DE10042315A1 - Brenner für einen Wärmeerzeuger - Google Patents

Abstract

Bei Brennern mit einem Drallerzeuger (100), einem Mischrohr (220) und einer Brennkammer (30) wird neben einer ersten tangentialen Eindüsung eines Brennstoffes (113a) in den Drallerzeuger (100) in Längsrichtung mindestens eine zweite, tangentiale Eindüsung eines Brennstoffes (113b) in den Drallerzeuger (100) vorgesehen, welche unabhängig von der ersten Eindüsung geregelt werden kann. Bei Teillastbetrieb verbessern sich die Schadstoffwerte (CO, UHC, NO¶X¶) des Brenners bei gleichzeitiger Vermeidung von Flammenrückschlag und Pulsationen erheblich.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung handelt es sich um einen Brenner für einen Wärmeerzeuger, insbesondere für eine Gasturbine, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Aus EP-0 780 629 A2 ist ein Brenner der Doppelkegelbauart bekanntgeworden, der anströmungsseitig aus einem Drallerzeuger besteht, wobei die hierin gebildete Strömung nahtlos in eine Mischstrecke übergeführt wird. Dies geschieht anhand einer am Anfang der Mischstrecke zu diesem Zweck gebildeten Strömungssgeometrie, welche aus Übergangskanälen besteht, die sektoriell, entsprechend der Zahl der wirkenden Teilkörper des Drallerzeugers, die Stirnfläche der Mischstrecke erfassen und in Strömungsrichtung drallförmig verlaufen. Abströmungsseitig dieser Übergangskanäle weist die Mischstrecke eine Anzahl Filmlegungsbohrungen auf, welche eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Rohrwand gewährleisten. Anschliessend folgt eine Brennkammer, wobei der Übergang zwischen der Mischstrecke und der Brennkammer durch einen Querschnittssprung gebildet wird, in dessen Ebene sich eine Rückströmzone oder Rückströmblase bildet.

Die Drallstärke im Drallerzeuger wird demnach so gewählt, dass das Aufplatzen des Wirbels nicht innerhalb der Mischstrecke, sondern weiter stromab erfolgt, wie oben ausgeführt im Bereich des Querschnittssprunges. Die Länge der Mischstrecke ist so dimensioniert, dass eine ausreichende Mischungsgüte für alle Brennstoffarten gewährleistet ist.

Obschon dieser Brenner gegenüber denjenigen aus dem vorangegangenen Stand der Technik eine signifikante Verbesserung hinsichtlich Stärkung der Flammenstabilität, tieferer Schadstoff-Emissionen, geringerer Pulsationen, vollständigen Ausbrandes, grossen Betriebsbereichs, guter Querzündung zwischen den verschiedenen Brennern, kompakter Bauweise, verbesserter Mischung, etc., gebracht hat, zeigt es sich, dass eine weitere Stärkung der Flammenstabilität sowie eine verbesserte Anpassung der Flamme an die vorgegebene Brennkammergeometrie für einen reibungslosen Betrieb auf höchster Ebene bei der Vormischverbrennung der neueren Generation vonnöten geworden ist, insbesondere wenn es darum geht, die Pulsationen zu eliminieren und einen grösseren Betriebsbereich bei tiefen Emissionen abzudecken. Dies gilt insbesondere für den Teillastbetrieb eines solchen Brenners. Durch einen geringen Brennstoffmassenstrom des tangential eingedüsten Brennstoffs nimmt die Eindringtiefe der Brennstoffjets entlang der Premixeindüsung ab und magert die Kernzone des Brenners aus mit negativen Folgen auf die oben angegebenen Werte des Brenners.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der eingangs genannten Art Vorkehrungen vorzuschlagen, welche eine Stärkung der Flammenstabilität und eine Anpassung der Flamme an die vorgegebene Brennkammergeometrie bewirken, ohne die übrigen Vorteile dieses Brenners in irgendeiner Weise zu mindern.

