DE102006051286A1

DE102006051286A1 - Brennervorrichtung

Info

Publication number: DE102006051286A1
Application number: DE102006051286A
Authority: DE
Inventors: Claus Dr. Wahl; Manfred Prof. Dr. Aigner; Harald Dr. Schütz; Oliver Dr. Lammel; Rainer Dr. Lückerath
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; WS Warmeprozesstechnik GmbH
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2008-04-30
Also published as: EP1918641A2; US20080131824A1; EP1918641A3

Abstract

Es wird eine Brennervorrichtung bereitgestellt, umfassend eine Brennkammer mit einem Brennraum und eine Einblaseinrichtung zum Einblasen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in den Brennraum, wobei die Einblaseinrichtung eine Mehrzahl von an einer Kreislinie angeordneten Düsen aufweist und wobei Düsenöffnungen der Düsen in dem Brennraum als Langlöcher ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennervorrichtung, umfassend eine Brennkammer mit einem Brennraum und eine Einblaseinrichtung zum Einblasen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in den Brennraum, wobei die Einblaseinrichtung eine Mehrzahl von an einer Kreislinie angeordneten Düsen aufweist.
Durch eine solche Brennervorrichtung lässt sich in dem Brennraum eine Rezirkulation von Abgas erreichen. Das Brennstoff-Oxidator-Gemisch, welches über entsprechende Düsenstrahle in den Brennraum eingeblasen wird, kann sich mit dem rezirkulierenden Abgas vermischen. Dadurch erhält man homogene Verbrennungsverhältnisse in dem Brennraum, die dem Entstehen von heißen Stellen entgegenwirken. Dadurch wiederum erhält man gute Abgaswerte bezüglich CO und NOx.
Aus der US 2006/0029894 A1 ist ein Verbrennungssystem bekannt, welches eine Brennkammer umfasst und einen Verteiler, welcher mindestens einen Einlass für Brennstoff trägt. Über den Verteiler ist Brennstoff in die Brennkammer von einem ersten Ende in Richtung eines zweiten Endes richtbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennervorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welcher man eine gute Gasdurchmischung im Brennraum auch bei Erhöhung der Leistungsdichte erhält.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Brennervorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Düsenöffnungen der Düsen in dem Brennraum als Langlöcher ausgebildet sind.
Um die Leistungsdichte einer Brennervorrichtung der eingangs genannten Art zu erhöhen, kann der Gasdurchsatz durch die Düsen erhöht werden. Dies führt aber zu höheren Druckverlusten und damit zu einer direkten Verringerung des Wirkungsgrads. Um die Druckverluste wiederum zu verringern, kann der Durchmesser der Düsenöffnungen erhöht werden. Durch die Erhöhung des Durchmessers der Düsenöffnungen wird aber die Gasdurchmischung in dem Brennraum verschlechtert, weil der Gasstrahl dicker wird.
Durch die erfindungsgemäße Lösung mit Langlöchern als Düsenöffnungen lässt sich das Brennstoff-Oxidator-Gemisch in dem Brennraum als Bandstrahl an den jeweiligen Düsen einblasen. Bei einem solchen Bandstrahl hat man im Vergleich zu einem Strahl mit rundem Durchmesser bei gleichem Querschnitt eine größere Oberfläche. Dadurch wird die Einmischung in das rezirkulierte Abgas verbessert. Dadurch wiederum erhält man kleinere Lambda-Gradienten in der Brennkammer und die Emission von NOx und CO lässt sich im Vergleich zu Düsen mit runden Düsenöffnungen verringern.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann man auch bei Erhöhung der Leistungsdichte eine verbesserte Gasdurchmischung erreichen.
Insbesondere ist bei den Langlöchern das Verhältnis von Lochumfang zu Lochfläche größer als bei einem Kreisloch mit gleichem Lochumfang oder gleicher Lochfläche. Dadurch lässt sich bezogen auf die gleiche Lochfläche die Gasdurchmischung verbessern. Bezogen auf den gleichen Lochumfang lassen sich die Düsenöffnungen mit kleinerer Fläche und damit platzsparender ausbilden.
