DE102014207428A1

DE102014207428A1 - Brenner mit Drallschaufel

Info

Publication number: DE102014207428A1
Application number: DE102014207428.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Böttcher; Boris Ferdinand Kock; Tobias Krieger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2015-10-22
Also published as: WO2015158489A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (1) mit einem im Querschnitt im Wesentlichen ringförmigen, im Betrieb von Luft und Brennstoff durchströmten Luftzufuhr- und Vormischkanal (2), der durch einen Außenmantel (3) und eine Nabe (4) gebildet ist und in dem mehrere Drallschaufeln (5, 6) angeordnet sind, die sich von der Nabe (4) bis zum Außenmantel (3) in radialer Richtung erstrecken und eine Umlenkfläche (7) mit einer Abströmkante (8) aufweisen, wobei die Abströmkante (8) mehrfach unterbrochen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner und bezieht sich auf die verbesserte Mischung von Brennstoff und Luft.
Der Mischung von Brennstoff und Luft kommt im Verbrennungsprozess eine zentrale Bedeutung zu. Maßgeblich werden durch die Mischungsqualität die Stickoxid(NO_x)- und Kohlenmonoxid(CO)-Emissionen, die thermoakustischen Eigenschaften der Flamme sowie die Flammenform und -lage bestimmt.
So bietet eine möglichst homogene Mischung den Vorteil niedriger NO_x-Emissionen. Weiterhin beeinflusst die Mischung jedoch auch das thermoakustische Verhalten des Brenners. So entstehen in der Brennkammer durch den Verbrennungsprozess verursachte akustische Anregungen. Abhängig von deren Amplitude und Frequenz sowie der Eigenfrequenz der Brennkammer-Struktur, werden diese Schwingungen entweder gedämpft oder verstärkt. Fallen die Frequenzen der thermoakustischen Schwingungen mit den Eigenfrequenzen der Struktur phasengleich zusammen, entstehen hohe mechanische Schwingungsamplituden, die sich kritisch auf die Lebensdauer der Bauteile auswirken können.
Bei drallstabilisierten Brennern wird der Brennstoff üblicherweise über Eindüsungsbohrungen in den Drallerzeugerschaufeln des Brenners zugegeben und dort mit der warmen Verdichterluft vermischt. Abhängig von Brenngasqualität und Brenngastemperatur sowie vom Durchmesser der Eindüsungsbohrungen dringt der Gasstrahl unterschiedlich tief in die umgebende Verdichterluft ein. Die sich ergebende "Eindringtiefe" hat direkten Einfluss auf das radiale Profil der Brenngas-Luft-Mischung. Je nach Brenngasqualität wird der Bohrungsdurchmesser so ausgelegt, dass eine bestimmte Eindringtiefe und damit ein bestimmtes Mischungsprofil erreicht werden. Dabei ist es üblich, für alle Eindüsungsbohrungen denselben Durchmesser zu verwenden. Dieses Vorgehen ist dem Umstand geschuldet, dass unterschiedliche Bohrungsdurchmesser über den sich ändernden Druckverlust auch eine unterschiedliche Aufteilung des Brenngases auf die verschiedenen Bohrungen zur Folge hätte.
Die Qualität der Mischung ist im Wesentlichen von der Eindringtiefe des Gasstrahls in die umgebende Luft abhängig.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner anzugeben, bei dem die Mischungsqualität weiter verbessert ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem Brenner mit einem im Querschnitt im Wesentlichen ringförmigen, im Betrieb von Luft und Brennstoff durchströmten Luftzufuhr- und Vormischkanal, der durch einen Außenmantel und eine Nabe gebildet ist und in dem mehrere Drallschaufeln angeordnet sind, die sich von der Nabe bis zum Außenmantel in radialer Richtung erstrecken und eine Umlenkfläche mit einer Abströmkante aufweisen, die Abströmkante mehrfach unterbrochen ist.
Die mehrfache Unterbrechung der Abströmkante führt zu vergleichsweise kleinskaligen Wirbeln. Diese Wirbel können zur weiteren Mischungsverbesserung genutzt werden, wobei die axiale Wirbelbildung zwischen den Ausströmwirbeln zur geänderten Mischung und Veränderung der Eindringtiefe durch Mitnahmeeffekte in axialer Schaufelrichtung führt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Brenners weist die Abströmkante einer Drallschaufel Sprünge hinsichtlich eines Abströmwinkels auf. Indem die Strömung durch unterschiedliche "Abströmung" an der Schaufelhinterkante "geleitet" wird, lässt sich die Mischung und Verteilung des Brennstoffes stromab der Schaufel besonders gut einstellen.
Dabei ist es zweckmäßig, weil am einfachsten umzusetzen, wenn die Sprünge alternierend in entgegengesetzte transversale Richtungen erfolgen.
Vorteilhafter Weise ist ein Übergang der Umlenkfläche zur Abströmkante hin glatt, so dass eine erste Ableitung einer Oberflächenkrümmung stetig ist. Dadurch wird unerwünschte Wirbelbildung vor der Abströmkante vermieden.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Abströmkante einer Drallschaufel in Strömungsrichtung gestuft ausgeführt. Eine Stufung ist beispielsweise durch Ausstanzen einfach Herzustellen.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Stufung als Folge von rechteckigen oder dreieckigen Aussparungen ausgeführt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Drallschaufeln Brennstofföffnungen auf, wobei eine Anzahl an Unterbrechungen der Abströmkante eine Anzahl an Brennstofföffnungen übersteigt.
Da kleinskalige Turbulenzen erzeugt werden sollen, ist es zweckmäßig, wenn Maßnahmen zur Unterbrechung der Abströmkante lediglich im stromabseitigen Drittel der Drallschaufeln vorgesehen sind.
Mit der mehrfach unterbrochenen Abströmkante der Drallerzeugerschaufeln ist eine verbesserte bzw. einstellbare Mischung von Brennstoff und Luft erzielbar. Insbesondere lässt sich mit einer solchen Abströmkante das Mischungsfeld im Nachlauf der Schaufel beeinflussen. Dies führt zu niedrigeren Emissionen und verbesserter Verbennungsstabilität.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
1 einen Brenner,
2 eine Drallschaufel nach dem Stand der Technik,
3 eine Drallschaufel mit ausgestanzter Abströmkante nach der Erfindung und
4 eine Drallschaufel nach der Erfindung mit abwechselnd nach oben oder unten gebogenen Schaufelenden.
Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Seitenansicht eines Brenners 1 mit einem im Querschnitt im Wesentlichen ringförmigen, im Betrieb von Luft und Brennstoff durchströmten Luftzufuhr- und Vormischkanal 2, der durch einen Außenmantel 3 und eine Nabe 4 gebildet ist und in dem mehrere Drallschaufeln 5, 6, 16 angeordnet sind, die sich von der Nabe 4 bis zum Außenmantel 3 in radialer Richtung erstrecken.
Ein Beispiel einer Drallschaufel 16 nach dem Stand der Technik ist in 2 gezeigt. Die Drallschaufel 16 ist als Hohlschaufel ausgeführt und weist Umlenkflächen 7 mit einer Abströmkante 8 auf, sowie Brennstofföffnungen 13, die über Brennstoffkanäle 17 versorgt werden. Die Abströmkante 8 der Drallschaufel 16 ist im Wesentlichen gerade oder leicht gekrümmt.
Im Betrieb des Brenners 1 tritt Verdichterendluft in den Luftzufuhr- und Vormischkanal 2 ein und strömt an den Drallschaufeln 5, 6, 16 vorbei, wodurch der Luftströmung ein Drall aufgeprägt wird. Brennstoff wird über die Brennstofföffnungen 13 der Luftströmung beigemischt. Das Brennstoff-Luftgemisch wird in einer nachgeordneten Verbrennungszone verbrannt.
3 zeigt eine Drallschaufel 6, bei der die Abströmkante 8 in Strömungsrichtung gestuft ausgeführt ist und zwar als Folge von rechteckigen Aussparungen 12.
4 zeigt eine alternative Ausführung einer Drallschaufel 5, die Sprünge hinsichtlich eines Abströmwinkels 9 aufweist, wobei die Abströmkante 8 der Schaufel 5 alternierend in entgegengesetzte transversale Richtungen 10 gebogen ist. Dabei ist ein Übergang 11 der Umlenkfläche 7 zur Abströmkante 8 hin glatt, so dass eine erste Ableitung einer Oberflächenkrümmung stetig ist.
Die Drallschaufeln 5, 6 der 3 und 4 weisen Brennstofföffnungen 13 auf. Dabei übersteigt die Anzahl an Unterbrechungen der Abströmkante 8 die Anzahl an Brennstofföffnungen 13. Durch die vergleichsweise häufige Unterbrechung der Abströmkante 8 wird eine kleinskalige Turbulenz erzeugt, die die Mischung von Brennstoff und Luft über die Verdrallung hinaus verbessert.
Daher ist es auch völlig ausreichend, wenn die Maßnahmen 14 zur Unterbrechung der Abströmkante 8 lediglich im stromabseitigen Drittel 15 der Drallschaufeln 5, 6 vorgesehen sind.

