DE19547913A1

DE19547913A1 - Brenner für einen Wärmeerzeuger

Info

Publication number: DE19547913A1
Application number: DE19547913A
Authority: DE
Inventors: Hans Peter Knoepfel; Thomas Ruck
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 1997-06-26
Also published as: EP0780629A2; CA2190805A1; KR970046984A; ATE203101T1; DE59607269D1; US5735687A; JPH09184606A; EP0780629A3; EP0780629B1

Description

Technisches Gebiet

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

Stand der Technik

Aus EP-B1-0 321 809 ist ein aus mehreren Schalen bestehender gelförmiger Brenner, sogenannter Doppelkegelbrenner, zur Erzeugung einer geschlossenen Drallströmung im Kegelkopf be kanntgeworden, welche aufgrund des zunehmenden Dralls entlang der Kegelspitze instabil wird und in eine annulare Drallströ mung mit Rückströmung im Kern übergeht. Brennstoffe, wie bei spielsweise gasförmige Brennstoffe, werden entlang der durch die einzelnen benachbarten Schalen gebildeten Kanäle, auch Lufteintrittsschlitze genannt, eingedüst und homogen mit der Luft vermischt, bevor die Verbrennung durch Zündung am Stau punkt der Rückströmzone oder Rückströmblase, welche als Flam menhalter benutzt wird, einsetzt. Flüssige Brennstoffe werden vorzugsweise über eine zentrale Düse am Brennerkopf eingedüst und verdampfen dann im Kegelhohlraum. Unter gasturbinentypi schen Bedingungen findet die Zündung dieser flüssigen Brenn stoffe schon früh in der Nähe der Brennstoffdüse statt, womit nicht zu umgehen ist, daß die NOx-Werte gerade aufgrund die ser mangelnden Vormischung kräftig ansteigen, was beispiels weise das Einspritzen von Wasser notwendig macht. Darüber hinaus mußte festgestellt werden, daß der Versuch, wasser stoffhaltige Gase ähnlich wie Erdgas zu verbrennen, zu Früh zündproblemen an den Gasbohrungen mit anschließender Über hitzung des Brenners geführt haben. Hiergegen hat man Abhilfe gesucht, indem am Brenneraustritt eine spezielle Injektions methode für solche gasförmige Brennstoffe eingeführt worden ist, deren Resultate aber nicht ganz zu befriedigen vermoch ten.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der eingangs genannten Art Vor kehrungen vorzuschlagen, durch welche eine perfekte Vormi schung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt und durch welche eine betriebssichere und optimale Flammenpositionie rung erreicht wird.

Der vorgeschlagene Brenner weist kopfseitig und stromauf ei ner Mischstrecke einen Drallerzeuger auf, der vorzugsweise dahingehend ausgelegt werden kann, daß die aerodynamischen Grundprinzipien des sogenannten Doppelkegelbrenners nach EP-A1-0 321 809 benutzt werden. Grundsätzlich ist aber auch der Einsatz eines axialen oder radialen Drallerzeugers möglich. Die Mischstrecke selbst besteht vorzugsweise aus einem rohr förmigen Mischelement, im folgenden Mischrohr genannt, wel ches ein perfektes Vormischen von Brennstoffen verschiedener Art gestattet.

Die Strömung aus dem Drallerzeuger wird nahtlos in das Misch rohr eingeleitet: Dies geschieht durch eine Übergangsgeome trie, die aus Übergangskanälen besteht, welche in der An fangsphase dieses Mischrohres ausgenommen sind, und welche die Strömung in den anschließenden effektiven Durchfluß querschnitt des Mischrohres überführen. Diese verlustarme Strömungseinleitung zwischen Drallerzeuger und Mischrohr ver hindert zunächst die unmittelbare Bildung einer Rückströmzone am Ausgang des Drallerzeugers.

Zunächst wird die Drallstärke im Drallerzeuger über seine Geometrie so gewählt, daß das Aufplatzen des Wirbels nicht im Mischrohr, sondern weiter stromab am Brennkammereintritt erfolgt, wobei die Länge dieses Mischrohres so dimensioniert ist, daß sich eine ausreichende Mischungsgüte für alle Brennstoffarten ergibt. Ist beispielsweise der eingesetzte Drallerzeuger nach den Grundzügen des Doppelkegelbrenners aufgebaut, so ergibt sich die Drallstärke aus der Auslegung des entsprechenden Kegelwinkels, der Lufteintrittsschlitze und deren Anzahl.

