DE19507088B4

DE19507088B4 - premix

Info

Publication number: DE19507088B4
Application number: DE1995107088
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Döbbeling; Hans Peter Knöpfel; Peter Dr. Stoney Stanton Senior; Christian Dr. Steinbach
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-03-01
Filing date: 1995-03-01
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2015-03-02
Also published as: JPH08261417A; EP0730121A3; DE19507088A1; EP0730121A2; CN1143728A

Abstract

Vormischbrenner, im wesentlichen bestehend aus mindestens einem axial oder quasi-axial sich erstreckenden rohrförmigen Kanal für die Zuführung einer Verbrennungsluft, aus innerhalb des rohrförmigen Kanals angeordneten Mitteln zur Erzeugung einer Drallströmung und aus Düsen zur Einbringung eines Brennstoffes, wobei die Mittel zur Erzeugung einer Drallströmung im von der Verbrennungsluft (2) durchströmten Kanal (3) Wirbelgeneratoren (4, 200, 201, 202) sind, der Vormischbrenner (1) radial angeordnete Düsen (5, 12) zur Einbringung eines flüssigen (12a) oder gasförmigen (5a) Brennstoffes aufweist, die Düsen (5, 12) in Wirkverbindung mit mindestens einem Wirbelgenerator (4, 200, 201, 202) stehen, und abströmungsseitig der Düsen (5, 12) eine bis zur Brennerfront (9) des Vormischbrenners (1) verlaufende Verdampfungsstrecke (6) vorhanden ist, welche unter einem Querschnittssprung (10) in den Brennraum (16) übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsstrecke (6) in axialer Ebene gegenüber dem Brennraum (16) eine in radialer Richtung abstehende Aufwölbung (13) aufweist.premix, essentially consisting of at least one axially or quasi-axially extending tubular Channel for the supply of a Combustion air, arranged from within the tubular channel Means for generating a swirl flow and from nozzles for Introduction of a fuel, wherein the means for generating a swirl flow in the of the combustion air (2) flowed through the channel (3) vortex generators (4, 200, 201, 202), the premix burner (1) are radially arranged Nozzles (5, 12) for introducing a liquid (12a) or gaseous (5a) fuel, the nozzles (5, 12) in operative connection with at least one vortex generator (4, 200, 201, 202), and downstream the nozzles (5, 12) one to the burner front (9) of the premix burner (1) extending Evaporation path (6) is present, which under a cross-sectional jump (10) passes into the combustion chamber (16), characterized in that the evaporation section (6) in axial Level opposite the combustion chamber (16) has a bulge (13) projecting in the radial direction having.

Description

Aus EP 0 321 809 ist ein Brenner bekanntgeworden, der eine vormischartige Verbrennung zulässt, und sonst noch eine Reihe von Vorzügen aufweist, welche in jener Druckschrift eingehend gewürdigt sind. Dieser Brenner besteht im wesentlichen aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern, deren jeweilige Längssymmetrieachsen zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle für den Einlass eines Verbrennungsluftstromes in den Brenner bilden. Vorzugsweise- wird im von den Teilkörpern gebildeten Hohlraum über eine zentrale Düse ein flüssiger Brennstoff eingedüst, während über die im Bereich der tangentialen Kanäle in Längserstreckung vorhandenen weiteren Düsen ein gasförmiger Brennstoff eingebracht wird. Bei diesem Brenner ergibt sich die Flammenstabilisation im Premixmode durch die Zunahme des Dralles entlang des Kegelkörpers. Dies führt am Brenneraustritt, wo bestimmungsgemäss die kritische Drallzahl vorherrscht, verbunden mit der plötzlichen brennraumbedingten Querschnittserweiterung, zu einer Rückströmzone, auch Rückströmblase genannt, auf der Brennerachse. In deren Staupunkt wird die Zündung eingeleitet. Im Teillastbereich, bei bestimmten Konstellationen, können sich jedoch Unzulänglichkeiten bezüglich der Flammenstabilisation ergeben. Das Auftreten solcher Unzulänglichkeiten wird bei diesem Brenner auf zwei Arten gelöst:

1. Indem der Teillastbereich dem tiefsten Premix-Betriebspunkt entspricht, was bei atmosphärisch betriebenen Brennern mit Rauchgasrezirkulation der Fall ist;
2. Indem im Teillastbereich Brennstoff über die Kopfstufe (Brennerachse) beigemischt wird, was bei Gasturbinenbetrieb zur Anwendung gelangt.

Out EP 0 321 809 For example, a burner has become known which permits premix-type combustion and otherwise has a number of advantages which are thoroughly appreciated in that document. This burner consists essentially of at least two hollow, conical, nested in the flow direction part bodies whose respective longitudinal axes of symmetry are offset from each other, such that the adjacent walls of the body form in their longitudinal extent tangential channels for the inlet of a combustion air flow into the burner. Preferably, a liquid fuel is injected into the cavity formed by the partial bodies via a central nozzle, while a gaseous fuel is introduced via the further nozzles present in the region of the tangential channels in the longitudinal extent. In this burner, the flame stabilization in the premix mode results from the increase in the twist along the cone body. This leads to the burner outlet, where the critical swirl prevails according to regulations, combined with the sudden combustion chamber-related cross-sectional widening, to a backflow zone, also called Rückströmblase, on the burner axis. In the stagnation point, the ignition is initiated. In the partial load range, with certain constellations, however, flaws can result in deficiencies. The occurrence of such deficiencies is solved in this burner in two ways:

1. By the partial load range corresponds to the lowest premix operating point, which is the case with atmospheric burners with flue gas recirculation;
2. In the partial load range, fuel is added via the head stage (burner axis), which is used in gas turbine operation.

