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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Vormischbrenner für eine Brennkammer einer Gasturbine,
insbesondere in einer Kraftwerksanlage, wenigstens umfassend ein
einen Mischraum begrenzendes Gehäuse,
eine Oxidatorzuführeinrichtung
zum Zuführen
eines gasförmigen
Oxidators in den Mischraum, eine Gasbrennstoffzuführeinrichtung
zum Zuführen
eines gasförmigen
Brennstoffs in den Mischraum sowie eine Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung
zum Zuführen
eines flüssigen
Brennstoffs in den Mischraum.
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Ein
Vormischbrenner der eingangs genannten Art ist aus
EP 0 433 790 bekannt. Der gattungsgemässe Brenner
besitzt ein aus mehreren ineinandergeschachtelten Schalen aufgebautes
Gehäuse, welches
einen Mischraum umgibt. Durch die versetzte Anordnung der Halbschalen
werden Schlitze zum tangentiale Zuführen eines Oxidators, insbesondere Verbrennungsluft,
in den Mischraum gebildet. Infolge des tangentialen Verbrennungslufteintritts
bildet sich in dem Mischraum eine Drallströmung aus, welche am Brenneraustritt
infolge eines Querschnittssprungs instabil wird und in eine annulare
Drallströmung
mit einer Rückströmung im
Kern übergeht.
Diese Rückströmung ermöglicht die
Stabilisierung einer Flammenfront stromab des Brenneraustritts.
Innerhalb der Eintrittsschlitze für die Verbrennungsluft sind Injektoren
zum Eindüsen
eines gasförmigen
Brennstoffs in die Verbrennungsluft vorgesehen. Diese Eindüsung führt in Verbindung
mit der turbulenten Drallströmung
innerhalb des Mischraums zu einer guten Durchmischung des gasförmigen Brennstoffs
mit der Verbrennungsluft. Eine gute Durchmischung ist bei derartigen
Brennern eine der Voraussetzungen für niedrige NO
x-Emissionen
bei der Verbrennung. Außerdem
ist der Brenner mit einer zentralen Lanze zur Zuführung eines
flüssigen
Brennstoffs ausgerüstet, welche
sich ausgehend von dem Brennerkopf in den Mischraum hinein erstreckt.
Die Lanze weist an ihrem freistehenden, axialen Ende eine Einspritzöffnung auf,
durch welches der Flüssigbrennstoff
in den Mischraum sowie in den stromab des Mischraums angeordneten
Brennraum einer Brennkammer einspritzbar ist.
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Bei
dem gattungsgemässen
Brenner erfolgt die Eindüsung
des flüssigen
Brennstoffs in den Mischraum parallel zur Brennerachse und die Eindüsung des
gasförmigen
Brennstoffs in die Verbrennungsluft parallel zu deren Strömungsrichtung.
Damit sind die Charakteristik der Eindüsung hinsichtlich Eindringtiefe
und Einmischung der Brennstoffstrahlen sowie die Brennstoffverteilung
entlang der Verbrennungslufteintrittsschlitze sowie der Brennerachse
vorgegeben. Die Anordnung der Austrittsöffnungen legt die Mischgüte von Brennstoff
und Verbrennungsluft sowie die Brennstoffverteilung am Brenneraustritt
fest. Aber diese Grössen
beeinflussen massgeblich die NOx-Emissionen
und die Löschgrenze des
Brenners sowie seine Stabilität
im Hinblick auf Verbrennungspulsationen.
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Problematisch
beim Betrieb von Vormischbrennern, insbesondere solchen in Verbindung
mit Gasturbinenanlagen, ist der Teillastbereich, da hier der Verbrennungsluft
nur vergleichsweise geringe Brennstoffmengen zugemischt werden.
Bei der volltständigen
Vermischung des Brennstoffs mit der gesamten Verbrennungsluft entsteht
aber ein Gemisch, welches gerade im unteren Teil lastbereich nicht
mehr zündfähig ist
oder nur eine sehr instabile Flamme ausbildet. Dies führt zu unerwünschten
Verbrennungspulsationen oder zu einem möglichen Verlöschen der
Flamme.
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Eine
Möglichkeit
zur Verminderung dieser nachteiligen Wirkungen besteht darin, die
gesamte erforderliche Brennstoffmenge über die zentrale Lanze zuzuführen. Der
Brenner wird dann bei sehr hohen Luftzahlen als Diffusionsbrenner
betrieben. Daraus resultieren zum einen eine hohe Flammenstabilität, aber
zum anderen auch sehr hohe NOx-Emissionen.
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Eine
Weiterentwicklung des oben diskutierten Brenners ist Gegenstand
der
EP 1 292 795 , welche
einen Brenner offenbart, der auch bei Änderungen der Last oder der
Brennstoffqualität
mit annähernd
konstant niedrigen Emissionswerten stabil betrieben werden kann.
