. Weiterhin lassen sich bei allen gezeigten Varianten in den beiden Zuführkanälen unterschiedliche Lochdurchmesser einsetzen. Auf diese Weise kann in der Stufe, die eine kleinere Brennstoff menge aufnehmen soll, ein bestimmter Vordruck und eine gewünschte Austrittsgeschwindigkeit eingestellt werden. Der Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Ausgestal tungsvarianten sind hierbei keine Grenzen gesetzt. Der Fachmann wird die entsprechende Anordnung je nach gewünschter Einsatzbedingung und gewünschten Wirkungen wählen. Insbesondere ist es keineswegs zwingend, die Austrittsöffnungen in axialer Richtung äquidistant anzuordnen, wie es in allen Zeichnungen impliziert ist. Ganz im Gegenteil kann es sich als höchst vorteilhaft erweisen, die Austrittsöffnungen für den Vormischbrenn stoff in einer willkürlichen axialen Verteilung anzuordnen, oder andere Verteilungsregeln, wie eine geometrische Stufung der axialen Abstände, zu implemen tieren.

Das Gleiche gilt für den Einsatz unterschiedlicher Brennergeometrien oder die Kombination von Drallerzeu gern mit Innenkörpern oder Vormischrohren. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass die Verwirklichung der vorliegen den Erfindung mit unterschiedlichsten Brennertypen sowie Kombinationen von Drallkörpern, Innenkörpern, Vormischrohren und anderen bekannten Merkmalen von Brennern möglich ist.

Bezugszeichenliste

1

Drallerzeuger

1

a Drallerzeuger-Teilkörper

1

b Drallerzeuger-Teilkörper

1

c Drallerzeuger-Teilkörper

1

d Drallerzeuger-Teilkörper

2

Drallraum

3

Brennerachse

3

a Achse eines Drallerzeuger-Teilkörpers

3

b Achse eines Drallerzeuger-Teilkörpers

3

c Achse eines Drallerzeuger-Teilkörpers

3

d Achse eines Drallerzeuger-Teilkörpers

4

Eintrittsöffnungen/Luftschlitze

5

erste Brennstoffzuführungen

6

erste Brennstoff-Austrittsöffnungen

7

zweite Brennstoffzuführungen

8

zweite Brennstoff-Austrittsöffnungen

9

Innenkörper

10

Vormischrohr

11

Verbrennungsluft
P1 erster Vormischbrennstoff
P2 zweiter Vormischbrennstoff
n1 erste Anzahl von Bohrungen
n2 zweite Anzahl von Bohrungen

Claims

1. Brenner, im Wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (1) für einen Verbrennungsluftstrom (11), einem Drallraum (2) und Mitteln zur Einbrin gung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom, wobei der Drallerzeuger (1) Brennluft- Eintrittsöffnungen (4) für den tangential in den Drallraum (2) eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist und die Mittel zur Einbringung von Brenn stoff in den Verbrennungsluftstrom wenigstens eine erste Brennstoffzuführung (5) mit einer ersten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung einer Bren nerachse (3) angeordneten Brennstoff-Austritts öffnungen (6) für eine erste Vormischbrennstoff menge (P1) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner eine oder mehrere zweite Brenn stoffzuführungen (7) mit einer zweiten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse (3) angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen (8) für eine zweite Vormischbrennstoffmenge (P2) aufweist, welche zweite Brennstoffzuführungen (7) unabhängig von den ersten Brennstoffzuführungen (5) mit Brennstoff beaufschlagbar sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Gruppen von Brennstoff- Austrittsöffnungen im Bereich zumindest einer der Brennluft-Eintrittsöffnungen (4) angeordnet ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass mehrere erste Brennstoffzuführungen (5) und mehrere zweite Brennstoffzuführungen (7) vorgesehen sind, wobei jeder der ersten Brenn stoffzuführungen (5) wenigstens eine zweite Brenn stoffzuführung (7) zugeordnet ist.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Brennstoffzuführungen (7) unmittelbar benachbart zu ersten Brennstoffzu führungen (5) angeordnet sind.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluft-Eintrittsöff nungen (4) im Wesentlichen in Richtung der Bren nerachse (3) verlaufende tangentiale Eintritts schlitze sind.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass entlang jedem Eintrittsschlitz eine erste Brennstoffzuführung (5) mit einer ersten Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen (6) angeordnet ist.