Beide Lösungen vermögen indessen nicht immer zu befriedigen, da entweder bei (1) der Druckabfall über den Brenner mit der Last steigt, oder bei (2) die NOx-Emissionen durch den Übergang vom Premix- auf Diffusionsmode ansteigen können. Kommt hinzu, dass beim genannten Brenner noch etwa 2% der Luft für die Kühlung der Brennerfront benötigt werden. Diese Luft wird erst im Bereich der Flamme in den Brennraum oder in die Brennkammer eingeleitet und vermischt sich somit nur unvollständig mit dem vorgängig eingedüsten Brennstoff. Dadurch steigt die Flammentemperatur um ca. 20°C: Es besteht hier sonach die latente Gefahr, dass die NOx-Emissionen deswegen ansteigen könnten. Des weiteren muss berücksichtigt werden, dass der Brenner im Vormischbetrieb auch mit einem flüssigen Brennstoff betrieben werden sollte, ohne deswegen höhere Schadstoffemissionswerte in Kauf nehmen zu müssen.Both solutions capital However, not always satisfactory because either (1) the pressure drop over the Burner with load increases, or at (2) NOx emissions the transition from the premix to the diffusion mode. Add to that when the about 2% of the air required for the cooling of the burner front. This air is only in the area of the flame in the combustion chamber or introduced into the combustion chamber and thus mixes only incomplete with the previous one injected fuel. As a result, the flame temperature rises by about 20 ° C: It is here therefore the latent danger that NOx emissions could increase as a result. Furthermore must be considered be that the burner in Vormischbetrieb also with a liquid fuel should be operated without, therefore, higher pollutant emission levels to have to accept.

EP 0 619 456 und EP 0 619 457 beschreiben Ausführungsarten von Brennstoffzufuhrsystemen mit Vormischverbrennung, welche innert kürzester Strecke eine innige Vermischung von gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff mit der Verbrennungsluft erreichen, indem die Hauptströmung der Verbrennungsluft über Wirbelgeneratoren geführt wird. Da der hauptsächliche Mischprozess in den Wirbeln erfolgt und weitgehend unempfindlich gegen den Eindüsungsimpuls des Brennstoffs ist, kann die Brennstoffeinspritzung weitgehend fexibel gehalten werden und so über den gesamten Lastbereich der gleiche Eindüsungsimpuls beibehalten werden. EP 0 619 456 and EP 0 619 457 describe embodiments of pre-mixed combustion fuel supply systems which achieve intimate mixing of gaseous and / or liquid fuel with the combustion air within the shortest possible path, by guiding the main flow of the combustion air via vortex generators. Since the main mixing process takes place in the vortices and is largely insensitive to the injection pulse of the fuel, the fuel injection can be kept largely fexible and maintained over the entire load range of the same injection pulse.

Nach WO 92/21919 wird eine innige Vermischung von Brennstoff und Luft dadurch erreicht, dass mit einem derartigen Drall in die Brennkammer eingedüst wird, dass das Gemisch als ein Hohlkegel mit einem Öffnungswinkel in der Grössenordnung von über 130° und mit einer derartigen Geschwindigkeit in die Brennkammer eintritt, dass sich eine Strömung nahezu parallel zu der rückwärtigen Wand ausbildet und dort eine weitere Vermischung mit der beitretenden Kühlluft erfolgt.To WO 92/21919 is an intimate mixture of fuel and air achieved in that is injected with such a twist in the combustion chamber, that the mixture as a hollow cone with an opening angle of the order of over 130 ° and with enters the combustion chamber at such a rate that a flow almost parallel to the rear wall trains and there further mixing with the acceding cooling air he follows.

US 5 351 477 und DE 38 19 899 offenbaren Vorrichtungen zur Intensivierung der Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft, die därauf basieren, in dem Strömungskanal der Verbrennungsluft Leitschaufeln anzuordnen. In dem ersteren Falle dienen die Schaufeln dazu, der Strömung einen Drall aufzuzwingen, wobei am stromabwärtigen Ende der Leitschaufeln der Brennstoff eingedüst wird. US 5,351,477 and DE 38 19 899 disclose means for intensifying the mixing of fuel and combustion air, which are based to arrange in the flow channel of the combustion air vanes. In the former case, the vanes serve to impart a twist to the flow, with the fuel being injected at the downstream end of the vanes.

Ein Nachteil, der allen vorgenannten Lösungen immanent ist, besteht darin, dass die Brennstoffeinsprühdüsen der Flammenstrahlung ausgesetzt sind, und damit latent die Gefahr einer Entzündung des Brennstoffsprays besteht.One Disadvantage inherent in all the above solutions exists in that the fuel spray nozzles of the Flame radiation are exposed, and thus latently the risk of Inflammation of the Fuel sprays exists.

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vormischbrenner der eingangs genannten Art eine Konfiguration vorzuschlagen, welche bei einem Betrieb sowohl mit flüssigen als auch mit gasförmigen Brennstoffen gleich niedrige Schadstoffemissionen zu erzeugen vermag und die Betriebssicherheit des Vormischbrenners maximiert.Of the Invention as defined in the claims is characterized, the object is based, in a premix burner of the type mentioned to propose a configuration, which when operating both with liquid as well as with gaseous Fuels can produce equally low pollutant emissions and maximizes the reliability of the premix burner.

Der Brenner weist eine einfache geometrische Form auf, wobei die Länge der Verdampfungs- und Mischstrecke entsprechend gewählt werden kann. Nach der Brennstoffzugabe befinden sich im Strömungsfeld keine Einbauten mehr, wodurch die Strömung optimal geführt werden kann. Dadurch, dass die Verdampfungs- und Mischstrecke frei gewählt werden kann, kann sie des weiteren mit einer radialen Ablenkung versehen werden, welche die Mischzone aus der direkten Flammenstrahlung wegnimmt.The burner has a simple geometric shape, wherein the length of the evaporation and mixing section can be selected accordingly. After the addition of fuel are in the Flow field no more internals, whereby the flow can be optimally guided. The fact that the evaporation and mixing section can be chosen freely, it can also be provided with a radial deflection, which takes away the mixing zone from the direct flame radiation.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.advantageous and appropriate Further developments of the task solution according to the invention are in the other dependent claims characterized.