Dieser Vormischbrenner umfasst ein aus mehreren Schalen zusammengesetztes Gehäuse, einen
Mischraum, in den über
tangential angeordnete Schlitze Verbrennungsluft eingeführt wird,
die im Mischraum in eine Drallströmung übergeht, Mittel zur Einbringung
von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom, wobei diese Mittel
eine erste Gruppe im wesentlichen parallel zur Brennerachse ausgerichteter
Brennstoffaustrittsöffnungen
für einen ersten
Brennstoff umfassen und wenigstens eine zweite Gruppe im wesentlichen
parallel zur Brennerachse ausgerichteter Brennstoffaustrittsöffnungen für einen
zweiten Brennstoff umfasst, wobei die erste und die zweite Gruppe
unabhängig
voneinander beaufschlagbar sind, und diese Mittel vorzugsweise im Bereich
der Verbrennungslufteintrittsschlitze angeordnet sind.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Flammenstabilität
kann zusätzlich
Pilotbrennstoff über
eine Lanze eingebracht werden.
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Da
der Brenner ausschließlich
mit Flüssigbrennstoff
betrieben werden kann, ergibt sich die Möglichkeit, die Gasbrennstoffzuführeinrichtung
zu warten oder zu reparieren, ohne dass hierzu der Betrieb des Brenners
bzw. der Brennkammer völlig
unterbrochen werden muss. Dies ist für die Effizienz der damit ausgestatteten
Gasturbine von Vorteil. Wie an anderer Stelle bereits erwähnt, führt aber
die Einspritzung von Flüssigbrennstoff
in den Mischraum des Brenners bzw. in den Brennraum der Brennkammer üblicherweise
zu deutlich erhöhten
Flammentemperaturen, was beispielsweise auf eine unzureichende Zerstäubung, Vermischung
und Verdampfung des Flüssigbrennstoffs
vor dessen Zündung
zurückzuführen ist.
Erhöhte
Flammentemperaturen gehen jedoch mit einer überproportional erhöhten Produktion
an NOx-Emissionen und Ruß einher. Dieser Nachteil kann
dadurch etwas herabgemindert werden, dass dem flüssigen Brennstoff Wasser oder
Wasserdampf, beispielsweise in einem Mengenverhältnis von 1:1, beigemischt
wird, und anstelle des flüssigen
Brennstoffs somit eine Brennstoff-/Wasser-Emulsion in den Mischraum
eingedüst
wird, was zu einer Verzögerung
der Verbrennungsreaktion und zu einer Absenkung der lokalen Flammentemperaturen
führt.
Nachteilig ist dabei wiederum, dass die Zuführung eines derartigen Verdünnungsmittels
den Wärmeübergang in
der Turbine auf der Heißgasseite
erhöht,
was mit einer Reduzierung der Lebenszeit der Turbine einhergeht.
Des weiteren gibt es Standorte für
Kraftwerksanlagen, in denen Wasser zu kostbar ist, um es als Verdünnungsmittel
zu verwenden. Berücksichtigt man
ausserdem die vergleichsweise kurze Zeit, in welcher der Brenner
tatsächlich
mit Flüssigbrennstoff betrieben
wird, so anlässlich
einer Wartung der Gasbrennstoffzuführeinrichtung oder im Pilotbetrieb,
so sind die Aufwendungen zur Aufbereitung des Wassers, beispielsweise
müssen
hierzu Demineralisationsanlagen bereitgestellt werden, zu hoch.
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Darstellung
der Erfindung
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Hier
will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den
Ansprüchen
gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, für einen
gattungsgemässen
Brenner eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, die insbesondere vergleichsweise preiswert realisierbar
ist und dabei eine Reduzierung der NOx-Emissionen sowie
der Rußbildung ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für den Betrieb des gattungsgemässen Brenners
mit Flüssigbrennstoff
diesen Flüssigbrennstoff über eine
Mehrzahl von Einspritzlöchern
in den Mischraum einzudüsen,
die bezüglich
einer Hauptausströmrichtung
des Brenners in Reihe angeordnet sind, und die den Flüssigbrennstoff
mit einer Haupteinspritzrichtung einspritzen, die eine sich radial
zur Hauptausströmrichtung
erstreckende Radialkomponente aufweist, wobei unter Hauptausströmrichtung des
Brenners eine Richtung zu verstehen ist, welche das aus dem Mischraum
ausströmende
Oxidator-Brennstoff-Gemisch
an der Auslassöffnung
des Mischraums aufweist. Durch diese Bauweise wird die Einspritzung
des Flüssigbrennstoffs
auf mehrere Einspritzlöcher
verteilt, wodurch sich der Volumenstrom am einzelnen Einspritzloch
reduziert. Auf diese Weise kann die Zerstäubungswirkung der einzelnen
Einspritzlöcher
verbessert werden. Gleichzeitig ergibt sich dadurch eine verbesserte
Vermischung sowie eine verbesserte Verdampfung des Flüssigbrennstoffs.