Insbesondere ist das Verhältnis um mindestens einen Faktor 1,2, bevorzugterweise um einen Faktor 1,4 und bei einem Ausführungsbeispiel um einen Faktor 1,5 größer. Es lässt sich dadurch im Vergleich zu runden Düsenöffnungen eine effektive Durchmischung bezogen auf die gleiche Querschnittsfläche erreichen.
Günstig ist es, wenn eine Länge einer Düsenöffnung größer ist als eine größte Breite der Düsenöffnung. Dadurch lässt sich das Verhältnis von Lochumfang zu Lochfläche vergrößern.
Insbesondere ist die Länge der Düsenöffnung mindestens 1,5-fach größer als die größte Breite, um einen großen Lochumfang zu erreichen. Ein großer Lochumfang bewirkt wiederum einen großen Querschnittsumfang in einem eingeblasenen Brennstoff-Oxidator-Strahl.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Düsenöffnungen mit ihrer Mittellinie radial oder in einem Winkel kleiner 30° zur Radialenrichtung ausgerichtet sind. Dadurch hat man eine optimierte Einmischung in das rezirkulierte Abgas erhalten. Die Mittellinie liegt dabei zwischen den längeren Seiten der Düsenöffnung.
Es kann vorgesehen sein, dass die Drehorientierung zu einer zur Brennraumachse parallelen Achse einer Düsenöffnung mindestens in einem Winkelbereich einstellbar ist. Dadurch kann diese Drehstellung variiert werden, um an einer Brennervorrichtung optimierte Vermischungsverhältnisse und Verbrennungsverhältnisse in dem Brennraum zu erhalten.
Insbesondere ist eine Düsenöffnung schlitzförmig ausgebildet, um einen Bandstrahl an dem eingeblasenen Brennstoff-Oxidator-Gemisch zu erzeugen.
Es ist auch möglich, dass eine Düsenöffnung dreiecksförmig ausgebildet ist.
Es ist auch möglich, dass eine Düsenöffnung eine oder mehrere gekrümmte Begrenzungslinien aufweist. Die Begrenzungslinien können dabei einfach oder mehrfach gekrümmt sein.
Es ist günstig, wenn der Brennraum rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Dadurch lassen sich Vermischungsverhältnisse und Verbrennungsverhältnisse in dem Brennraum mit hohem Symmetriegrad erreichen. Dies wiederum führt zu einer verbesserten Durchmischung von rezirkuliertem Abgas und eingeblasenem Brennstoff-Oxidator-Gemisch.
Günstig ist es, wenn die Brennkammer einen Auslassbereich aufweist, welcher einen sich verengenden inneren Querschnitt hat. Durch diesen Auslassbereich lässt sich eine Abgasrezirkulation erreichen, durch die wiederum eingeblasenes Brennstoff-Oxidator-Gemisch in heißes rezirkuliertes Abgas einmischbar ist.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Brennervorrichtung so ausgebildet ist, dass sich eine Abgasrezirkulation im Brennraum ausbilden kann. Dadurch erhält man homogene Mischungs- und Verbrennungsverhältnisse in dem Brennraum unter Vermeidung von heißen Stellen.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn Brennstoffdüsen oder Brennstoffröhren zum Einkoppeln von Brennstoff in die Düsen vorgesehen sind. Es lässt sich dadurch ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch erzeugen, welches durch die Düsen in den Brennraum eingeblasen wird. Dieses Brennstoff-Oxidator-Gemisch wird insbesondere in einem Düsenraum der Düsen erzeugt.
