DE19547912A1

DE19547912A1 - Brenner für einen Wärmeerzeuger

Info

Publication number: DE19547912A1
Application number: DE19547912A
Authority: DE
Inventors: Hans Peter Knoepfel; Thomas Ruck
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 1997-06-26
Also published as: CN1157893A; US5876196A; CN1111672C; EP0780630A2; DE59607769D1; JPH09178121A; EP0780630B1; EP0780630A3; JP3904644B2

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäß Ober begriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Wird bei drallstabilisierten Brennern, wie ein solcher bei spielsweise aus EP-B1-0 321 809 als Vormischbrenner hervor geht, auf der Brennerachse ein flüssiger Brennstoff einge düst, so wirkt die sich von der Brennstoffdüse stromabwärts bildende Flüssigkeitssäule für den tangential in den Innenraum des Vormischbrenners einströmenden Verbrennungsluftstrom ins besondere im ersten Bereich stromab der Eindüsung wie ein Festkörper. Gegenüber der Strömung ohne Flüssigbrennstoffein düsung wird die Verbrennungsluftzuströmung im Brennerkopf be hindert, wodurch sich die Tangentialkomponente der sich bil denden Drallströmung verstärkt. Dies führt zu einer Änderung der Flammenposition, welche weiter stromauf wandert. Wird entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze eine weitere Eindüsung eines Brennstoffes vorgenommen, so ist der Betrieb einer solchen Brennstoffeindüsung auf höchste gefährdet, weil einer in diesem Bereich wirkende Flammenfront unweigerlich zu einer Rückzündung in das System führt. Des weiteren kommt es zu einer Anfettung des Flammenzentrums, welches mannigfaltig den Betrieb eines solchen Vormischbrenners benachteiligt. Bei einem solchen Betrieb lassen sich verschiedentliche Nachteile ausmachen, welche sich, nicht abschließend aufgezählt, wie folgt erfassen lassen:

a) Es findet eine nicht zu unterschätzende Erhöhung der Ge fahr eines Flammenrückschlages statt, wobei dies leicht zu einem Abbrennen von Teilen des Vormischbrenners führen kann. Findet eine solche statt, so entsteht ein Gefahren potential, insoweit, als abbröckelnde Teile eine schwer wiegende Havarie der Maschine auslösen können;
b) Ein Betrieb bei optimaler Flammenposition mit einem Flüs sigbrennstoff darf aus Sicherheitsgründen nicht breit aus gelegt sein, womit der Vormischbrenner einen kleinen Be triebsbereich aufweist;
c) Das Fehlen einer integralen Durchmischung von Anbeginn zwischen dem Spraykegel und dem Verbrennungsluftstrom aus obengenannten Gründen führt unweigerlich zu einer Steige rung der NOx-Emissionen;
d) Die inhomogene Gemischverteilung führt darüber hinaus zu weiteren Nachteilen, welche erhöhte Schadstoff-Emissionen sowie die Entstehung von Pulsationen auslösen;
e) Von den optimalen Strömungsbedingungen für eine sichere und effiziente Verbrennung sind große Abweichungen auszu machen.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vormischbrenner der eingangs genannten Art eine Flammenstabilisation bei maximiertem Wirkungsgrad und Minimierung der Schadstoff-Emissionen zu erzielen.

Die wesentliche Maßnahme der Erfindung betrifft die Stellung der kopfseitigen Brennstoffdüse, welche um eine bestimmte Strecke gegenüber der Einströmung der Verbrennungsluft strom auf zurückversetzt wird, wobei diese Strecke von dem gewähl ten Spraywinkel abhängt. Durch diese Versetzung kommt die Mündung der Brennstoffdüse im Bereich einer festen Ummante lung zu stehen, womit hier gleichzeitig radial um die Düsen mündung Öffnungen vorgesehen werden können, durch welche Spülluft in den von der Brennstoffdüse induzierten Quer schnitt einströmt. Der Durchflußquerschnitt dieser Öffnun gen wird so gewählt, daß im Gasbetrieb der durch diese Öff nungen strömende Luftmassenstrom nicht ausreicht, um die Rückströmzone weiter stromab zu verschieben. Im Flüssigbrenn stoffbetrieb wirkt das Brennstoffspray praktisch als Strahl pumpe, womit sich der Luftmassenstrom durch die genannten Öffnungen erhöht. Dies bewirkt einen größeren axialen Im puls, der die Rückströmzone weiter stromab verschiebt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Rückversetzung der Brennstoffdüse das Brennstoffspray mit einem größeren Kegelradius in die Hauptströmung, also in die durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze strömende Ver brennungsluft eintritt. Das Brennstoffspray ist in dieser Ebene bereits von einem Film zu Tropfen zerfallen und die Ke gelmantelfläche dieses Brennstoffsprays hat sich beim Eintre ten in den Bereich der Verbrennungsluft aus den tangentialen Lufteintrittsschlitzen um einen Faktor 3 vergrößert. Dadurch wird die Ausbreitung des Brennstoffsprays verbessert und die Zuströmung der Verbrennungsluft nicht behindert.

Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß der durch die Öff nungen im Bereich der Brennstoffdüse angesaugte Luftmassen strom eine Benetzung der Kegelinnenspitze verhindert, da er sich als Film zwischen Brennstoffspray und Wand legt und vor allem den Öffnungswinkel des Sprays definiert. Dieser bleibt über einen großen Lastbereich konstant.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß durch Variieren der Öffnungsquerschnitte für den Luftmassenstrom im Bereich der Brennstoffdüse die Rückström zone und somit die Flammenposition während des Betriebes di rekt beeinflußt werden kann.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen ge kennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Ver ständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschie denen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 einen als Vormischbrenner ausgelegten Brenner mit einer Mischstrecke stromab eines Drallerzeugers,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Drallerzeugers mit Positionierung der Brennstoffeindüsung,

Fig. 3 einen Drallerzeuger als Bestandteil des Vormisch brenners nach Fig. 1, in perspektivischer Darstel lung, entsprechend aufgeschnitten,

Fig. 4 eine Schnittebene durch den als zweischalig ausge bildeten Drallerzeuger nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Schnittebene durch einen vierschaligen Drall erzeuger,

Fig. 6 eine Schnittebene durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind,

Fig. 7 eine Darstellung der Form der Übergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und nachgeschalteter Misch strecke und