Aus der Anordnung der Eindspritzlöcher in Reihe und parallel
zur Hauptausströmrichtung
resultiert zwangsläufig,
dass ein Teil der Einspritzlöcher relativ
weit von der Auslassöffnung
des Mischraums entfernt ist. Der dort eingespritzte Flüssigbrennstoff besitzt
daher eine erhöhte
Verweildauer im Mischraum, was die Durchmischung und Verdampfung
des Brennstoffs begünstigt.
Besonders vorteilhaft für
die Durchmischung und Verdampfung ist außerdem die Radialkomponente
der Haupteinspritzrichtung am jeweiligen Einspritzloch. Denn diese
Maßnahme
intensiviert die Durchmischung und Verdampfung des Flüssigbrennstoffs.
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Durch
den erfindungsgemäßen Aufbau
ergibt sich somit eine signifikante Verbesserung der Zerstäubung, der
Durchmischung und der Verdampfung des Flüssigbrennstoffs. Dies verzögert zum
einen die Zündung
des Flüssigbrennstoffs
und reduziert zum anderen die Gefahr lokal überhöhter Flammentemperaturen. In
der Folge wird die NOx-Bildung reduziert;
außerdem
entsteht weniger Ruß.
Von besonderem Vorteil ist dabei, dass die geschilderte Verbesserung
der Emissionswerte erzielt werden kann, ohne dass dem Flüssigbrennstoff
hierzu Wasser oder Wasserdampf oder ein anderes Verdünnungsmittel zugeführt werden
müsste.
In der Folge benötigt
der erfindungsgemäße Brenner
für den
Betrieb mit Flüssigbrennstoff
kein Wasser. Der Wasseranteil im Flüssigbrennstoff (sogenannter „ω-Wert") ist daher niedrig
und beträgt
vorzugsweise Null. Da für
den Betrieb des Brenners mit Flüssigbrennstoff
kein solches Verdünnungsmittel
benötigt
wird, entfallen auch entsprechende Anlagen zur Aufbereitung eines
derartigen Verdünnungsmittels.
Die Kosten zur Realisierung eines derartigen Brenners sind daher
vergleichsweise gering.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform kann
der Brenner mit einer zentral angeordneten Lanze ausgestattet sein,
die sich von einem Brennerkopf in den Mischraum hineinerstreckt.
An dieser Lanze können
dann mehrere oder sämtliche
Einspritzlöcher
angebracht sein, wobei die Einspritzlöcher dann in der Hauptausströmrichtung,
also in der Längsrichtung
der Lanze entlang der Lanze über
deren Mantelfläche
verteilt angeordnet sind. Dementsprechend kann der Flüssigbrennstoff
bereits relativ nahe am Brennerkopf in den Mischraum eingespritzt werden.
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Zusätzlich oder
alternativ kann diese Lanze mit wenigstens einem Piloteinspritzloch
ausgestattet sein, über
das für
einen Pilotbetrieb Flüssigbrennstoff in
den Mischraum bzw. in einen stromab des Mischraums angeordneten
Brennraum der Brennkammer eingespritzt wird. Das wenigstens eine
Piloteinspritzloch spritzt dabei den Flüssigbrennstoff mit einer Haupteinspritzrichtung
ein, die im wesentlichen ausschließlich eine Axialkomponente
aufweist und sich somit parallel zur Hauptausströmrichtung erstreckt. Zweckmäßig ist
das wenigstens eine Piloteinspritzloch am freien Ende, also an der
Spitze der Lanze axial angeordnet.
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Bei
einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere oder
sämtliche
Brennstoffeinspritzlöcher
entlang der wenigstens einen tangentialen Einlassöffnung für den Oxidator
angeordnet. Die Zumischung des Flüssigbrennstoffs erfolgt bei
dieser Ausführungsform
innerhalb der tangentialen Einlassöffnung des Mischraums oder
unmittelbar stromauf davon. Diese Eindüsung führt in Verbindung mit der turbulenten
Drallströmung
innerhalb des Mischraums zu einer intensiven Durchmischung von Brennstoff und
Oxidator. Gleichzeitig verlängert
sich dadurch die Verweilzeit des eingespritzten Flüssigbrennstoffs, was
ebenfalls die Durchmischung und vor allem die Verdampfung des Flüssigbrennstoffs
verbessert.
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Besonders
vorteilhaft ist nun eine Weiterbildung, bei welcher die Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung
zumindest einen Flüssigbrennstoffkanal
aufweist, der an die Hauptzuführleitung
für Flüssigbrennstoff
angeschlossen ist, der zu mehreren oder allen Einspritzlöchern führt und
der in einem sich entlang der wenigstens einen tangentialen Einlassöffnung erstreckenden
Rohr ausgebildet ist, das bezüglich
der Oxidatorströmung
stromauf der jeweiligen Einlassöffnung
angeordnet ist. Die Eindüsung
des Flüssigbrennstoffs über ein
derartiges Rohr ermöglicht
eine optimale Verteilung der Einspritzung des Flüssigbrennstoffs entlang der
jeweiligen Einlassöffnung.