Im folgenden werden anhand der Figur Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.in the The following will be based on the figure embodiments of the invention explained in more detail. All for the immediate understanding The elements not required by the invention are omitted. The flow direction the media is indicated by arrows. Same elements are in the different figures provided with the same reference numerals.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings

Es zeigenIt demonstrate

1 einen Vormischbrenner von ringförmiger Form, 1 a premix burner of annular shape,

2 eine perspektivischer Darstellung eines Wirbelgenerators, 2 a perspective view of a vortex generator,

3 eine Ausführungsvariante des Wirbelgenerators, 3 a variant of the vortex generator,

4 eine Anordnungsvariante des Wirbelgenerators nach 3, 4 an arrangement variant of the vortex generator according to 3 .

5 einen Wirbelgenerator im Vormischkanal und 5 a vortex generator in Vormischkanal and

6–12 Varianten der Brennstoffzufhrung im Zusammenhang mit Wirbelgeneratoren. 6 - 12 Variants of fuel supply in connection with vortex generators.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit. ways for execution of the invention, commercial usability.

Die Figur zeigt einen rotationssymmetrischen Vormischbrenner 1, wie dies aus der Mittelachse 14 hervorgeht. Der Vormischbrenner 1 kann indessen auch aus einem einzelnen Rohr bestehen, oder mehrere Rohre können sich ringartig um die Mittelachse 14 anordnen. Dieser Vormischbrenner 1 ist unter anderen im Bereich der Brennerfront 9 durch einen radial und in Umfangsrichtung verlaufenden Einströmungskanal 8 charakterisiert. Durch diesen Einströmungskanal 8 strömt Kühlluft 7, welche die genannte Brennerfront 9 fortlaufend kühlt. Die Kühlluftströmung wird dann durch eine Umlenkung entlang der Aussenschale des Vormischbrenners 1 weitergeführt. Die erwärmte Kühlluft wird nach Beendigung des Kühlprozesses vorzugsweise und an geigneter Stelle in den Vormischbrenner 1 eingeführt. Die hier vorgesehene Kühlung ist an sich eine Konvektivkühlung, wobei. die Röhrführung des Vormischbrenners 1 ohne weiteres in Umfangsrichtung und axial gelocht sein kann, womit dann eine Effusionskühlung resp. eine Filmkühlung zum Tragen kommt. Am Anfang des Vormischbrenners 1 sind Drallkörper 200, im folgenden Wirbelgeneratoren genannt, vorgesehen, welche der einströmenden Verbrennungsluft 2 einen Drall aufzwingen. Auf die Ausführung diese Wirbelgeneratoren 200 wird in den 2-12 näher eingegangen. Bei dieser Verbrennungsluft 2 kann es sich um Frischluft oder um ein mit rückgeführtem Rauchgas gebildetes Gemisch handeln, wobei sowohl die Frischluft als auch das Gemisch wahlweise mit einem Brennstoff angereichert sein können. Des weiteren kann die Verbrennungsluft 2 je nach Betreibungsart auch kalorisch vorbehandelt sein. Die eigentliche Brennstoffeindüsung in den Vormischbrenner 1 geschieht stromab der genannten Wirbelgeneratoren 200. Beim Betrieb des Vormischbrenners 1 mit einem flüssigen Brennstoff 12a ist im Durchströmungskanal mindestens eine Brennstoffdüse 12 angeordnet, welche vorzugsweise als Zerstäubungsdüse ausgelegt ist. Unmittelbar stromauf dieser Brennstoffdüse 12 ist mindestens ein weiterer Drallerzeuger 4 angeordnet, der gegenüber der unmittelbar stromab vorgenommenen Brennstoffeindüsung axial, radial oder unter einem gewissen Winkel durchströmt wird. Der durch die Brennstoffdüse 12 bereitgestellte flüssige Brennstoff 12a wird durch die aufgrund der Auslegung des Drallerzeugers 4 gerichtete Verbrennungsluft-Strömung fortlaufend eingedrallt, dergestalt, dass hierdurch eine feine Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes 12a mit Tropfengrössen < 20 æm entstehen. Der genannte Drallerzeuger 4, wobei auf der inneren Aussenwand des Durchflussquerschnittes auch mehrere angeordnet sein können, kann über den Umfang die Form eines Schaufelgitters haben, oder eine entsprechend abgewandelte Form des weiter oben gewürdigten Brenners nach EP-0 321 809 aufweisen. Selbstverständlich können diese Drallerzeuger 4 nach der Technik der Wirbelgeneratoren 200 aufgebaut sein. Auf die stromauf disponierten Wirbelgeneratoren 200 am Anfang des Vormischbrenners 1 kann unter gewissen Umständen verzichtet werden, wobei anzumerken ist, dass diese im Normalbetrieb durch die dort stattfindende Beschleunigung der Verbrennungsluft 2 eine Verbesserung des nachfolgenden Prozesses bewirken. Diese Wirbelgeneratoren 200 sind innerhalb der Zuströmzone 3 verschiedentlich um die innere und äussere Kanalwand 17 des Durchflussquerschnittes plaziert. Abströmungsseitig der durch die Interdependenz von Brennstoffdüse 12 und Drallerzeuger 4 stattfindenden Zerstäubung des eingegebenen flüssigen Brennstoffes 12a soll eine genügend lange Verdampfungsstrecke 6 vorgesehen werden, damit die Vergasung des flüssigen Brennstoffes 12a vor Erreichen der Brennerfront 9 abgeschlossen ist. Die Querschnittsfläche des Vormischbrenners wird ab dem Drallkörper 4 bis zum Ende des Nabenkörpers, also bis im Bereich der Brennerfront 9, vorzugsweise konstant gehalten, danach wird ein Wirbelaufplatzen durch eine diffusorartige Erweiterung und zusätzlich durch eine sprungartige Erweiterung auf den Querschnitt 10 des Brennraumes 16 erreicht. Die sich hier daraus bildende Rückströmzone 11 ermöglicht einen Betrieb des Vormischbrenners 1 auch bei sehr brennstoffarmen Bedingungen. Für den Betrieb mit einem gasförmigen Brennstoff 5a wird der Vormischbrenner 1 in Umfangsrichtung und stromab der nun um die Innenwand des Durchflussquerschnittes disponierten Drallerzeuger 4 mit einer Reihe von Eindüsungslanzen 5 ergänzt, wobei vozugsweise zu jedem Drallerzeuger 4 eine