Fig. 8 eine Abrißkante zur räumlichen Stabilisierung der Rückströmzone.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100a wirksam, dessen Ausgestaltung in den nachfolgenden Fig. 2-5 noch näher gezeigt und beschrieben wird. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100a um ein kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von einem tan gential einströmenden Verbrennungsluftstrom 115 beauf schlagt wird. Die sich hierein bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100a vorgesehenen Über gangsgeometrie nahtlos in ein Übergangsstück 200 übergelei tet, dergestalt, daß dort keine Ablösungsgebiete auftreten können. Die Konfiguration dieser Übergangsgeometrie wird un ter Fig. 6 näher beschrieben. Dieses Übergangsstück 200 ist abströmungsseitig der Übergangsgeometrie durch ein Rohr 20 verlängert, wobei beide Teile das eigentliche Mischrohr 220, auch Mischstrecke genannt, des Brenners bilden. Selbstver ständlich kann das Mischrohr 220 aus einem einzigen Stück be stehen, d. h. dann, daß das Übergangsstück 200 und Rohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmolzen sind, wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Übergangsstück 200 und Rohr 20 aus zwei Tei len erstellt, so sind diese durch einen Buchsenring 10 ver bunden, wobei der gleiche Buchsenring 10 kopfseitig als Ver ankerungsfläche für den Drallerzeuger 100a dient. Ein solcher Buchsenring 10 hat darüber hinaus den Vorteil, daß verschie dene Mischrohre eingesetzt werden können. Abströmungsseitig des Rohres 20 befindet sich die eigentliche Brennkammer 30, welche hier lediglich durch das Flammrohr versinnbildlicht ist. Das Mischrohr 220 erfüllt die Bedingung, daß stromab des Drallerzeugers 100a eine definierte Mischstrecke bereit gestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese Misch strecke, also das Mischrohr 220, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so daß sich auch in Wirkver bindung mit der Übergangsgeometrie zunächst keine Rückström zone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluß aus geübt werden kann. Dieses Mischrohr 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, daß im Mischrohr 220 selbst das Axialgeschwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so daß eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, daß bei einer solchen Konfiguration diese Axial geschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr 220 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl regelmäßig oder unregelmäßig verteilten Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luft menge in das Innere des Mischrohres 220 strömt, und entlang der Wand im Sinne einer Filmlegung eine Erhöhung der Ge schwindigkeit induzieren. Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, daß der Durchflußquer schnitt des Mischrohres 220 abströmungsseitig der Über gangskanäle 201, welche die bereits genannten Übergangsgeo metrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 220 angeho ben wird. In der Figur verlaufen diese Bohrungen 21 unter ei nem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse 60. Des weite ren entspricht der Auslauf der Übergangskanäle 201 dem eng sten Durchflußquerschnitt des Mischrohres 220. Die genannten Übergangskanäle 201 überbrücken demnach den jeweiligen Quer schnittsunterschied, ohne dabei die gebildete Strömung nega tiv zu beeinflussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung 40 entlang des Mischrohres 220 einen nicht tolerierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende des Mischrohres ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 220 schließt sich eine Brennkammer 30 an, wobei zwischen den beiden Durchflußquerschnitten ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone 50, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Quer schnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmäßige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unter druck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer ver stärkten Ringstabilisation der Rückströmzone 50. Stirnseitig weist die Brennkammer 30 eine Anzahl Öffnungen 31 auf, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung strömt, und dort unter anderem dazu beiträgt, daß die Ringstabilisation der Rückströmzone 50 gestärkt wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, daß die Erzeugung einer stabi len Rückströmzone 50 auch eine ausreichend hohe Drallzahl in einem Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen am Rohrende, beispielsweise durch tangentiale Öffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, daß die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge beträgt. Was die Ausgestaltung der Abrißkante am Ende des Mischrohres 220 betrifft, wird auf die Beschreibung unter Fig. 8 verwiesen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Drallerzeu gers 100a, der in den nachfolgenden Fig. 3-5 näher beschrie ben wird. Wesentlich an Fig. 1 ist die Darstellung der mittig plazierten Brennstoffdüse 103, welche gegenüber dem Anfang 125 des kegeligen Durchflußquerschnittes stromauf zurückver setzt ist, wobei die Strecke 126 von dem gewählten Spraywin kel 105 abhängt. Durch diese Versetzung kommt die Mündung 104 der Brennstoffdüse 103 im Bereich der kopfseitigen festen Um mantelung 101a, 102a zu stehen. Das durch die Rückversetzung der Brennstoffdüse 103 entstehende Brennstoffspray 105 tritt mit einem größeren Kegelradius in den von der Hauptströmung der Verbrennungsluft in den Innenraum 114 des Brenners abge deckten Bereich ein, so daß sich das Brennstoffspray 105 in diesem Bereich nicht mehr als einen festen kompakten Körper verhält, sondern bereits zu Tropfen zerfallen ist und demnach leicht durchdringbar ist. Die Zuströmung der Verbrennungsluft 115 in das Brennstoffspray 105 wird nicht mehr behindert, was sich auf die Mischungsqualität im positiven Sinne nieder schlägt, dadurch, daß das Brennstoffspray 105 leichter durch die Verbrennungsluft durchdrungen werden kann. Darüber hin aus, im Bereich der Ebene der Brennstoffspray-Mündung 104 sind radial oder quasi-radial angeordnete Öffnungen 124 vor gesehen, durch welche eine Spülluft in den von der Größe der Brennstoffdüse 103 induzierten Querschnitt einströmt. Der Durchflußquerschnitt dieser Öffnungen 124 wird so gewählt, daß im Gasbetrieb der durch diese Öffnungen strömenden Luftmassenstrom nicht ausreicht, um die Rückströmzone (vgl. Fig. 1) weiter stromab zu verschieben. Im Flüssigbrennstoff betrieb wirkt das Brennstoffspray 105 praktisch als Strahl pumpe, womit sich der Luftmassenstrom durch die genannten Öffnungen 124 erhöht. Dies bewirkt einen größeren axialen Impuls, der die Rückströmzone weiter stromab verschiebt, was als gute Maßnahme gegen eine Rückzündung der Flamme wirkt. Auf die schematisch dargestellten kegelförmigen Teilkörper 101, 102 wird in Fig. 2-5 näher eingegangen. Dort werden auch Konfiguration und Wirkungsweise der tangentialen Luftein trittsschlitze 119, 120 näher behandelt.