7. Brenner nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, dass entlang jedem Eintrittsschlitz we nigstens eine zweite Brennstoffzuführung (7) mit einer zweiten Gruppe von Brennstoff-Austritts öffnungen (8) angeordnet ist.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Drallraum (2) ein In nenkörper (9) angeordnet ist, wobei die Brenn stoff-Austrittsöffnungen (8) wenigstens einer zweiten Brennstoffzuführung (7) im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse (3) verteilt auf dem In nenkörper (9) angeordnet sind.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austritts öffnungen (8) einer oder mehrerer zweiter Brenn stoffzuführungen (7) auf axialen Positionen zwi schen den Brennstoff-Austrittsöffnungen (6) einer oder mehrerer ersten Brennstoffzuführungen (5) an geordnet sind.

10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austritts öffnungen (6, 8) aller Gruppen über die gesamte axiale Erstreckung der Brennluft-Eintritts öffnungen (4) verteilt sind.

11. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austritts öffnungen (6, 8) wenigstens einer der Gruppen über die gesamte axiale Erstreckung der Brennluft- Eintrittsöffnungen (4) und die Brennstoff- Austrittsöffnungen (6, 8) wenigstens einer weite ren Gruppe über einen axialen Teilbereich der Brennluft-Eintrittsöffnungen (4) verteilt sind.

12. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austritts öffnungen (6, 8) zumindest einer der Gruppen auf einem ersten axialen Teilbereich der Brennluft- Eintrittsöffnungen (4) und die Brennstoff- Austrittsöffnungen (6, 8) anderer Gruppen auf wei teren axialen Teilbereichen der Brennluft- Eintrittsöffnungen (4) verteilt sind.

13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Teilbereiche sich nicht überlap pen.

14. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens zwei der axialen Teilbereiche zumindest teilweise überlappen.

15. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austritts öffnungen (6, 8) von zwei oder mehreren Gruppen unterschiedliche Durchströmquerschnitte aufweisen.

16. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur unabhängigen Steuerung der Vormischbrennstoffzufuhr zu der bzw. den ersten (5) und zu der bzw. den zweiten Brenn stoffzuführungen (7) vorgesehen sind.

17. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der zweiten Brenn stoffzuführungen (7) unabhängig voneinander mit Brennstoff beaufschlagbar sind.

18. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Brennstoffes über die erste(n) Brennstoffzuführung(en) (5) getrennt von der Zu fuhr des Brennstoffes über die zweite(n) Brenn stoffzuführung(en) (7) gesteuert oder geregelt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, dass der Brennstoff lastabhängig auf die er ste(n) (5) und zweite(n) Brennstoffzuführungen (7) verteilt in den Brenner eingebracht wird.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, dass der, Brennstoff in Abhängigkeit vom Luft- Brennstoffverhältnis des Brenners auf die erste(n) (5) und zweite(n) Brennstoffzuführung(en) (7) verteilt in den Brenner eingebracht wird.

21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, dass in einem ersten Betriebszustand im We sentlichen die gesamte Brennstoffmenge über den bzw. die ersten Brennstoffzuführungen (5) dem Brenner zugeführt und über die erste Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen (6) in den Verbren nungsluftstrom eingebracht wird, und dass in einem weiteren Betriebszustand wenigstens ein Teil der gesamten Brennstoffmenge dem Brenner über wenig stens eine der zweiten Brennstoffzuführung(en) (7) mit der zweiten Gruppe von Brennstoff-Austritts öffnungen (8) zugeführt wird.

22. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 17 in einem Wärmeerzeuger, da durch gekennzeichnet, dass in einem Teillastzu stand des Wärmeerzeugers der gesamte Brennstoff über die ersten Brennstoffzuführungen (5) zuge führt wird, und dass wenigstens im Volllastbetrieb des Wärmeerzeugers der Brennstoff auf die erste(n) Brennstoffzuführung(en) (5) und wenigstens eine zweite Brennstoffzuführung (7) aufgeteilt wird.