Es ist auch möglich, dass an der Kreislinie mehrere Düsen in radialer Richtung hintereinander angeordnet sind. An einem Düsenplatz an der Kreislinie sitzen dann mindestens zwei Düsen mit entsprechenden Düsenöffnungen in Langlochform. Statt einer einzigen Düsenöffnung an dem entsprechenden Düsenplatz sind dann mehrere Düsenöffnungen vorgesehen. Diese lassen sich mit geringerer Länge ausbilden, als wenn nur eine Düse an einem Düsenplatz vorhanden ist. Bei entsprechender Ausgestaltung ist es möglich, bezogen auf die Gesamtanzahl der Düsen an einem Düsenplatz ein größeres Verhältnis des Lochumfangs zur Lochfläche an den Düsenöffnungen zu erhalten. Dadurch wiederum lässt sich die Einmischung in rezirkulierendes heißes Abgas verbessern. Eine Düse an einem Düsenplatz wird gewissermaßen in mehrere Düsen unterteilt.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung;
2 eine Schnittansicht der Brennervorrichtung gemäß 1; und
3 eine schematische Darstellung verschiedener Möglichkeiten für die Ausgestaltung von Düsenöffnungen.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung, welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Brennkammer 12 mit einem Brennraum 14. Der Brennraum 14 ist rotationssymmetrisch um eine Achse 16 ausgebildet.
Der Brennraum 14 umfasst einen Verbrennungsbereich 18, welcher im Wesentlichen zylindrisch ist, und einen Auslassbereich 20 mit einer Auslassöffnung 22. Der Auslassbereich 20 verengt sich zu der Auslassöffnung 22 hin. Der Auslassbereich 20 ist kegelstumpfförmig ausgebildet.
An der Brennkammer 12 ist eine Einblaseinrichtung 24 angeordnet, über welche sich ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch in den Brennraum 14 einblasen lässt. Als Brennstoff wird ein gasförmiger Brennstoff eingesetzt. Der Oxidator ist insbesondere Luftsauerstoff.
Die Einblaseinrichtung 24 umfasst eine Mehrzahl von Düsen 26, welche an einer Kreislinie 28 (2) angeordnet sind. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Düsen 26 auf der Kreislinie 28. Die Düsen 26 weisen Düsenöffnungen 30 auf, welche in den Brennraum 14 münden. Die Düsenöffnungen 30 liegen in der Nähe einer Brennkammerwand 32, welche den Verbrennungsbereich 18 des Brennraums 14 begrenzt und sind beabstandet zu dieser Brennkammerwand 32.
Die Düsen 26 sind im Wesentlichen parallel zu der Achse 16 ausgerichtet, so dass das Brennstoff-Oxidator-Gemisch mit einer Einströmungs-Hauptrichtung in den Brennraum 14 einblasbar ist, welcher im Wesentlichen parallel zu der Achse 16 liegt. Entsprechend sind Düsenachsen 34 parallel zur Achse 16 ausgerichtet.
In die Düsen 26 ist jeweils über eine zugeordnete Brennstoffdüse 36 oder über ein Brennstoffröhrchen 36 Brennstoff einblasbar. Eine solche Brennstoffdüse oder ein solches Brennstoffröhrchen 36 weist eine Auslassöffnung 38 auf, welche in einen Düsenraum 40 der Düsen 26 mündet oder so außerhalb des Düsenraums 40 positioniert ist, dass Brennstoff, welcher aus den jeweiligen Auslassöffnungen 38 austritt, in den jeweiligen Düsenraum 40 vollständig eintritt. Der Durchmesser der Auslassöffnungen 38 ist entsprechend kleiner als der Durchmesser des Düsenraums 40.
In den Düsenraum 40 ist ferner über eine Zuführungseinrichtung 42 Oxidator und insbesondere Luft einkoppelbar.
Den Brennstoffdüsen 36 ist Brennstoff über eine Zuführungseinrichtung 44 zuführbar.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind auf der Kreislinie 28 zwölf Düsen 26 angeordnet. Der Durchmesser der Düsen 26 am Düsenraum 40 beträgt 4,5 mm. Der Durchmesser der Auslassöffnungen 38 der Brennstoffdüsen 36 beträgt 1 mm. Die Auslassöffnung 38 der Brennstoffdüsen 36 ist insbesondere kreisförmig.
An der Brennkammer 12 ist eine Zündeinrichtung 46 angeordnet, um das Brennstoff-Oxidator-Gemisch im Brennraum 14 zünden zu können.