Im Mischrohr besitzt das Axialgeschindigkeits-Profil ein aus geprägtes Maximum auf der Achse und verhindert dadurch Rück zündungen in diesem Bereich. Die Axialgeschwindigkeit fällt zur Wand hin ab. Um Rückzündungen auch in diesem Bereich zu unterbinden, werden verschiedene Vorkehrungen vorgesehen: Beispielsweise zum einen läßt sich das gesamte Geschwindig keitsniveau durch Verwendung eines Mischrohres mit einem aus reichend kleinen Durchmesser anheben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, nur die Geschwindigkeit im Außenbereich des Mischrohres zu erhöhen, indem ein kleiner Teil der Verbren nungsluft über einen Ringspalt oder durch Filmlegungsbohrun gen stromab der Übergangskanäle in das Mischrohr einströmt.

Was die erwähnten Übergangskanäle zur Einleitung der Strö mung aus dem Drallerzeuger in das Mischrohr betrifft, so ist zu sagen, daß der Verlauf dieser Übergangskanäle spiralför mig verengend oder erweiternd ausgebildet sein kann, entspre chend dem effektiven anschließenden Durchflußquerschnitt des Mischrohres.

Ein Teil des allenfalls erzeugten Druckverlustes kann durch Anbringung eines Diffusors am Ende des Mischrohres wettge macht werden. In diesem Bereich oder stromauf kann auch eine Venturistrecke vorgesehen werden.

Am Ende des Mischrohres schließt sich die Brennkammer mit einem Querschnittssprung an. Hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone, deren Eigenschaften die eines Flammenhalters sind.

Die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone erfordert eine ausreichend hohe Drallzahl im Mischrohr. Ist aber eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner, stark verdrallter Luftmengen, 5-20% der Gesamtluftmenge, am Rohrende erzeugt werden.

In Verbindung mit dem erwähnten Querschnittssprung wird das Ende des Mischrohres mit einer Abrißkante ausgebildet, wel che der Rückströmzone eine hohe räumliche Stabilität ver leiht. Allgemein lassen sich durch die erwähnten Maßnahmen folgende Vorteile erzielen:

a) Stabile Flammenposition;
b) Tiefere Schadstoff-Emissionen (Co, UHC, NOx);
c) Minimierung der Pulsationen;
d) Vollständiger Ausbrand;
e) Große Betriebsbereich-Abdeckung;
f) Gute Querzündung zwischen den verschiedenen Brennern, ins besondere bei gestufter Lasterstellung, bei welcher die Brenner untereinander interdependent betrieben werden;
g) Die Flamme kann der entsprechenden Brennkammergeometrie angepaßt werden;
h) Kompakte Bauweise;
i) Verbesserte Mischung der Strömungsmedien;
j) Verbesserter "Platternfaktor" der Temperaturverteilung in der Brennkammer (= ausgeglichener Temperaturprofil der Brennkammerströmung).

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

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbei spiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel bare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschie denen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Bezeichnung der Zeichnungen
Es zeigt:

Fig. 1 einen Brenner mit anschließender Brennkammer,

Fig. 2 einen Drallerzeuger in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,

Fig. 3 einen Schnitt durch den 2-Schalen-Drallerzeuger, nach

Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen 4-Schalen-Drallerzeuger,

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Drallerzeuger, dessen Scha len schaufelförmig profiliert sind,

Fig. 6 eine Darstellung der Form der Übergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und Mischrohr und

Fig. 7 eine Abrißkante zur räumlichen Stabilisierung der Rückströmzone.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit

Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100 wirksam, dessen Ausgestaltung in den nachfolgenden Fig. 2-5 noch näher gezeigt und beschrieben wird. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100 um ein ke gelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von einem tan gential einströmenden Verbrennungsluftstromes 115 beauf schlagt wird. Die sich hierein bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Übergangs geometrie nahtlos in ein Übergangsstück 200 übergeleitet, dergestalt, daß dort keine Ablösungsgebiete auftreten kön nen. Die Konfiguration dieser Übergangsgeometrie wird unter Fig. 6 näher beschrieben. Dieses Übergangsstück 200 ist ab strömungsseitig 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 100 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 100 eine definierte Mischstrecke bereitge stellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brenn stoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 220, ermöglicht des weiteren eine verlust freie Strömungsführung, so daß sich auch in Wirkverbindung mit der Übergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone bil den kann, womit über die Länge des Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluß ausgeübt wer den kann. Dieses Mischrohres 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, daß im Mischrohr 220 selbst das Axialgeschwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Ma ximum 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 unteren anderen 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. 7 verwiesen.

Um den Aufbau des Drallerzeugers 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 2 mindestens Fig. 3 herangezogen wird. Des weiteren, um diese Fig. 2 nicht unnö tig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Fig. 3 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur an deutungsweise 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 100. Dieser besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander 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 100, 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 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 vorzugsweise für einen flüssigen Brennstoff 112 untergebracht, deren Ein düsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraumes 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. Selbstverständlich kann der Drallerzeu ger 100 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 100 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 100 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 100 nachgeschalteten Mischrohr. Die Konstruktion des Draller zeugers 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Drallerzeugers 100 eine relativ große betriebliche Bandbreite erfaßt 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 ge genläufig drehende Bewegung spiralartig ineinander zu ver schachteln. Somit ist es möglich, die Form, die Größe und die Konfiguration der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 beliebig zu variieren, womit der Drallerzeuger 100 ohne Veränderung seiner Baulänge universell einsetzbar ist.

Aus Fig. 3 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 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vorgesehen werden.

Fig. 4 zeigt gegenüber Fig. 3, daß der Drallerzeuger 100 nunmehr aus vier Teilkörpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen zu jedem Teilkör per sind mit der Buchstabe 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. 5 unterscheidet sich gegenüber Fig. 4 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 der Buchstabe a gekennzeichnet.

Fig. 6 zeigt das Übergangsstück 200 in dreidimensionaler An sicht. Die Übergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100 mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 4 oder 5, aufgebaut. Dementsprechend weist die Übergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden 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. 7 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 ß 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 parall zur Austrittsebene des Rohres 20 verlaufende Kante an hand 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
100 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
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 (100) eine Mischstrecke (220) angeordnet ist, welche innerhalb eines ersten Streckenteils (200) in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle (201) zur Überführung einer im Drall erzeuger (100) gebildeten Strömung (40) in ein stromab der Übergangskanäle (201) nachgeschaltetes Rohr (20) aufweist, und daß die Austrittsebene dieses Rohres (20) zur Brennkammer (30) mit einer Abrißkante (A) zur Sta bilisierung und Vergrößerung einer sich stromab bilden den Rückstromzone (50) ausgebildet ist

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

3. 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 (20) versehen ist.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (21) unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse (60) des Rohres (20) verlaufen.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abrißkante (A) aus einem Übergangsradius (R) im Bereich der Austrittsebene des Rohres (20) und einer von der Austrittsebene des Rohres (20) abgesetzten Abriß stufe (S) besteht.

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

7. 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 (100) gebildeten Strömung (40) ist.

8. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromab der Mischstrecke (220) eine Brennkammer (30) angeordnet 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.

9. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf der Abrißkante (A) ein Diffusor und/oder eine Venturistrecke vorhanden ist.

10. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallerzeuger (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschach telten Teilkörpern (101, 102; 130, 131, 132, 133; 140, 141, 142, 143) besteht, daß die jeweiligen Längssymme trieachsen (101b, 102b; 130a, 131a, 132a, 133a; 140a, 141a, 142a, 143a) dieser Teilkörper gegeneinander ver setzt verlaufen, dergestalt, daß die benachbarten Wan dungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangen tiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstro mes (115) bilden, und daß im von den Teilkörpern gebil deten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) angeordnet ist.

11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeord net sind.

12. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (140, 141, 142, 143) im Querschnitt eine schaufelförmige Profilierung aufweisen.

13. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper in Strömungsrichtung einen festen Kegel winkel, oder eine zunehmende Kegelneigung, oder eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.

14. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper spiralförmig ineinandergeschachtelt sind.