Auch dies unterstützt
die Zerstäubung,
Durchmischung und Verdampfung des Flüssigbrennstoffs.
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Bei
einer besonderen Weiterbildung kann das besagte Rohr zusätzlich dazu
genutzt werden, für
den Betrieb des Brenners mit Gasbrennstoff denselben ebenfalls über das
Rohr stromauf der jeweiligen Einlassöffnung dem Oxida torstrom zuzuführen. Zu
diesem Zweck enthält
das Rohr neben dem Flüssigbrennstoffkanal
zumindest einen Gasbrennstoffkanal. Der an dieser Stelle eingedüste Gasbrennstoff besitzt
somit ebenfalls eine besonders lange Aufenthaltsdauer im Brenner,
was die Durchmischung mit dem Oxidatorstrom intensiviert. Die Integration
des Flüssigbrennstoffkanals
und des wenigstens einen Gasbrennstoffkanals in ein gemeinsames
Rohr reduziert dabei die Herstellungskosten des Brenners.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Brenners ergeben sich aus
den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils
schematisch,
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1 einen
stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch einen Brenner
nach der Erfindung,
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2 einen
Querschnitt durch den Brenner gemäss 1, entsprechend
Schnittlinien II-II,
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3 einen
Längsschnitt
wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
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4 einen
Querschnitt durch den Brenner gemäß 3 entsprechend
Schnittlinien IV-IV,
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5 einen
Längsschnitt
wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
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6 einen
Querschnitt durch den Brenner gemäss 5 entsprechend
Schnittlinien VI-VI,
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7 einen
Querschnitt durch den Brenner gemäss 5 entsprechend
Schnittlinien VII-II,
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8 einen
Längsschnitt
wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
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9 einen
Querschnitt durch den Brenner gemäss 8 entsprechend
Schnittlinien IX-IX,
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10 einen
Querschnitt durch den Brenner gemäss 8 entsprechend
Schnittlinien X-X,
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11 eine
vergrößerte Ansicht
auf ein Detail XI aus 9,
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12 eine
Ansicht auf ein Detail XII aus 8,
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13 eine
vergrößerte Ansicht
auf ein Detail XIII aus 12.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Entsprechend
den 1, 3, 5 und 8 umfasst
ein erfindungsgemässer
Brenner 1 einen von einem Gehäuse 2 begrenzten Mischraum 3. Der
Brenner 1 weist außerdem
einen Brennerkopf 4 auf, der einer Auslassöffnung 5 des
Mischraums 3 gegenüberliegend
angeordnet ist. Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist am Brennerkopf 4 eine
Lanze 6 angebracht, die zentral in den Mischraum 3 hineinragt.
Die Lanze 6 kann dabei am Brennerkopf 4 rückziehbar
bzw. einfahrbar angeordnet sein, so dass sie quasi nur bei Bedarf
in den Mischraum 3 eingefahren wird.
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Entsprechend
den
2,
4,
6,
7 und
9,
10 ist
das Gehäuse
2 bei
den hier gezeigten Ausführungsformen
so gestaltet, dass der Mischraum
3 zwei Einlassöffnungen
7 für den Oxidator
aufweist. Diese Einlassöffnungen
7 sind
dabei so angeordnet und gestaltet, dass sich für den Mischraum
3 eine
tangentiale Einströmung
und somit ein konzentrisches Wirbelsystem ausbildet. Erreicht wird
dies hier durch eine Halbschalenbauweise des Gehäuses
2, wobei die
Halbschalen in ihrer Trennebene bezüglich einer Längsmittelachse
des Gehäuses
2 exzentrisch
zueinander versetzt angeordnet sind. Des weiteren ist das Gehäuse
2 im
wesentlichen kegelförmig
mit einem sich zur Auslassöffnung
5 hin
aufweitenden Querschnitt ausgebildet. Indes ist die kegelförmige Ausbildung
des Gehäuses
2 nicht zwingend.
Es kann auch zylindrisch ausgebildet sein, wobei es bei einer solchen
Ausführungsform
des Gehäuses
2 zweckmässig ist,
einen sich konisch verjüngenden
Innenkörper
innerhalb des Mischraums
3 anzuordnen, wie dies in der
eingangs zitierten
EP 1 292 795 näher dargelegt
ist.
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Der
Brenner 1 dient zur Versorgung einer nicht gezeigten Brennkammer
einer Gasturbine, insbesondere in einer Kraftwerksanlage, mit einem
Oxidator-Brennstoff-Gemisch.
Hierzu ist der Brenner 1 an besagte Brennkammer angeschlossen,
und zwar so, dass die Auslassöffnung 5 an
einem Brennraum 8 der Brennkammer mündet. Dabei weist das Oxidator-Brennstoff-Gemisch
an der Auslassöffnung 5 eine Hauptausströmrichtung 9 auf,
die sich parallel zur Längs richtung
des Mischraums 3 erstreckt und die im wesentlichen senkrecht
auf der Auslassöffnung 5 steht.