entsprechende Brennstoffeindüsung vorgesehen wird, dies um das gewünschte Brennstoffverhältnis zu jedem Längswirbel besser zu erreichen. Für den Betrieb in niedriger Teillast können etwa am Ende des Nabenkörpers zusätzliche Brennstoffdüsen 15 für einen flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff 12a, 5a vorgesehen werden. Allgemein ist zu sagen, dass der Vormischbrenner 1 ohne weiters im Dualbetrieb betrieben werden kann. Stromab der Haupt-Brennstoffeindüsungen 12a, 5a, weist die Querschnittsführung des Vormischbrenners 1 eine radiale Umlenkung im Sinne einer Aufwölbung 13 auf, welche verhindert, dass die Flammenstrahlung auf das Brennstoffspray einwirken kann und es entzünden könnte. Da die Brennstoffdüse 12 in der beschriebenen Anordnung mit einem sehr hohen Massenstromverhältnis betrieben wird, lässt sich der erforderliche Vergasungsgrad des flüssigen Brennstoffes 12a ohne weiteres erreichen.The figure shows a rotationally symmetrical premix burner 1 like this from the central axis 14 evident. The premix burner 1 however, may also consist of a single tube, or several tubes may ring around the central axis 14 Arrange. This premix burner 1 is among others in the field of burner front 9 by a radially and circumferentially extending inflow channel 8th characterized. Through this inflow channel 8th flows cooling air 7 , which said burner front 9 continuously cools. The cooling air flow is then through a deflection along the outer shell of the premix burner 1 continued. The heated cooling air is preferably after completion of the cooling process and geigneter place in the premix burner 1 introduced. The cooling provided here is in itself a convective cooling, wherein. the tube guide of the premix burner 1 can be easily perforated in the circumferential direction and axially, which then an effusion cooling resp. a film cooling comes to fruition. At the beginning of the premix burner 1 are swirlers 200 , called vortex generators in the following, provided which of the incoming combustion air 2 impose a twist. On the execution of these vortex generators 200 will be in the 2 - 12 discussed in more detail. In this combustion air 2 it may be fresh air or a mixture formed with recirculated flue gas, wherein both the fresh air and the mixture may optionally be enriched with a fuel. Furthermore, the combustion air 2 Depending on the Betreibungsart be pretreated caloric. The actual fuel injection into the premix burner 1 happens downstream of the vortex generators mentioned 200 , When operating the premix burner 1 with a liquid fuel 12a is in the flow channel at least one fuel nozzle 12 arranged, which is preferably designed as a spray nozzle. Immediately upstream of this fuel nozzle 12 is at least one other swirl generator 4 arranged, which is compared to the immediately downstream carried fuel injection axially, radially or flows through at a certain angle. The through the fuel nozzle 12 provided liquid fuel 12a is due to due to the design of the swirl generator 4 directed combustion air flow continuously entrained, such that thereby a fine atomization of the liquid fuel 12a with drop sizes <20 æm. The named swirl generator 4 , wherein on the inner outer wall of the flow cross-section may also be arranged more, may have the shape of a blade lattice over the circumference, or a correspondingly modified form of the above-appreciated burner after EP-0 321 809 exhibit. Of course, these swirl generators 4 according to the technique of vortex generators 200 be constructed. On the upstream vortex generators 200 at the beginning of the premix burner 1 can be waived under certain circumstances, it being noted that these are in normal operation by the there taking place acceleration of the combustion air 2 to improve the subsequent process. These vortex generators 200 are within the inflow zone 3 variously around the inner and outer canal wall 17 the flow cross section placed. The downstream side of the interdependence of the fuel nozzle 12 and swirl generator 4 taking place atomization of the input liquid fuel 12a should have a sufficiently long evaporation distance 6 intended so that the gasification of the liquid fuel 12a before reaching the burner front 9 is completed. The cross-sectional area of the premix burner is from the swirl body 4 until the end of the hub body, ie up to the burner front 9 , preferably held constant, then a vortex burst by a diffuser-like extension and in addition by a sudden extension to the cross section 10 of the combustion chamber 16 reached. The resulting here Rückströmzone 11 allows operation of the premix burner 1 even with very fuel-poor conditions. For operation with a gaseous fuel 5a becomes the premix burner 1 in the circumferential direction and downstream of the now arranged around the inner wall of the flow cross-section swirl generator 4 with a series of injection lances 5 supplemented, vo vozugsweise each swirl generator 4 a corresponding fuel injection is provided to better achieve the desired fuel ratio to each longitudinal swirl. For operation in low part load can approximately at the end of the hub body additional fuel nozzles 15 for a liquid and / or gaseous fuel 12a . 5a be provided. Generally speaking, the premix burner 1 without further operation in dual mode. Downstream of the main fuel injections 12a . 5a , has the cross-sectional guidance of the premix burner 1 a radial deflection in the sense of a bulge 13 which prevents the flame radiation from acting on the fuel spray and igniting it. Because the fuel nozzle 12 operated in the described arrangement with a very high mass flow ratio, the required degree of gasification of the liquid fuel can be 12a easily reach.