Die Idee dieser Erfindung bezieht sich auf die gestaffelte Eindüsung von Brennstoff in verschiedenen Abschnitten tangential in den Drallerzeuger. Insbesondere verbessert sich das Teillastverhalten des beschriebenen Brenners erheblich. Durch die Anordnung kann die Zufuhr der einzelnen Brennstoffleitungen einzelnen geregelt werden. Die Brennstoffmenge kann reduziert werden, in dem die Brennstoffzufuhr in nur einem bestimmten Abschnitt des Doppelkegelbrenners gedrosselt wird. Der Brennstoffmassenstrom der anderen bleibt gleich und sorgt somit in einem anderen Abschnitt weiterhin für eine gute Brennstoffversorgung und eine gute Durchmischung der Verbrennungsluft und des Brennstoffs. Insbesondere bleibt auch die Eindringtiefe des gasförmigen Brennstoffs in dem anderen Abschnitt unberührt. Die Flammenpositionierung, ein verbesserter Ausbrand und damit verbundene geringere CO, UHC, NO_x-Emissionen, eine Erniedrigung der Gefahr des Flammenrückschlages und geringere Pulsationen werden vorteilhaft über einen grösseren Lastbereich des Brenners erreicht. Die Brennstoffverteilung kann dem jeweiligen Betriebspunkt bzw. dem Strömungsprofil innerhalb des Brenners angepasst werden. Durch die Vorteile eines einzelnen Brenners verbessert sich auch das Zündverhalten zwischen den ringförmig nebeneinander angeordneten Brennern einer Brennkammer.

Die weiteren Ausgestaltungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird anhand der Beschreibung näher erläutert, wobei

Fig. 1 einen Brenner mit anschliessender Brennkammer zeigt,

Fig. 2 einen Drallerzeuger in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten, zeigt.

Fig. 3 einen Schnitt gemäss der Linie III-III in der Fig. 2 durch den 2-Schalen- Drallerzeuger darstellt,

Fig. 4 einen Schnitt gemäss der Linie IV-IV in der Fig. 2 durch einen 4-Schalen- Drallerzeuger darstellt,

Fig. 5 einen Schnitt der Linie V-V in der Fig. 2 durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind, darstellt und

Fig. 6 eine Darstellung der Form der Übergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und Mischrohr zeigt.

Es sind nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche Elemente werden in unterschiedlichen Zeichnungen gleich bezeichnet.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100 wirksam, dessen Ausgestaltung in den nachfolgenden Fig. 2-5 noch näher gezeigt und beschrieben wird. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100 um ein ke­ gelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von einem tangential einströmenden Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Übergangsgeometrie nahtlos in ein Übergangsstück 200 übergeleitet, dergestalt, dass dort keine Ablösungsgebiete auftreten können. Die Konfiguration dieser Übergangsgeometrie wird unter Fig. 6 näher beschrieben. Dieses Übergangsstück 200 ist ab­ strömungsseitig der Übergangsgeometrie durch ein Rohr 20 verlängert, wobei beide Teile das eigentliche Mischrohr 220 des Brenners bilden. Selbstverständlich kann das Mischrohr 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d. h. dann, dass das Übergangsstück 200 und Rohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmolzen sind, wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Übergangsstück 200 und Rohr 20 aus zwei Teilen erstellt, so sind diese durch einen Buchsenring 10 verbunden, wobei der gleiche Buchsenring 10 kopfseitig als Verankerungsfläche für den Drallerzeuger 100 dient. Ein solcher Buchsenring 10 hat darüber hinaus den Vorteil, dass verschiedene Mischrohre eingesetzt werden können. Abströmungsseitig des Rohres 20 befindet sich die eigentliche Brennkammer 30, welche hier lediglich durch das Flammrohr versinnbildlicht ist. Das Mischrohr 220 erfüllt die Bedingung, dass stromab des Drallerzeugers 100 eine defi­ nierte Mischstrecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 220, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so dass sich auch in Wirkverbindung mit der Übergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluss ausgeübt werden kann. Dieses Mischrohres 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, dass im Mischrohr 220 selbst das Axialgeschwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so dass eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, dass bei einer solchen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr 220 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl regelmässig oder unregelmässig verteilten Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 220 strömt, und entlang der Wand eine Erhöhung der Geschwindigkeit indiziert. Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, dass der Durchflüssquerschnitt des Mischrohres 220 abströmungsseitig der Übergangskanäle 201, welche die bereits genannten Übergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 220 angehoben wird. In der Fig. 1 entspricht der Auslauf der Übergangskanäle 201 dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220. Die genannten Übergangskanäle 201 überbrücken demnach den jeweiligen Querschnittsunterschied, ohne dabei die gebildete Strömung negativ zu beeinflussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung 40 entlang des Mischrohres 220 einen nicht tolerierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende des Mischrohres ein in der Fig. 1 nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 220 schliesst sich eine Brennkammer 30 an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone 50, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmässige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone 50. Stirnseitig weist die Brennkammer 30 eine Anzahl Öffnungen 31 auf, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung strömt, und dort unter anderem dazu beiträgt, dass die Ringstabilisation der Rückströmzone 50 gestärkt wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, dass die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 50 auch eine ausreichend hohe Drallzahl in einem Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen am Rohrende, beispielsweise durch tangentiale Öffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, dass die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge beträgt.