Die Brennervorrichtung 10 ist so ausgebildet, dass Abgas in dem Brennraum 14 rezirkulieren kann. Die Abgasrezirkulation ist in 1 durch das Bezugszeichen 48 angedeutet. Durch die Abgasrezirkulation lässt sich in dem Brennraum 14 ein Temperaturprofil mit gutem Homogenitätsgrad erreichen, so dass heiße Stellen ("hot spots") vermieden werden. Dadurch erhält man niedrigere Anteile an NOx und an CO im Abgas.
Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die Geschwindigkeit von Brennstoff in den Brennstoffdüsen 36 größer ist als die turbulente Flammengeschwindigkeit im Brennraum 14, um ein Rückschlagen der Flamme in die Einblaseinrichtung 24 zu verhindern.
Um bei einer gegebenen Gasturbinen-Brennervorrichtung-Kombination 10 die Leistungsdichte zu erhöhen, kann der Durchsatz Brennstoff-Oxidator-Gemisch durch die Einblaseinrichtung 24 erhöht werden. Dies führt aber zu erhöhten Druckverlusten, die in einer Verringerung des Wirkungsgrads resultieren. Um den Druckverlust gering zu halten, können die Querschnittsflächen der Düsenöffnungen 30 der Düsen 26 erhöht werden. Durch den dadurch bedingten dickeren Gasstrahl, welcher in den Brennraum 14 eingekoppelt wird, wird die Durchmischung mit rezirkuliertem Abgas in dem Brennraum 14 verschlechtert.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass statt kreisförmigen Düsenöffnungen für die Düsen 26 die Düsenöffnungen 30 als Langlöcher 50 ausgebildet sind. Bei den Langlöchern 50 ist das Verhältnis von Lochumfang zur Lochfläche an den Düsenöffnungen 30 größer als bei einer Kreisöffnung mit gleicher Lochfläche und insbesondere um einen Faktor von mindestens 1,2 größer. Es kann vorteilhaft sein, wenn dieser Faktor mindestens 1,4 oder sogar mindestens 1,5 ist.
Ferner weisen die Langlöcher eine Länge L auf, welche größer ist als die größte Breite B. Insbesondere ist diese Länge L um das mindestens 1,5-fache größer als die Breite B.
Die Langlöcher 50 für die Düsenöffnungen 30 sind mit einer Mittellinie 51 parallel zu der Radialenrichtung 54 ausgerichtet oder liegen in einem kleinen spitzen Winkel zur Radialenrichtung 54. Insbesondere ist dieser kleine spitze Winkel kleiner als 30°.
Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass die Orientierung der Düsenöffnung 30 in ihrer Drehstellung bezogen auf eine Drehachse 56 parallel zur Achse 16 einstellbar ist.
Beispielsweise sind die Düsen 26 oder entsprechende Teile der Düsen 26, welche die Düsenöffnung 30 tragen, an einem Halter 58 einschraubbar. Durch die Einschraubstellung ist dann die Position der Drehachse 56 und damit die Ausrichtung bezüglich der Radialenrichtung 54 bestimmt.
Durch die Langloch-Düsenöffnungen 50 lässt sich das Brennstoff-Oxidator-Gemisch in "dünnen Bändern" in den Brennraum 14 einblasen. Man erhält ein hohes Verhältnis für den Querschnittsumfang eines eingeblasenen Strahls im Vergleich zu seiner Querschnittsfläche (insbesondere bezogen auf eine kreisförmige Düsenöffnung). Dadurch wird die Einmischung in das rezirkulierte heiße Abgas verbessert und die Einmischung erfolgt auch schneller. Dadurch wiederum kommt es zu kleineren Lambda-Gradienten und die Emission von NOx und CO wird verringert im Vergleich zu runden Düsenöffnungen mit gleicher Lochfläche.
Die Langlöcher 50 können schlitzförmig ausgebildet sein, wie in 3 durch das Bezugszeichen 60 angedeutet. Bei dem Langloch 60 sind parallele Begrenzungslinien vorgesehen.