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Der
Brenner 1 ist mit einer Oxidatorzuführeinrichtung 10 ausgestattet,
die in den 1, 3, 5 und 8 durch
einen Pfeil symbolisiert ist. Die Oxidatorzuführeinrichtung 10 dient
zum Zuführen eines
gasförmigen
Oxidators, in der Regel Luft, in den Mischraum 3. Des weiteren
ist der Brenner 1 mit einer Gasbrennstoffzuführeinrichtung 11 ausgestattet,
die in den 1 und 3 ebenfalls
durch einen Pfeil symbolisiert ist. Die Gasbrennstoffzuführeinrichtung 11 dient
zum Zuführen
eines gasförmigen Brennstoffs,
wie beispielsweise Erdgas, in den Mischraum 3. Üblicherweise
wird der Brenner 1 vorwiegend mit dem Gasbrennstoff betrieben.
Der erfindungsgemäße Brenner 1 ist
jedoch außerdem
für einen
Betrieb mit flüssigem
Brennstoff, wie zum Beispiel Heizöl, ausgestaltet. Hierzu weist
der Brenner 1 zusätzlich
eine Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung 12 auf,
mit deren Hilfe flüssiger
Brennstoff in die Mischkammer 3 eingeführt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist nun
diese Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung 12 mit
wenigstens einer Hauptzuführleitung 13 ausgestattet,
die den Flüssigbrennstoff
mehreren Einspritzlöchern 14 zuführt. Durch
diese Einspritzlöcher 14 kann
der Flüssigbrennstoff
in den Mischraum 3 eingebracht werden. Dabei sind die Einspritzlöcher 14 so
angeordnet bzw. verteilt, dass zumindest mehrere Einspritzlöcher 14 bezüglich der
Hauptausströmrichtung 9 in
wenigstens einer Reihe angeordnet sind. Des weiteren ist es besonders
wichtig, dass die einzelnen Einspritzlöcher 14 dabei so ausgestaltet
sind, dass eine hier jeweils durch einen Pfeil symbolisierte Haupteinspritzrichtung 15 des
jeweiligen Einspritzlochs 14 eine Radialkomponente aufweist,
die sich radial zur Hauptausströmrichtung 9 erstreckt.
Als „Haupteinspritzrichtung" wird dabei diejenige
Richtung verstanden, die ein Spritzstrahl mit oder ohne Drall im
Mittel aufweist.
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Durch
diesen Aufbau bzw. durch diese Ausgestaltung und Anordnung der Einspritzlöcher 14 ergibt
sich eine in der Längsrichtung
des Mischraums 3 verteilte Anordnung der Einspritzlöcher 14.
Dies ist zur Erzielung einer verbesserten Zerstäubung, Durchmischung und Verdampfung
des eingespritzten Flüssigbrennstoffs
von Vorteil.
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Bei
den Ausführungsformen
der 1, 3 und 5 sind die
Einspritzlöcher 14 an
der Lanze 6 ausgebildet, wodurch die Einspritzung des Flüssigbrennstoffs
in die Drallströmung,
welche sich aufgrund der tangentialen Zuführung des Oxidators in dem
Mischraum 3 ausbildet, quasi von innen her erfolgt. Dementsprechend
erstreckt sich die Hauptzuführleitung 13 für den Flüssigbrennstoff
zumindest teilweise innerhalb der Lanze 6.
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Vorzugsweise
sind die Einspritzlöcher
in mehr als einer Reihe parallel zur Hauptausströmrichtung 9 angeordnet,
beispielsweise in zwei diametral gegenüberliegenden Reihen. Gemäß 2 liegen die
Einspritzlöcher 14 beispielsweise
in der Trennebene der beiden Gehäusehalbschalen,
innerhalb der die beiden Gehäusehalbschalen
exzentrisch zueinander versetzt angeordnet sind und die schlitzförmigen Einlassöffnungen 7 ausbilden.
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Die
Anzahl der Reihen von Einspritzlöchern 14 entspricht
zweckmäßig der
Anzahl an Einlassöffnungen 7 des
Mischraums 3. Auf diese Weise kann jede Gruppe der Einspritzlöcher 14 speziell
einer Einlassöffnung 7 zugeordnet
werden. Indes ist dies nicht zwingend. Es können ebensogut mehr oder weniger Reihen
von Einspritzlöchern 17 angeordnet
sein, oder die Reihen können
gegenüber
der Einlassöffnung 7 stromauf
oder stromab versetzt sein.
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Während die
in zwei gegenüberliegenden Reihen
angebrachten Einspritzlöcher 14 nach
den Darstellungen in 1 bis 4 jeweils
paarweise in derselben Längsebene
angeordnet sind, können
die Einspritzlöcher
der gegenüberliegenden
Reihen auch zueinander versetzt sein. Dabei weisen die aufgereihten Einspritzlöcher 14 jeder
Reihe vorzugsweise einen gleichmäßigen Abstand
untereinander auf.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 1 sind die
Einspritzlöcher 14 jeweils
so ausgestaltet, dass die Haupteinspritzrichtung 15 jeweils
ausschließlich eine
Radialkomponente aufweist, das heisst, die Haupteinspritzrichtung 15 erstreckt
sich senkrecht zur Hauptausströmrichtung 9.