Claims

Brenner (1) mit einem im Querschnitt im Wesentlichen ringförmigen, im Betrieb von Luft und Brennstoff durchströmten Luftzufuhr- und Vormischkanal (2), der durch einen Außenmantel (3) und eine Nabe (4) gebildet ist und in dem mehrere Drallschaufeln (5, 6) angeordnet sind, die sich von der Nabe (4) bis zum Außenmantel (3) in radialer Richtung erstrecken und eine Umlenkfläche (7) mit einer Abströmkante (8) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmkante (8) mehrfach unterbrochen ist.
Brenner (1) nach Anspruch 1, wobei die Abströmkante (8) einer Drallschaufel (5) Sprünge hinsichtlich eines Abströmwinkels (9) aufweist.
Brenner (1) nach Anspruch 2, wobei die Sprünge alternierend in entgegengesetzte transversale Richtungen (10) erfolgen.
Brenner (1) nach Anspruch 3, wobei ein Übergang (11) der Umlenkfläche (7) zur Abströmkante (8) hin glatt ist, so dass eine erste Ableitung einer Oberflächenkrümmung stetig ist.
Brenner (1) nach Anspruch 1, wobei die Abströmkante (8) einer Drallschaufel (6) in Strömungsrichtung gestuft ausgeführt ist.
Brenner (1) nach Anspruch 4, wobei die Stufung als Folge von rechteckigen oder dreieckigen Aussparungen (12) ausgeführt ist.
Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drallschaufeln (5, 6) Brennstofföffnungen (13) aufweisen und eine Anzahl an Unterbrechungen der Abströmkante (8) eine Anzahl an Brennstofföffnungen (13) übersteigt.
Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Maßnahmen (14) zur Unterbrechung der Abströmkante (8) lediglich im stromabseitigen Drittel (15) der Drallschaufeln (5, 6) vorgesehen sind.