Es ist auch möglich, dass Langlöcher gekrümmte Begrenzungslinien aufweisen, wie die Langlöcher 62, 64 und 66 gemäß 3. Die Langlöcher können dabei, wie oben erwähnt, in radialer Richtung 54 ausgerichtet sein oder gegenüber dieser gedreht sein.
Die Langlöcher 62 und 64 gemäß 3 weisen einfach gekrümmte Begrenzungslinien auf. Das Langloch 66 weist mehrfach gekrümmte Begrenzungslinien auf.
Es ist beispielsweise auch möglich, dass ein Langloch wie das Langloch 68 gemäß 3 dreiecksförmig ausgebildet ist.
Es ist auch möglich, dass an der Kreislinie 28 auf einem entsprechenden Kreissektor eine Mehrzahl von Düsen 70, 72 angeordnet ist. Die Düsen 70, 72 liegen insbesondere radial zueinander. Sie weisen entsprechende Düsenöffnungen 74, 76 auf, welche Langlochöffnungen sind. Die Düsenöffnungen 74 und 76 liegen in radialer Richtung 54 hintereinander und sind fluchtend zueinander ausgerichtet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Düsenöffnung mit großer Länge unterteilt in mehrere Düsenöffnungen 74, 76. Dadurch kann man getrennte Brennstoff-Oxidator-Strahlen an den Düsen 70, 72 in den Brennraum 14 einkoppeln mit einer vergrößerten Oberfläche, wenn der Abstand der Düsenöffnungen 74, 76 entsprechend gewählt wird.
Durch die erfindungsgemäße Lösung mit dem Vorsehen von Langlöchern 50 lässt sich im Vergleich zu kreisförmigen Düsenöffnungen bei gleicher Strahlfläche die Oberfläche des Strahls, welcher in den Brennraum 14 eingekoppelt wird, vergrößern. Es wird ein Bandstrahl bereitgestellt, mittels dem eine bessere Einmischung in rezirkuliertes Abgas erreicht wird.

Claims

Brennervorrichtung, umfassend eine Brennkammer (12) mit einem Brennraum (14) und eine Einblaseinrichtung (24) zum Einblasen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in den Brennraum (14), wobei die Einblaseinrichtung (24) eine Mehrzahl von an einer Kreislinie (28) angeordneten Düsen (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Düsenöffnungen (30) der Düsen (26) in dem Brennraum (14) als Langlöcher (50) ausgebildet sind.
Brennervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Langlöchern (50) das Verhältnis von Lochumfang zu Lochfläche größer ist als bei einem Kreisloch mit gleichem Lochumfang oder gleicher Lochfläche.
Brennervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis mindestens um einen Faktor 1,2 größer ist.
Brennervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis mindestens um einen Faktor 1,4 größer ist.
Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis mindestens um einen Faktor 1,5 größer ist.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (L) einer Düsenöffnung (30) größer ist als eine größte Breite (B) der Düsenöffnung (30).
Brennervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Düsenöffnung (30) mindestens 1,5-fach größer ist als die größte Breite (B).
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen (30) mit ihrer Mittellinie (51) radial oder in einem Winkel kleiner 30° zur Radialenrichtung (54) ausgerichtet sind.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehorientierung zu einer zur Brennraumachse (16) parallelen Achse (51) einer Düsenöffnung (30) mindestens in einem Winkelbereich einstellbar ist.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düsenöffnung (30) schlitzförmig ausgebildet ist.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düsenöffnung dreiecksförmig ausgebildet ist.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düsenöffnung eine oder mehrere gekrümmte Begrenzungslinien aufweist.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (14) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (12) einen Auslassbereich (20) aufweist, welcher einen sich verengenden inneren Querschnitt hat.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung, bei der sich eine Abgasrezirkulation in dem Brennraum (14) ausbilden kann.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Brennstoffdüsen (36) oder Brennstoffröhren (36) zum Einkoppeln von Brennstoff in die Düsen (26).
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kreislinie (28) mehrere Düsen (70, 72) in radialer Richtung (54) hintereinander angeordnet sind.