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Bei
einer Weiterbildung kann die Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung 12 optional
mit einer Pilotzuführleitung 16 ausgestattet
sein, mit deren Hilfe zumindest einem Piloteinspritzloch 17 Flüssigbrennstoff
zugeführt
werden kann. Im Unterschied zu den übrigen Einspritzlöchern 14 ist
das wenigstens eine Piloteinspritzloch 17 so ausgestaltet,
dass es eine durch einen Pfeil angedeutete Haupteinspritzrichtung 18 aufweist,
die ausschließlich
eine Axialkomponente aufweist, die sich parallel zur Hauptausströmrichtung 9 erstreckt.
Im Pilotbetrieb des Brenners 1 kann somit Flüssigbrennstoff
axial, also parallel zur Hauptausströmrichtung 9 mit oder
ohne Drall in den Mischraum 3 bzw. direkt in den Brennraum 8 eingespritzt werden.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Piloteinspritzloch 17 an
der Lanze 6, und zwar vorzugsweise an der Lanzenspitze,
also an einem vom Brennerkopf 4 entfernten Ende der Lanze 6 angeordnet.
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Entsprechend
den Ausführungsformen
der 3 und 5 können die Einspritzlöcher 14 zweckmäßig auch
so ausgestaltet sein, dass ihre jeweilige Haupteinspritzrichtung 15 zusätzlich zur
Radialkomponente außerdem
eine Axialkomponente aufweist, die sich also parallel zur Hauptausströmrichtung 9 erstreckt.
Auf diese Weise kann beispielsweise die Durchmischung mit der Oxidatorströmung verbessert
werden.
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Entsprechend
den 4 und 6 können die Einspritzlöcher 14 auch
so ausgestaltet sein, dass die jeweilige Haupteinspritzrichtung 15 zusätzlich zur
Radi alkomponente außerdem
eine Umfangskomponente aufweist. Diese Umfangskomponente oder Tangentialkomponente
erstreckt sich dabei quer zur Hauptausströmrichtung 9 sowie
quer zur Radialkomponente. Dabei ist diese Umfangskomponente zweckmäßig in der
Rotationsrichtung der Drallströmung
orientiert, das sich aufgrund der tangentialen Einströmung des
Oxidators im Mischraum 3 ausbildet. Auch die Umfangskomponente
kann zur Verbesserung der Durchmischung des Flüssigbrennstoffs mit dem Oxidator
beitragen. Dabei ist klar, dass die Einspritzlöcher 14 so ausgestaltet
werden können, dass
die Haupteinspritzrichtung 15 neben der Radialkomponente
die Axialkomponente und die Umfangskomponente kumulativ oder alternativ
aufweist.
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Für die Anordnung,
Positionierung und Dimensionierung der Einspritzlöcher 14 sowie
für die Orientierung
deren Haupteinspritzrichtung 15 wird zweckmäßig ein
Optimum gesucht, das zu einer besonders guten Zerstäubung, Durchmischung
und Verdampfung des Flüssigbrennstoffs
im Oxidatorgas führt.
Hierzu kann es insbesondere auch erforderlich sein, die einzelnen
Einspritzlöcher 14 hinsichtlich Lochquerschnitt
und/oder Haupteinspritzrichtung und/oder gegenseitigem Abstand unterschiedlich auszugestalten,
um im Extremfall jedes einzelne Einspritzloch an die lokal herrschenden
Strömungsbedingungen
optimal anpassen zu können.
Des weiteren ist klar, dass die Einspritzlöcher 14 ein bestimmtes
Verhältnis
von Länge
zu Durchmesser aufweisen müssen,
um die jeweils gewünschte
Haupteinspritzrichtung sauber darstellen zu können. Es ist durchaus möglich, dass
es dabei erforderlich wird, die Wandstärke der Lanze 6 größer zu wählen als
dies zum Beispiel bei einer herkömmlichen
Lanze 6 zur Eindüsung
flüssigen
Brennstoffs der Fall ist.
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Bei
den Ausführungsformen
der 5 und 8 ist jeder Einlassöffnung 7 ein
Rohr 19 zugeordnet, siehe hierzu auch die 6, 7 und 9, 10.
Die Rohre 19 sind dabei innerhalb oder bezüglich der
Oxidatorströmung
stromauf der jeweils zugeordneten Einlassöffnung 7 angeordnet
und erstrecken sich quasi parallel ent lang der ganzen jeweiligen
Einlassöffnung 7.