Um den Aufbau des Drallerzeugers 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 2 mindestens Fig. 3 herangezogen wird. Des weiteren, um diese Fig. 2 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Fig. 3 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 2 nach Bedarf auf die genannten Figuren hingewiesen.

Der erste Teil des Brenners nach Fig. 1 bildet den nach Fig. 2 gezeigten Drallerzeuger 100. Dieser besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Anzahl der kegelförmigen Teilkörper kann selbstverständlich grösser als zwei sein, wie die Fig. 4 und 5 zeigen; dies hängt jeweils, wie weiter unten noch näher zur Erläuterung kommen wird, von der Betreibungsart des ganzen Brenners ab. Es ist bei bestimmten Betriebskonstellationen nicht ausgeschlossen, einen aus einer einzigen Spirale bestehenden Drallerzeuger vorzusehen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 101b, 102b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Kanal, d. h. einen Luft­ eintrittsschlitz 119, 120 (Fig. 3), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Drallerzeugers 100, d. h. in den Kegelhohlraum 114 desselben strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztge­ nannten Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 101a, 102a auf, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Drallerzeugers 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 vorzugsweise für einen flüssigen Brennstoff 112 untergebracht, deren Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraumes 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. Selbstverständlich kann der Drallerzeuger 100 rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren Brennstoffleitungen 108, 109, 110 und 111 auf, welche entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 117, 118 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113a, 113b in die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen sollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109, 110 111 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Die Eindüsungsöffnungen 117, 118 erstrecken sich in Längsrichtung des Drallerzeugers 100 nebeneinander. Selbstverständlich ist auch eine Erweiterung auf mehr als zwei Abschnitte mit Eindüsungsöffnungen 117, 118, welche in Längsrichtung des Drallerzeugers 100 nebeneinander sind, möglich, um eine verbesserte Regelung der tangentialen Brennstoffzufuhr in den einzelnen Abschnitten das Drallerzeugers 100 unabhängig von den anderen Abschnitten zu ermöglichen. Die Brennstoffleitungen 113a, 113b sind in radialer Richtung übereinander am Drallerzeuger 100 angeordnet. Diese Art der Anordnungen der zusätzlichen Brennstoffleitungen 110, 111 und der Eindüsungsöffnungen 117, 118 sind an jedem Teilköper 101, 102 vorgesehen. Der dort eingedüste Brennstoff 113a, 113b kann gasförmig und/oder flüssig sein.

Diese zweistufige Eindüsung des gasförmigen Brennstoffs 113a; 113b weist erfindungsgemäss zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere verbessert sich das Teillastverhalten des beschriebenen Brenners erheblich. Durch die Anordnung kann die Zufuhr der einzelnen Brennstoffleitungen 108, 109, 110, 111 einzelnen geregelt werden. Die Brennstoffmenge kann reduziert werden, in dem die Brennstoffzufuhr durch die Brennstoffleitungen 108, 109, 110, 111 nur in einem bestimmten Abschnitt des Doppelkegelbrenners gedrosselt wird. Der Brennstoffmassenstrom der anderen bleibt gleich und sorgt somit in einem anderen Abschnitt weiterhin für eine gute Brennstoffversorgung und eine gute Durchmischung der Verbrennungsluft 115 und des Brennstoffs 113a, 113b. Insbesondere bleibt auch die Eindringtiefe des gasförmigen Brennstoffs 113a, 113b in dem anderen Abschnitt unberührt. Die Flammenpositionierung, ein verbesserter Ausbrand und damit verbundene geringere CO, UHC, NO_x-Emissionen, eine Erniedrigung der Gefahr des Flammenrückschlages und geringere Pulsationen werden vorteilhaft über einen grösseren Lastbereich des Brenners erreicht. Die Brennstoffverteilung kann dem jeweiligen Betriebspunkt bzw. dem Strömungsprofil innerhalb des Brenners angepasst werden. Durch die Vorteile eines einzelnen Brenners verbessert sich auch das Zündverhalten zwischen den ringförmig nebeneinander angeordneten Brennern einer Brennkammer.

Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff 112 handelt es sich, wie er­ wähnt, im Normalfall um einen flüssigen Brennstoff, wobei eine Gemischbildung mit einem anderen Medium ohne weiteres möglich ist. Dieser Brennstoff 112 wird unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffspray 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer Vermischung Richtung Verdampfung abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 113a, 113b über die Öffnungsdüsen 117 eingebracht, geschieht die Bildung des Brennstoff/Luft- Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 119, 120. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt, oder beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas oder Abgas angereichert, so unterstützt dies nachhaltig die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112, bevor dieses Gemisch in die nachgeschaltete Stufe strömt. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109, 110, 111 flüssige Brennstoffe 113a, 113b zugeführt werden sollten. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich des Kegelwinkels und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 am Ausgang des Drallerzeugers 100 einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die schnellere Bildung einer Rückströmzone bereits im Bereich des Drallerzeugers begünstigt. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Drallerzeugers 100 lässt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes ver­ ändern. Eine entsprechende Drallerzeugung verhindert die Bildung von Strömungsablösungen innerhalb des dem Drallerzeuger 100 nachgeschalteten Mischrohr. Die Konstruktion des Drallerzeugers 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Drallerzeugers 100 eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 101, 102 auch in einer anderen Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Überlappung derselben vorgesehen werden kann. Es ist des weiteren möglich, die Teilkörper 101, 102 durch eine gegenläufig drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln. Somit ist es möglich, die Form, die Grösse und die Konfiguration der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 beliebig zu variieren, womit der Drallerzeuger 100 ohne Veränderung seiner Baulänge universell einsetzbar ist.

Aus Fig. 3 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungsrichtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Öffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 dynamisch verändert werden soll. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmässige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Drallerzeuger 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vorgesehen werden.

Fig. 4 zeigt gegenüber Fig. 3, dass der Drallerzeuger 100 nunmehr aus vier Teilkörpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen zu jedem Teilkörper sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Konfiguration ist zu sagen, dass sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringeren Drallstärke und im Zusammenwirken mit einer entsprechend vergrösserten Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungsseitig des Drallerzeugers im Mischrohr zu verhindern, womit das Mischrohr die ihm zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.

Fig. 5 unterscheidet sich gegenüber Fig. 4 insoweit, als hier die Teilkörper 140, 141, 142, 143 eine Schaufelprofilform haben, welche zur Bereitstellung einer gewissen Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Drallerzeugers die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Verbrennungsluftstromes 115 geschieht aus dem Innern der Schaufelprofile heraus, d. h. die Brennstoffleitung 108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert. Auch hier sind die Längssymmetrieachsen zu den einzelnen Teilkörpern mit der Buchstabe a gekennzeichnet.

Fig. 6 zeigt das Übergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Übergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100 mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 4 oder 5, aufgebaut. Dementsprechend weist die Übergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper vier Übergangskanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche der genannten Teilkörper verlängert wird, bis sie die Wand des Rohres 20 resp. des Mischrohres 220 schneidet. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als den unter Fig. 2 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung verlaufende Fläche der einzelnen Übergangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, dass sich vorliegend der Durchflussquerschnitt des Übergangsstückes 200 in Strömungsrichtung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Übergangskanäle 201 in Strömungsrichtung ist so gewählt, dass der Rohrströmung anschliessend bis zum Querschnittssprung am Brennkammereintritt noch eine genügend grosse Strecke verbleibt, um eine perfekte Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerkstelligen. Ferner erhöht sich durch die oben genannten Massnahmen auch die Axialgeschwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeugers. Die Übergangsgeometrie und die Massnahmen im Bereich des Mischrohres bewirken eine deutliche Steigerung des Axialgeschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt des Mischrohres hin, so dass der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegengewirkt wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Buchsenring

20

Rohr

21

Bohrungen, Öffnungen

30

Brennkammer

31

Öffnungen

40

Strömung, Rohrströmung im Mischrohr

50

Rückströmzone

100

Drallerzeuger

101

,

102

Teilkörper

101

a,

102

b Zylindrische Anfangsteile

101

b,

102

b Längssymmetrieachsen

103

Brennstoffdüse

104

Brennstoffeindüsung

105

Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)

108

,

109

erste Brennstoffleitung

110

,

111

zweite Brennstoffleitung

112

Flüssiger Brennstoff

113

a Gasförmiger Brennstoff

113

b Gasförmiger Brennstoff

114

Kegelhohlraum

115

Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)