In den 2, 3 und 4 ist die eigentliche Zuströmzone 3 nicht dargestellt. Dargestellt ist hingegen durch einen Pfeil die Strömung der Verbrennungsluft 2, womit auch die Strömungsrichtung vorgegeben ist. Gemäss diesen Figuren besteht ein Wirbelgenerator 200, 201, 202 im wesentlichen aus drei frei umströmten dreieckigen Flächen. Es sind dies eine Dachfläche 210 und zwei Seitenflächen 211 und 213. In ihrer Längserstreckung verlaufen diese Flächen unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung. Die Seitenwände der Wirbel-Generatoren 200, 201, 202, welche vorzugsweise aus rechtwinkligen Dreiecken bestehen, sind mit ihren Längsseiten auf der bereits angesprochenen Kanalwand 17 fixiert, vorzugsweise gasdicht. Sie sind so orientiert, dass sie an ihren Schmalseiten einen Stoss bilden unter Einschluss eines Pfeilwinkels à. Der Stoss ist als scharfe Verbindungskante 216 ausgeführt und steht senkrecht zu jeder Kanalwand 17, mit welcher die Seitenflächen bündig sind. Die beiden den Pfeilwinkel à einschliessenden Seitenflächen 211, 213 sind in 4 symmetrisch in Form, Grösse und Orientierung, sie sind beidseitig einer Symmetrieachse 217 angeordnet, welche gleichgerichtet wie die Kanalachse ist.In the 2 . 3 and 4 is the actual inflow zone 3 not shown. On the other hand, the flow of combustion air is shown by an arrow 2 , whereby the flow direction is predetermined. According to these figures, there is a vortex generator 200 . 201 . 202 essentially three free-flowing triangular surfaces. These are a roof area 210 and two side surfaces 211 and 213 , In their longitudinal extent, these surfaces extend at certain angles in the flow direction. The sidewalls of vortex generators 200 . 201 . 202 , which preferably consist of right triangles are, with their long sides on the already mentioned channel wall 17 fixed, preferably gas-tight. They are oriented so that they form a shock on their narrow sides, including a sweep angle à. The shock is a sharp connecting edge 216 executed and is perpendicular to each channel wall 17 , with which the side surfaces are flush. The two side surfaces enclosing the arrow angle à 211 . 213 are in 4 symmetrical in shape, size and orientation, they are on both sides of an axis of symmetry 217 arranged, which is rectified as the channel axis.

Die Dachfläche 210 liegt mit einer quer zum durchströmten Kanal verlaufenden und sehr schmal ausgebildeten Kante 215 an der gleichen Kanalwand 17 an wie die Seitenflächen 211, 213. Ihre längsgerichteten Kanten 212, 214 sind bündig mit den in den Strömungskanal hineinragenden, längsgerichteten Kanten der Seitenflächen 211, 213. Die Dachfläche 210 verläuft unter einem Anstellwinkel é zur Kanalwand 17, deren Längskanten 212, 214 bilden zusammen mit der Verbindungskante 216 eine Spitze 218. Selbstverständlich kann der Wirbelgenerator 200, 201, 202 auch mit einer Bodenfläche versehen sein, mit welcher er auf geeignete Weise an der Kanalwand 17 befestigt ist. Eine derartige Bodenfläche steht indessen in keinem Zusammenhang mit der Wirkungsweise des Elementes.The roof area 210 lies with a transverse to the flow-through channel and very narrow edge formed 215 on the same canal wall 17 like the side surfaces 211 . 213 , Their longitudinal edges 212 . 214 are flush with the projecting into the flow channel, longitudinal edges of the side surfaces 211 . 213 , The roof area 210 runs at an angle é to the channel wall 17 whose longitudinal edges 212 . 214 form together with the connecting edge 216 a peak 218 , Of course, the vortex generator 200 . 201 . 202 also be provided with a bottom surface, with which he in a suitable manner to the channel wall 17 is attached. However, such a floor surface is not related to the mode of action of the element.

Die Wirkungsweise des Wirbelgenerators 200, 201, 202 ist die folgende: Beim Umströmen der Kanten 212 und 214 wird die Hauptströmung 2 in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt, wie dies in den Figuren schematisch skizziert ist. Die Wirbelachsen liegen in der Achse dieser Hauptströmung. Die Drallzahl und der Ort des Wirbelaufplatzens (Rückströmzone = Vortex Breakdown), sofern letzteres angestrebt wird, werden durch entsprechende Wahl. des Anstellwinkels é und des Pfeilwinkels à bestimmt. Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht, und der Ort des Wirbelaufplatzens verschiebt sich stromaufwärts bis hin in den Bereich des Wirbelgenerators 200, 201, 202 selbst. Je nach Anwendung sind diese beiden Winkel é und à durch konstruktive Gegebenheiten und durch den Prozess selbst vorgegeben. Angepasst werden müssen diese Wirbelgeneratoren nur noch bezüglich Länge und Höhe, wie dies weiter unten unter 5 noch detailliert zur Ausführung gelangen wird.The mode of action of the vortex generator 200 . 201 . 202 is the following: When flowing around the edges 212 and 214 becomes the mainstream 2 converted into a pair of opposing vortices, as schematically outlined in the figures. The vortex axes lie in the axis of this main flow. The swirl number and the location of the vortex breakdown (Vorström Breakdown), if the latter is sought, by appropriate choice. the angle of attack é and the arrow angle à determined. As the angles increase, the vorticity is increased and the location of the vortex shifts up to the area of the vortex generator 200 . 201 . 202 itself. Depending on the application, these two angles é and à are determined by the constructional conditions and by the process itself. These vortex generators only have to be adapted in terms of length and height, as shown below 5 will be detailed in execution.