Zweckmäßig sind
die Rohre 19 dabei nicht mit einem kreisrunden Querschnitt ausgestattet,
sondern weisen in Anpassung an die Platz- und Strömungsverhältnisse
innerhalb oder unmittelbar stromauf der Einlassöffnung 7 ein langrundes,
ein ovales oder ein Stromlinienprofil auf.
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Die
Gasbrennstoffzuführeinrichtung 11 umfasst
bei diesen Ausführungsformen
zumindest eine Zuführleitung;
im vorliegenden Fall sind zwei Zuführleitungen vorgesehen, nämlich eine
erste Zuführleitung 20 und
eine zweite Zuführleitung 21.
Mit den Zuführleitungen 20, 21 kann
mehreren Eindüslöchern 22, 23 Gasbrennstoff
zugeführt
werden. Dabei werden erste Eindüslöcher 22 von
der ersten Zuführleitung 20 versorgt,
während
zweite Eindüslöcher 23 von
der zweiten Zuführleitung 21 versorgt
werden. Die Eindüslöcher 22, 23 sind
dabei bezüglich
der Oxidatorströmung
stromauf der jeweiligen Einlassöffnung 7 angeordnet.
Das jeweilige Rohr 19 enthält dabei zumindest einen Gasbrennstoffkanal,
der an die jeweilige Zuführleitung 20, 21 angeschlossen
ist und der zu den jeweils zugeordneten Eindüslöchern 22, 23 führt. Im
vorliegenden Fall ist demnach in jedem Rohr 19 ein erster
Gasbrennstoffkanal 24 enthalten, der die erste Zuführleitung 20 mit
den ersten Eindüslöchern 22 kommunizierend
verbindet. In entsprechender Weise enthält jedes Rohr 19 auch
einen zweiten Gasbrennstoffkanal 25, der die zweite Zuführleitung 21 mit
den zweiten Eindüslöchern 23 kommunizierend
verbindet.
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Bei
den hier gezeigten Ausführungsformen sind
die ersten Eindüslöcher 22 in
einem von der Auslassöffnung 5 entfernten,
an den Brennerkopf 4 anschließenden ersten Längsabschnitt
des Mischraums 3 angeordnet und bilden dadurch eine erste Brennerstufe.
Im Unterschied dazu sind die zweiten Eindüslöchern 23 in einem
an die Auslassöffnung 5 anschließenden zweiten
Längsabschnitt
des Mischraums 3 angeordnet und bilden dadurch eine zweite Brennerstufe,
die bezüglich
der Hauptausströmrichtung 9 stromab
der ersten Brenner stufe angeordnet ist. Über die separaten Zuführleitungen 20, 21 können die
beiden Brennerstufen unabhängig
voneinander gesteuert werden. Insoweit handelt es sich bei den Ausführungsformen
der 5 und 8 um einen zweistufigen Brenner 1.
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Innerhalb
jedes Rohrs 19 sind sowohl die erste Gruppe von Eindüslöchern 22 als
auch die zweite Gruppe von Eindüslöchern 23 jeweils
für sich in
wenigstens einer Reihe angeordnet, die sich im wesentlichen entlang
der jeweiligen Einlassöffnung 7 erstrecken.
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Bei
den Ausführungsformen
der 5 und 8 erfolgt die Zuführung des
Gasbrennstoffs über die
Rohre 19, also bezüglich
der Oxidatorströmung stromauf
der Einlassöffnungen 7.
Des weiteren kann bei diesen Ausführungsformen Flüssigbrennstoff
als Piloteinspritzung über
die Lanze 6 und durch das wenigstens eine Piloteinspritzloch 17 eingespritzt
werden.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 5 kann der
Flüssigbrennstoff
durch die an der Lanze 6 angebrachten Einspritzlöcher 14 von
innen in den Mischraum 3 eingedüst werden. Im Unterschied dazu
sind bei der Ausführungsform
der 8 die Einspritzlöcher 14 nicht an der
Lanze 6, sondern ebenfalls an dem wenigstens einen Rohr 19 angebracht,
so dass sich die Einspritzlöcher 14 dann
bezüglich
der Oxidatorströmung
stromauf der jeweiligen Einlassöffnung 7 befinden.
Die Einspritzung des Flüssigbrennstoffs
erfolgt dann bezüglich
der Oxidatorströmung
stromauf der jeweiligen Einlassöffnung 7.
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Zu
diesem Zweck enthält
das Rohr 19 zusätzlich
einen Flüssigbrennstoffkanal 26,
der sich parallel zu den Gasbrennstoffkanälen 24, 25 erstreckt. Der
Flüssigbrennstoffkanal 26 stellt
eine kommunizierende Verbindung zwischen der Hauptzuführleitung 13 und
den Einspritzlöchern 14 her.
Die Integration der Einspritzlöcher 14 in
das Rohr 19 ergibt einen besonders einfachen Aufbau für den Brenner 1,
der sowohl mit gasförmigem
Brennstoff als auch mit flüssigem
Brennstoff betrieben werden kann. Gleichzeitig ergibt sich bei dieser
Art der Einspritzung des Flüssigbrennstoffs
eine besonders große
Verweildauer für
den Flüssigbrennstoff
im Mischraum 3, wodurch die Zerstäubung, Durchmischung und Verdampfung
des Flüssigbrennstoffs
verbessert wird.