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

Der erste Teil des Brenners nach Fig. 1 bildet den nach Fig. 2 gezeigten Drallerzeuger 100a. Dieser besteht aus zwei hoh len kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinan der ineinandergeschachtelt sind. Die Anzahl der kegelförmigen Teilkörper kann selbstverständlich größer als zwei sein, wie die Fig. 4 und 5 zeigen; dies hängt jeweils, wie weiter unten noch näher zur Erläuterung kommen wird, von der Betrei bungsart des ganzen Brenners ab. Es ist bei bestimmten Be triebskonstellationen nicht ausgeschlossen, einen aus einer einzigen Spirale bestehenden Drallerzeuger vorzusehen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieach sen 201b, 202b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Kanal, d. h. einen Luft eintrittsschlitz 119, 120 (Fig. 3), durch welche die Verbren nungsluft 115 in Innenraum des Drallerzeugers 100a, d. h. in den Kegelhohlraum 114 desselben strömt. Die Kegelform der ge zeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Be triebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungs richtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufwei sen, ähnlich einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztge nannten Formen sind zeichnerisch nicht erfaßt, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so daß die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Drallerzeugers 100a vorhanden sind. Im Be reich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 vor zugsweise für einen flüssigen Brennstoff 112 untergebracht, deren Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohl raumes 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. Selbstverständlich kann der Draller zeuger 100a rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegel hohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff 112 handelt es sich, wie er wähnt, im Normalfall um einen flüssigen Brennstoff, wobei eine Gemischbildung mit einem anderen Medium ohne weiteres möglich ist. Dieser Brennstoff 112 wird unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffspray 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 112 fortlaufend durch die ein strömenden Verbrennungsluft 115 zu einer Vermischung Richtung Verdampfung abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 113 über die Öffnungsdüsen 117 eingebracht, geschieht die Bil dung des Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Luft eintrittsschlitze 119, 120. Ist die Verbrennungsluft 115 zu sätzlich vorgeheizt, oder beispielsweise mit einem rückge führten Rauchgas oder Abgas angereichert, so unterstützt dies nachhaltig die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112, bevor dieses Gemisch in die nachgeschaltete Stufe strömt. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 flüssige Brennstoffe zugeführt werden sollten. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich des Kegelwinkels und der Breite der tangentialen Luftein trittsschlitze 119, 120 sind an sich enge Grenzen einzuhal ten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbren nungsluft 115 am Ausgang des Drallerzeugers 100a einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, daß eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die schnellere Bildung einer Rückströmzone bereits im Bereich des Draller zeugers begünstigt. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Drallerzeugers 100a läßt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes ver ändern. Eine entsprechende Drallerzeugung verhindert die Bil dung von Strömungsablösungen innerhalb des dem Drallerzeuger 100a nachgeschalteten Mischrohrs. Die Konstruktion des Drall erzeugers 100a eignet sich des weiteren vorzüglich, die Größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Draller zeugers 100a eine relativ große betriebliche Bandbreite er faßt werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 101, 102 auch in einer anderen Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Überlappung derselben vorgesehen werden kann. Es ist des weiteren möglich, die Teilkörper 101, 102 durch eine gegenläufig drehende Bewegung spiralartig ineinan der zu verschachteln. Somit ist es möglich, die Form, die Größe und die Konfiguration der tangentialen Lufteintritts schlitze 119, 120 beliebig zu variieren, womit der Draller zeuger 100a ohne Veränderung seiner Baulänge universell ein setzbar ist.

Aus Fig. 4 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungs funktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jewei lige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungs richtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Öffnen bzw. Schließen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spalt größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 dyna misch verändert werden soll. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, in dem bedarfsmäßige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Drallerzeuger 100a auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vorgesehen werden.

Fig. 5 zeigt gegenüber Fig. 4, daß der Drallerzeuger 100a nunmehr aus vier Teilkörpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen zu jedem Teilkör per sind mit dem Buchstaben a gekennzeichnet. Zu dieser Konfi guration ist zu sagen, daß sie sich aufgrund der damit er zeugten, geringeren Drallstärke und im Zusammenwirken mit ei ner entsprechend vergrößerten Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungsseitig des Drallerzeugers im Mischrohr zu verhindern, womit das Misch rohr die ihm zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.