In 2 bildet die Verbindungskante 216 der beiden Seitenflächen 211, 213 die stromabwärtsseitige Kante des Wirbel-Generators 200. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende Kante 215 der Dachfläche 210 ist somit die von der Kanalströmung zuerst beaufschlagte Kante.In 2 forms the connecting edge 216 the two side surfaces 211 . 213 the downstream edge of the vortex generator 200 , The edge running transversely to the channel 215 the roof area 210 is thus the first acted upon by the channel flow edge.

In 3 ist ein sogenannter halber Wirbelgenerator auf der Basis eines Wirbelgenerators nach 2 gezeigt. Beim hier gezeigten Wirbelgenerator 2O1 ist nur die eine der beiden Seitenflächen mit dem Pfeilwinkel á/2 versehen. Die andere Seitenfläche ist gerade und in Strömungsrichtung ausgerichtet. Im Gegensatz zum symmetrischen Wirbelgenerator wird hier nur ein Wirbel an der gepfeilten Seite erzeugt, wie dies in der Figur versinnbildlicht wird. Demnach liegt stromab dieses Wirbel-Generators kein wirbelneutrales Feld vor, sondern der Strömung wird ein Drall aufgezwungen.In 3 is a so-called half vortex generator based on a vortex generator 2 shown. In the vortex generator shown here 2O1 If only one of the two side surfaces is provided with the arrow angle á / 2. The other side surface is straight and aligned in the flow direction. In contrast to the symmetrical vortex generator here only a vortex is generated on the swept side, as symbolized in the figure. Accordingly, there is no vortex-neutral field downstream of this vortex generator, but the flow is a Spurred on.

4 unterscheidet sich gegenüber 2 insoweit, als hier die scharfe Verbindungskante 216 des Wirbel-Generators 202 jene Stelle ist, welche von der Kanalströmung zuerst beaufschlagt wird. Das Element ist demnach um 180∅ gedreht. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, haben die beiden gegenläufigen Wirbel ihren Drehsinn geändert. 4 is different 2 in that, as here the sharp connecting edge 216 of the vortex generator 202 that location is that which is first pressurized by the channel flow. The element is therefore rotated by 180∅. As can be seen from the illustration, the two opposing vortices have changed their sense of rotation.

5 zeigt die grundsätzliche Geometrie eines in einem Kanal 3 eingebauten Wirbelgenerators 200. In der Regel wird man die Höhe h der Verbindungskante 216 mit der Kanalhöhe H, oder der Höhe des Kanalteils, welchem dem Wirbelgenerator zugeordnet ist, so abstimmen, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromab des Wirbelgenerators 200 bereits eine solche Grösse erreicht, dergestalt, dass damit die volle Kanalhöhe H ausgefüllt wird. Dies führt zu einer gleichmässigen Geschwindigkeitsverteilung in dem beaufschlagten Querschnitt. Ein weiteres Kriterium, das Einfluss auf das zu wählende Verhältnis der beiden Höhen h/H nehmen kann, ist der Druckabfall, der beim Umströmen des Wirbelgenerators 200 auftritt. Es versteht sich, dass mit grösserem Verhältnis h/H auch der Druckverlustbeiwert ansteigt. 5 shows the basic geometry of one in a channel 3 built-in vortex generator 200 , As a rule, one gets the height h of the connecting edge 216 with the channel height H, or the height of the channel part, which is associated with the vortex generator, vote so that the generated vortex immediately downstream of the vortex generator 200 already reached such a size, such that so that the full channel height H is filled. This leads to a uniform velocity distribution in the applied cross-section. Another criterion that can influence the chosen ratio of the two heights h / H is the pressure drop that occurs when the vortex generator flows around 200 occurs. It is understood that with a higher ratio h / H and the pressure loss coefficient increases.

Die Wirbelgeneratoren 200, 201, 202 werden hauptsächlich dort eingesetzt, wo es darum geht, zwei Strömungen miteinander zu mischen. Die Hauptströmung 2 attackiert in Pfeilrichtung die quergerichtete Kante 215, respektiv die Verbindungskante 216. Die Sekundärströmung in Form eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffes, der allenfalls mit einem Anteil Stützluft angereichert ist, weist einen wesentlichen kleineren Massenstrom als die Hauptströmung auf. Diese Sekundärströmung wird im vorliegenden Fall stromab des Wirbelgenerators in die Hauptströmung eingeleitet, wie dies aus 1 besonders gut hervorgeht.The vortex generators 200 . 201 . 202 are mainly used where it comes to mixing two streams together. The mainstream 2 attacks the transverse edge in the direction of the arrow 215 , respectively, the connecting edge 216 , The secondary flow in the form of a gaseous and / or liquid fuel, which is at most enriched with a proportion of supporting air, has a substantially smaller mass flow than the main flow. This secondary flow is introduced in the present case downstream of the vortex generator in the main flow, as is known 1 especially good.

Die Wirbelgeneratoren 200 werden mit Abstand zueinander über die äussere und innere Wand des Kanals 3 verteilt. Selbstverständlich können die Wirbelgeneratoren in Umfangsrichtung auch so aneinandergereiht werden, dass keine Zwischenräume an der Kanalwand 17 freigelassen werden. Für die Wahl der Anzahl und der Anordnung der Wirbelgeneratoren ist letztlich der zu erzeugenden Wirbel entscheidend.The vortex generators 200 become spaced apart over the outer and inner wall of the channel 3 distributed. Of course, the vortex generators can also be strung together in the circumferential direction so that no gaps on the channel wall 17 to be released. For the choice of the number and arrangement of the vortex generators ultimately the vortex to be generated is crucial.