116

Brennstoff-Eindüsung aus den Brennstoffdüsen

117

,

118

117

Brennstoffdüsen der ersten Brennstoffleitung

108

,

109

118

Brennstoffdüsen der zweiten Brennstoffleitung

110

,

111

119

,

120

Tangentiale Lufteintrittsschlitze

121

a,

121

b Leitbleche

123

Drehpunkt der Leitbleche

130

,

131

,

132

,

133

Teilkörper

131

a,

131

a,

132

a,

133

a Längssymmetrieachsen

140

,

141

,

142

,

143

Schaufelprofilförmige Teilkörper

140

a,

141

a,

142

a,

143

a Längssymmetrieachsen

200

Übergangsstück

201

Übergangskanäle

220

Mischrohr

Claims (14)

1. Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, wobei der Brenner im wesentlichen aus einem Drallerzeuger (100) für einen Verbrennungsluftstrom (115), aus Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom (115) besteht, mit wenigstens einer ersten Eindüsungsvorrichtung (103) für flüssigen Brennstoff, der in Art einer kegelförmigen Flüssigbrennstoffsäule axial in den Drallerzeuger (100) zerstäubt wird, sowie wenigstens einer zweiten Eindüsungsvorrichtung (117) für gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff, der zusammen mit dem Verbrennungsluftstrom (115) tangential in den Drallerzeuger (100) eingedüst wird, wobei stromab des Drallerzeugers (100) eine Mischstrecke (220) angeordnet ist, welche innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung eine Anzahl Übergangskanäle (201) zur Überführung einer im Drallerzeuger (100) gebildeten Strömung in ein stromab dieser Übergangskanäle (201) nachgeschaltetes in eine Brennerfront übergehendes Mischrohr (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Drallerzeuger (100) mindestens eine dritte Eindüsungsvorrichtung (118) vorgesehen ist, durch die ein Brennstoff (113b) tangential in den Drallerzeuger (100) unabhängig von der zweiten Eindüsungsvorrichtung (117) eindüsbar ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Eindüsungsvorrichtung in der Längserstreckung des Drallerzeugers (100) neben der zweiten Eindüsungsvorrichtung (117) am Drallerzeuger (100) angeordnet ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennstoffleitung (110, 111) zur dritten Eindüsungsvorrichtung (118) führt, wobei diese Brennstoffleitung (110, 111) radial neben einer Brennstoffleitung (108, 109) für die zweite Eindüsungsvorrichtung (117) angeordnet ist.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102; 130, 131, 132, 133; 140, 141, 142, 143) besteht, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen (101b, 102b; 130a, 131a, 132a, 133a; 140a, 141a, 142a, 143a) dieser Teilkörper gegeneinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstromes (115) bilden, und dass im von den Teilkörpern gebildeten Innenraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) wirkbar ist.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (140, 141, 142, 143) im Querschnitt eine schaufelförmige Profilierung aufweisen.

6. Brenner nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Teilkörper (140, 141, 142, 143) mindestens eine weitere Eindüsungsvorrichtung in der Längserstreckung des Drallerzeugers (100) neben der zweiten Eindüsungsvorrichtung am Drallerzeuger (100) angeordnet ist, durch die ein Brennstoff (113b) tangential in den Drallerzeuger (100) unabhängig von der zweiten Eindüsungsvorrichtung (117) eindüsbar ist.

7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die zweite und die weiteren Eindüsungsvorrichtungen (117, 118) eingedüste Brennstoff (113a, 113b) gasförmig und/oder flüssig ist.

8. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennstoffleitung (110, 111) zur jeder Eindüsungsvorrichtung (118) führt, wobei diese Brennstoffleitung (110, 111) radial neben der Brennstoffleitung (108, 109) für die zweite Eindüsungsvorrichtung (117) angeordnet ist.

9. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (140, 141, 142, 143) in Strömungsrichtung einen festen Kegelwinkel, oder eine zunehmende Kegelneigung, oder eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.

10. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (140, 141, 142, 143) spiralförmig ineinandergeschachtelt sind.

11. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Übergangskanäle (201) in der Mischstrecke (220) der Anzahl der vom Drallerzeuger (100) gebildeten Teilströme entspricht.

12. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das den Übergangskanälen (201) nachgeschaltete Mischrohr (20) in Strömungs- und Umfangsrichtung mit Öffnungen (21) zur Eindüsung eines Luftstromes ins Innere des Mischrohres (20) versehen ist.

13. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (21) unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse (60) des Mischrohres (20) verlaufen.

14. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Mischstrecke (220) eine Brennkammer (30) angeordnet ist, dass zwischen der Mischstrecke (220) und der Brennkammer (30) ein Querschnittssprung vorhanden ist, der den anfänglichen Strömungsquerschnitt der Brennkammer (30) induziert, und dass im Bereich dieses Querschnittssprunges eine Rückströmzone (50) wirkbar ist.