Fig. 6 unterscheidet sich gegenüber Fig. 5 insoweit, als hier die Teilkörper 140, 141, 142, 143 eine Schaufelprofilform ha ben, welche zur Bereitstellung einer gewissen Strömung vorge sehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Drallerzeu gers die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Verbrennungsluftstromes 115 geschieht aus dem In nern der Schaufelprofile heraus, d. h. die Brennstoffleitung 108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert. Auch hier sind die Längssymmetrieachsen zu den einzelnen Teilkör pern mit dem Buchstaben a gekennzeichnet.

Fig. 7 zeigt das Übergangsstück 200 in dreidimensionaler An sicht. Die Übergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100a mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 4 oder 5, aufgebaut. Dementsprechend weist die Übergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromaufwirkenden Teilkörper vier Übergangskanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche der genannten Teilkörper verlängert wird, bis sie die Wand des Rohres 20 resp. des Mischrohres 220 schneidet. Die glei chen Überlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als den unter Fig. 2 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung verlau fende Fläche der einzelnen Übergangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, daß sich vorliegend der Durchflußquerschnitt des Übergangsstückes 200 in Strömungsrichtung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Übergangskanäle 201 in Strömungsrichtung ist so gewählt, daß der Rohrströmung anschließend bis zum Querschnittssprung am Brennkammereintritt noch eine genügend große Strecke verbleibt, um eine perfekte Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerkstelligen. Ferner erhöht sich durch die oben genannten Maßnahmen auch die Axialge schwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeu gers. Die Übergangsgeometrie und die Maßnahmen im Bereich des Mischrohres bewirken eine deutliche Steigerung des Axial geschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt des Mischrohres hin, so daß der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegenge wirkt wird.

Fig. 8 zeigt die bereits angesprochene Abrißkante, welche am Brenneraustritt gebildet ist. Der Durchflußquerschnitt des Rohres 20 erhält in diesem Bereich einen Übergangsradius R, dessen Größe grundsätzlich von der Strömung innerhalb des Rohres 20 abhängt. Dieser Radius R wird so gewählt, daß sich die Strömung an die Wand anlegt und so die Drallzahl stark ansteigen läßt. Quantitativ läßt sich die Größe des Radius R so definieren, daß dieser < 10% des Innendurchmessers d des Rohres 20 beträgt. Gegenüber einer Strömung ohne Radius vergrößert sich nun die Rückströmblase 50 gewaltig. Dieser Radius R verläuft bis zur Austrittsebene des Rohres 20, wobei der Winkel β zwischen Anfang und Ende der Krümmung < 90° be trägt. Entlang des einen Schenkels des Winkels β verläuft die Abrißkante A ins Innere des Rohres 20 und bildet somit eine Abrißstufe S gegenüber dem vorderen Punkt der Abrißkante A, deren Tiefe < 3 mm beträgt. Selbstverständlich kann die hier parallel zur Austrittsebene des Rohres 20 verlaufende Kante anhand eines gekrümmten Verlaufs wieder auf Stufe Austrittse bene gebracht werden. Der Winkel β′, der sich zwischen Tan gente der Abrißkante A und Senkrechte zur Austrittsebene des Rohres 20 ausbreitet, ist gleich groß wie Winkel β. Auf die Vorteile dieser Ausbildung ist bereits oben unter dem Kapitel "Darstellung der Erfindung" näher eingegangen.

Bezugszeichenliste

10 Buchenring
20 Rohr
21 Bohrungen, Öffnungen
30 Brennkammer
31 Öffnungen
40 Strömung, Rohrströmung im Mischrohr
50 Rückströmzone, Rückströmblase
60 Brennerachse
100a Drallerzeuger
101, 102 Teilkörper
101a, 102b Zylindrische Anfangsteile
101b, 102b Längssymmetrieachsen
103 Brennstoffdüse
104 Brennstoffeindüsung
105 Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)
108, 109 Brennstoffleitungen
112 Flüssiger Brennstoff
113 Gasförmiger Brennstoff
114 Kegelhohlraum
115 Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)
116 Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen 108, 109
117 Brennstoffdüsen
119, 120 Tangentiale Lufteintrittsschlitze
121a, 121b Leitbleche
123 Drehpunkt der Leitbleche
124 Öffnungen
125 Kegelinnenspitze
126 Versetzung der Brennstoffdüse 103 stromauf gegenüber 125
130, 131, 132, 133 Teilkörper
131a, 131a, 132a, 133a Längssymmetrieachsen
140, 141, 142, 143 Schaufelprofilförmige Teilkörper
140a, 141a, 142a, 143a Längssymmetrieachsen
200 Übergangsstück
201 Übergangskanäle
220 Mischrohr
d Innendurchmesser des Rohres 20
R Übergangsradius
T Tangentiale der Abrißkante
A Abrißkante
S Abrißstufe
β Übergangswinkel von R
β′ Winkel zwischen T und A.