-
Dabei
ist klar, dass bei einer anderen Ausführungsform das wenigstens eine
Rohr 19 ausschließlich
den Flüssigbrennstoffkanal 26 enthalten kann,
wobei dann die Einbringung des Gasbrennstoffs mit Hilfe eines separaten
Rohrs oder auf eine beliebige andere geeignete Weise erfolgen kann.
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Entsprechend
den 9 und 11 besitzt das Rohr 19 im
Bereich des ersten Gasbrennstoffskanals 24 einen dreikammerigen
Aufbau, wobei jede Kammer einen der Kanäle 24, 25, 26 bildet.
Der Schnitt für
die Darstellung gemäß 11 ist
dabei so gewählt,
dass jeweils ein Paar gegenüberliegender erster
Eindüslöcher 22,
die mit dem ersten Gasbrennstoffkanal 24 kommunizieren,
ein Paar gegenüberliegender
zweiter Einspritzlöcher 23,
die mit dem zweiten Gasbrennstoffkanal 25 kommunizieren,
und mehrere Einspritzlöcher 14 erkennbar
sind, die mit dem Flüssigbrennstoffkanal 26 kommunizieren.
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Dabei
ist erkennbar, dass auch hier wieder jeweils mehrere Einspritzlöcher 14 zu
Gruppen zusammengefasst sind, die jeweils hintereinander in einer
Reihe parallel zur Hauptausströmrichtung 9 angeordnet
sind. Dabei sind sämtliche
Einspritzlöcher 14 jeweils
so ausgestaltet, dass ihre jeweilige Haupteinspritzrichtung 15 eine
Radialkomponente bezüglich
der Hauptausströmrichtung 9 des
Brenners 1 aufweist. Darüber hinaus sind mehrere Einspritzlöcher 14 entlang
einer Abströmkante
des Rohrs 19 angeordnet und dabei so ausgestaltet, dass
ihre jeweilige Haupteinspritzrichtung 15 parallel zu einer
Haupteinströmrichtung
des Brenners 1 verläuft.
Diese Haupteinströmrichtung
ist in 11 durch einen Pfeil symbolisiert
und mit 27 bezeichnet. Die Haupteinströmrichtung 27 weist der
in den Mischraum 3 einströmende Oxidatorstrom an der
jeweiligen Einlassöffnung 7 auf.
Darüber
hinaus sind hier zwei Reihen von Einspritzlöchern 14 vorgesehen,
die jeweils so ausgestaltet sind, dass ihre jeweilige Haupteinspritzrichtung 15 bezüglich der
Haupteinströmrichtung 27 eine Querkomponente
aufweist. Auf diese Weise erfolgt die Einspritzung direkt in die
Oxidatorströmung,
welche das Rohr 19 umströmt und stromab des Rohrs 19 durch
die Einlassöffnung 7 in
den Mischraum 3 eintritt.
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Entsprechend
den 12 und 13 sind die
Einspritzlöcher 14 und
die an der selben Seite des Rohrs 19 ausgebildeten zweiten
Eindüslöcher 23 bezüglich der
Hauptausströmrichtung 9 zueinander versetzt
angeordnet, um auf diese Weise eine gegenseitige Überlappung
zu vermeiden. Entsprechendes gilt zweckmäßig auch für die relative Lage zwischen den
Einspritzlöchern 14 und
den ersten Eindüslöchern 22.
Durch die versetzte Anordnung kann beispielsweise vermieden werden,
dass beim Betrieb des Brenners 1 mit Gasbrennstoff ein
zündfähiges Gemisch
durch die Einspritzlöcher 14 in
die Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung 12 gelangt.
-
- 1
- Brenner
- 2
- Gehäuse
- 3
- Mischraum
- 4
- Brennerkopf
- 5
- Auslassöffnung
- 6
- Lanze
- 7
- Einlassöffnung
- 8
- Brennraum
- 9
- Hauptausströmrichtung
- 10
- Oxidatorzuführeinrichtung
- 11
- Gasbrennstoffzuführeinrichtung
- 12
- Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung
- 13
- Hauptzuführleitung
- 14
- Einspritzloch
- 15
- Hautpeinspritzrichtung
- 16
- Pilotzuführleitung
- 17
- Piloteinspritzloch
- 18
- Hauptausströmrichtung
von 17
- 19
- Rohr
- 20
- erste
Zuführleitung
- 21
- zweite
Zuführleitung
- 22
- erstes
Eindüsloch
- 23
- zweites
Eindüsloch
- 24
- erster
Gasbrennstoffkanal
- 25
- zweiter
Gasbrennstoffkanal
- 26
- Flüssigbrennstoffkanal
- 27
- Haupteinströmrichtung