Die 6-12 zeigen weitere mögliche Formen der Einführung des Brennstoffes in die Verbrennungsluft-Hauptströmung 2. Diese Varianten können auf vielfältige Weise miteinander und mit einer zentralen Brennstoffeindüsung kombiniert werden.The 6 - 12 show other possible forms of introduction of the fuel into the combustion air mainstream 2 , These variants can be combined in many ways with each other and with a central fuel injection.

6 wird der Brennstoff, zusätzlich zu Kanalwandbohrungen 220, die sich stromabwärts der Wirbel-Generatoren befinden, auch über Wandbohrungen 221 eingedüst, die sich unmittelbar neben der Seitenflächen 211, 213 und in deren Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 17 befinden, an der die Wirbelgeneratoren angeordnet sind. Die Einleitung des Brennstoffes durch die Wandbohrungen 221 verleiht den erzeugten Wirbeln einen zusätzlichen Impuls, was die Lebensdauer des Wirbel-Generators verlängert. 6 becomes the fuel, in addition to duct wall bores 220 , which are located downstream of the vortex generators, also over wall bores 221 injected, located immediately next to the side surfaces 211 . 213 and in their longitudinal extent in the same channel wall 17 are located where the vortex generators are arranged. The introduction of the fuel through the wall bores 221 gives the generated eddies an additional impulse, which prolongs the life of the vortex generator.

In 7 und 8 wird der Brennstoff über einen Schlitz 222 oder über Wandbohrungen 223 eingedüst, wobei sich beide Vorkehrungen unmittelbar vor der quer zum durchströmten Kanal verlaufenden Kante 215 der Dachfläche 210 und in deren Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 17 befinden, an der die Wirbelgeneratoren angeordnet sind. Die Geometrie der Wandbohrungen 223 oder des Schlitzes 222 ist so gewählt, dass der Brennstoff unter einem bestimmten Eindüsungswinkel in die Hauptströmung 2 eingegeben wird und den nachplazierten Wirbelgenerator als Schutzfilm allenfalls gegen eine nunmehr heisse Hauptströmung 2 durch Umströmung weitgehend abschirmt.In 7 and 8th the fuel gets over a slot 222 or over wall drilling 223 injected, with both provisions immediately before the transverse to the flow-through channel edge 215 the roof area 210 and in their longitudinal extent in the same channel wall 17 are located where the vortex generators are arranged. The geometry of the wall bores 223 or the slot 222 is chosen so that the fuel at a certain injection angle into the main flow 2 is entered and the nachplazierten vortex generator as a protective film at best against a now hot main flow 2 largely shielded by flow around.

In den nachstehend beschriebenen Beispielen wird die Sekundärströmung (vgl. oben) zunächst über nicht gezeigte Führungen durch die Kanalwand 17 ins hohle Innere der Wirbelgeneratoren eingeleitet. Damit wird, ohne weitere Dispositiven vorzusehen, eine interne Kühlmöglichkeit für die Wirbelgeneratoren geechaffen.In the examples described below, the secondary flow (see above) first passes through guides, not shown, through the duct wall 17 introduced into the hollow interior of the vortex generators. Thus, without providing additional dispositives, an internal cooling facility for the vortex generators will bring about.

In 9 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 224 eingedüst, welche sich innerhalb der Dachfläche 210 unmittelbar hinter und entlang der quer zum durchströmten Kanal verlaufenden Kante 215 befinden. Die Kühlung des Wirbelgenerators erfolgt hier mehr extern als intern. Die austretende Sekundärströmung bildet beim Umströmen der Dachfläche 210 eine gegen eine allenfalls heisse Hauptströmung 2 abschirmende Schutzschicht.In 9 the fuel gets over wall drilling 224 injected, which is located within the roof area 210 immediately behind and along the edge running transversely to the channel 215 are located. The cooling of the vortex generator takes place here more externally than internally. The exiting secondary flow forms when flowing around the roof surface 210 one against a possibly hot mainstream 2 shielding protective layer.

In 10 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 225 eingedüst, welche innerhalb der Dachfläche 210 entlang der Symmetrielinie 217 gestaffelt angeordnet sind. Mit dieser Variante werden die Kanalwände 17 besonders gut vor einer allenfalls heissen Hauptströmung 2 geschützt, da der Brennstoff zunächst am Aussenumfang der Wirbel eingeführt wird.In 10 the fuel gets over wall drilling 225 injected, which within the roof area 210 along the line of symmetry 217 staggered are arranged. With this variant, the channel walls 17 especially good in front of a possibly hot mainstream 2 protected, since the fuel is first introduced at the outer periphery of the vortex.

In 11 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 226 eingedüst, die sich in den längsgerichteten Kanten 212, 214 der Dachfläche 210 befinden. Diese Lösung gewährleistet eine gute Kühlung der Wirbel-Generatoren, da der Brennstoff an dessen Extremitäten austritt und somit die Innenwandungen des Elementes voll umspült. Die Sekundärströmung wird hier direkt in den entstehenden Wirbel hineingegeben, was zu definierten Strömungsverhält-nissen führt.In 11 the fuel gets over wall drilling 226 injected into the longitudinal edges 212 . 214 the roof area 210 are located. This solution ensures good cooling of the vortex generators, since the fuel exits at the extremities and thus completely surrounds the inner walls of the element. The secondary flow is here introduced directly into the resulting vortex, which leads to defined flow conditions.