Claims

1. Brenner für einen Wärmeerzeuger, im wesentlichen beste hend aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluft strom und aus Mitteln zur Eindüsung eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom, dadurch gekennzeichnet, daß stromab des Drallerzeugers (100a) eine Mischstrecke (220) angeordnet ist, welche innerhalb eines ersten Streckenteils (200) in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle (201) zur Überführung einer im Drall erzeuger (100a) gebildeten Strömung (40) in ein stromab der Übergangsgangskanäle (201) nachgeschaltetes Rohr (20) aufweist, und daß als ein Mittel zur Eindüsung ei nes Brennstoffes eine Düse (103) dient, welche gegenüber dem Anfang des Drallerzeugers (100a) um eine Strecke (126) stromauf versetzt ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Übergangskanäle (201) in der Misch strecke (220) der Anzahl der vom Drallerzeuger (100a) gebildeten Teilströme entspricht.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsebene des Rohres (20) mit einer Abrißkante (A) zur Stabilisierung und Vergrößerung einer sich stromab bildenden Rückströmzone (50) ausgebildet ist.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abrißkante (A) aus einem Übergangsradius (R) im Bereich der Austrittsebene des Rohres (20) und einer von dieser Austrittsebene abgesetzten Abrißstufe (S) be steht.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsradius (R) < 10% des Innendurchmessers des Rohres (20) beträgt, und daß die Abrißstufe (S) eine Tiefe < 3 mm aufweist.

6. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf der Abrißkante (A) ein Diffusor und/oder eine Venturistrecke angeordnet sind.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Übergangskanäle (201) nachgeschaltete Rohr (20) in Strömungs- und Umfangsrichtung mit Öffnungen (21) zur Eindüsung eines Luftstromes ins Innere des Rohres versehen ist.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (21) unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse (60) verlaufen.

9. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt des Rohres (20) stromab der Übergangskanäle (201) kleiner, gleich groß oder grö ßer als der Querschnitt der im Drallerzeuger (100a) ge bildeten Strömung (40) ist.

10. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromab der Mischstrecke (220) eine Brennkammer (30) an geordnet ist, daß zwischen der Mischstrecke (220) und der Brennkammer (30) ein Querschnittssprung vorhanden ist, der den anfänglichen Strömungsquerschnitt der Brennkammer (30) induziert, und daß im Bereich dieses Querschnittssprunges eine Rückströmzone (50) wirkbar ist.

11. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallerzeuger (100a) aus mindestens zwei hohlen, ke gelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtel ten Teilkörpern (101, 102; 130, 131, 132, 133; 140, 141, 142, 143) besteht, daß die jeweiligen Längssymmetrie achsen (101b, 102b; 130a, 131a, 132a, 133a; 140a, 141a, 142a, 143a) dieser Teilkörper gegeneinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstrom (115) bilden, und daß kopfseitig stromauf des vom Drallerzeuger (100a) induzierten Kegelanfangs die Brenn stoffdüse (103) angeordnet ist.

12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (103) auf der Brennerachse (60) ange ordnet ist.

13. Brenner nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Brennstoffdüse (103) mit einem flüs sigen Brennstoff (112) und die Brennstoffdüsen (117) mit einem gasförmigen Brennstoff (113) betreibbar sind.

14. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeord net sind.

15. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (140, 141, 142, 143) im Querschnitt eine schaufelförmige Profilierung aufweisen.

16. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper in Strömungsrichtung einen festen Kegel winkel, oder eine zunehmende Kegelneigung, oder eine ab nehmende Kegelneigung aufweisen.

17. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper spiralförmig ineinandergeschachtelt sind.

18. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt der tangentialen Luftein trittsschlitze (119, 120) in Längsrichtung des Brenners abnimmt.