In 12 geschieht die Eindüsung über Wandbohrungen 227, die sich in den Seitenflächen 211 und 213 befinden, einerseits im Bereich der Längskanten 212 und 214, andererseits im Bereich der Verbindungskante 216. Diese Variante ist wirkungsähnlich wie jene aus 6 (Bohrungen 221) und aus 11 (Bohrungen 226).In 12 the injection happens via wall drilling 227 that are in the side surfaces 211 and 213 located, on the one hand in the region of the longitudinal edges 212 and 214 , on the other hand in the area of the connecting edge 216 , This variant is similar in effect to those from 6 (borings 221 ) and from 11 (borings 226 ).

11: Vormischbrennerpremix
22: Verbrennungsluft, HauptströmungCombustion air, mainstream
33: Zuströmzoneinflow zone
44: Drallerzeugerswirl generator
55: EindüsungslanzenEindüsungslanzen
5a5a: Gasförmiger BrennstoffGaseous fuel
66: VerdampfungsstreckeEvaporation path
77: Kühlluftcooling air
88th: Kühlluft-EinströmungskanalCooling air inflow passage
99: Brennerfrontfront burner
1010: BrennraumquerschnittCombustion chamber section
1111: Rückströmzonebackflow
1212: Brennstoffdüsenfuel nozzles
12a12a: Flüssiger BrennstoffLiquid fuel
1313: Aufwölbungupheaval
1414: Mittelachsecentral axis
1515: Brennstoffdüsenfuel nozzles
1616: Brennraumcombustion chamber
17.17th: Kanalwandchannel wall
200,200: 201, 202 Wirbel-Generatoren 201 . 202 Vortex generators
210210: Dachflächeroof
211,211: 213 Seitenflächen 213 faces
212,212: 214 Längsgerichtete Kanten 214 Longitudinal edges
215215: Querverlaufende Kante Transverse edge
216216: Verbindungskanteconnecting edge
217217: Symmetrieachseaxis of symmetry
218218: Spitzetop
220-227220-227: Bohrungen zur Eindüsung eines Brennstoffes drilling for injection a fuel
L, h,L, H,: Abmessungen des Wirbel-GeneratorsDimensions of the vortex generator
H H: Höhe des KanalsHeight of the canal
α α: PfeilwinkelV-angle
θ θ: Anstellwinkelangle of attack

Claims

A premix burner consisting essentially of at least one axially or quasi-axially extending tubular duct for the supply of combustion air, means for generating a swirl flow within the tubular duct and nozzles for introducing a fuel, the means for generating a swirl flow in the from the combustion air ( 2 ) channel ( 3 ) Vortex generators ( 4 . 200 . 201 . 202 ), the premix burner ( 1 ) radially arranged nozzles ( 5 . 12 ) for introducing a liquid ( 12a ) or gaseous ( 5a ) Fuel, the nozzles ( 5 . 12 ) in operative connection with at least one vortex generator ( 4 . 200 . 201 . 202 ), and downstream of the nozzles ( 5 . 12 ) one to the burner front ( 9 ) of the premix burner ( 1 ) extending evaporation line ( 6 ), which under a cross-sectional jump ( 10 ) in the combustion chamber ( 16 ), characterized in that the evaporation path ( 6 ) in the axial plane relative to the combustion chamber ( 16 ) a protruding in the radial direction bulge ( 13 ) having.

Premix burner according to claim 1, characterized in that the burner front ( 9 ) with a cooling air ( 7 ) is cooled.

Premix burner according to claim 1, characterized in that the premix burner ( 1 ) has an annular flow area.

Premix burner according to claim 1, characterized in that a vortex generator ( 200 ) has three freely flowing surfaces which extend in the flow direction, one of which the roof surface ( 210 ) and the other two the side surfaces ( 211 . 213 ) form that the side surfaces ( 211 . 213 ) with a same wall segment ( 17 ) of the channel ( 3 ) are flush and together include the sweep angle (à) that the roof surface ( 210 ) with a transverse to the flow-through channel ( 3 ) running edge ( 215 ) on the same wall segment of the channel ( 3 ) abuts like the side surfaces ( 211 . 213 ), and that longitudinal edges ( 212 . 214 ) of the roof area ( 210 ) flush with those in the canal ( 3 ) projecting longitudinal edges of the side surfaces ( 211 . 213 ) and at an angle of attack (θ) to the wall segment of the channel ( 3 ).

Premix burner according to claim 4 , characterized in that the two side surfaces enclosing the sweep angle (α) ( 211 . 213 ) of the vortex generator ( 200 ) symmetrically about an axis of symmetry ( 217 ) are arranged.

Premix burner according to claim 4, characterized in that the two sides ((α, α / 2) enclosing the swept angle ( 211 . 213 ) a connecting edge ( 116 ), which together with the longitudinal edges ( 212 . 214 ) of the roof area ( 210 ) a peak ( 218 ), and that the connecting edge ( 216 ) in the radial of the circular channel ( 5 ) lies.

Premix burner according to claim 6, characterized in that the connecting edge ( 216 ) and / or the longitudinal edges ( 212 . 214 ) of the roof area ( 210 ) is at least approximately sharp.

Premix burner according to claims 1, 4 to 6, characterized in that the axis of symmetry ( 217 ) of the vortex generator ( 200 ) parallel to Channel axis runs that the connecting edge ( 216 ) of the two side surfaces ( 211 . 213 ) the downstream edge of the vortex generator ( 200 ), and that transversely to the channel ( 3 ) running edge ( 215 ) of the roof area ( 210 ) of the combustion air ( 2 ) is first applied edge.

Premix burner according to claim 1, characterized in that the ratio height (h) of the vortex generator to the height (H) of the channel ( 3 ) is selected so that the generated vortex immediately downstream of the vortex generator ( 200 ) the full height (H) of the channel ( 3 ) and the full height. (h) of the vortex generator ( 200 ) fills the associated channel part.