DE19548851A1

DE19548851A1 - Vormischbrenner

Info

Publication number: DE19548851A1
Application number: DE19548851A
Authority: DE
Inventors: Hans Peter
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 1997-07-03
Also published as: EP0786626A1; KR970046925A; JPH09189405A; CA2192741A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Aus EP-B1-0 321 809 ist ein Vormischbrenner bekanntgeworden, welcher, als Drallbrenner ausgelegt, aus mindestens zwei in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten kegelförmigen Teilschalen besteht, deren jeweilige Kegelachse gegenüber ei ner Brennerachse versetzt und parallel zueinander verlaufen, dergestalt, daß die benachbarten Wandungen der kegelförmigen Teilschalen in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle oder Lufteintrittsschlitze für die Durchströmung eines Verbren nungsluftstromes ins Innere des Vormischbrenners bilden. Kopfseitig weist der Vormischbrenner eine im wesentlichen auf der Brennerachse angeordnete Düse auf, welche vorzugsweise mit einem flüssigen Brennstoff betrieben wird. Die tangential ins Innere des Vormischbrenners einströmende Verbrennungsluft erfaßt das von der Düse ausgelöste kegelige Brennstoffspray, worauf ein Brennstoff/Luft-Gemisch gebildet wird. Im Bereich dem Ausganges des Vormischbrenners bildet sich eine Flammen front mit einer stabilisierten Rückströmzone oder Rückström blase. Im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze sind in Längserstreckung weitere Düsen angeordnet, welche vorzugs weise mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben werden. Zur Beistellung dieses Brennstoffes erstreckt sich entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze je eine Brennstoffleitung, welche vorzugsweise mit den erwähnten Düsen erweitert ist. Diese Brennstoffleitung wird in axialer Richtung an der ke gelförmigen Teilschale vorzugsweise sektoriell angeschweißt. Sie bildet demnach die äußere Abgrenzung des jeweiligen tan gentialen Lufteintrittsschlitzes; die innere Abgrenzung wird durch die andere dort versetzt angeordnete kegelförmige Teil schale. Durch die im Betrieb auftretenden unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen kegelförmiger Teilschale und ange schweißter Brennstoffleitung entstehen Verwerfungen entlang der Verbindungsebene beider Elemente, die zu Spaltbildungen zwischen den beiden führen. Dies führt dazu, daß die Ver brennungsluftströmung innerhalb dieses heiklen Bereichs un kontrolliert verläuft, d. h. ein Teil Verbrennungsluft strömt durch diese Spalte an die Außenfläche der kegelförmigen Teilschale, mit allen strömungstechnischen und kalorischen Nachteilen, die sich daraus ergeben. Des weiteren hat sich gezeigt, daß die Anbringung der Brennstoffdüsen, sei es durch Aufbohren, Stanzen, Laser, etc., insbesondere nach Ver schweißung der Brennstoffleitung mit der kegelförmigen Teil schale aufgrund der relativ kleinen Durchmesser und der un günstigen Bearbeitungsverhältnisse nicht zu befriedigen ver mochten. Im wesentlichen stehen hier die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Uniformität der Lochführung, die für das Brennstoffmanagement von eminenter Wichtigkeit ist.

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 die Bildung der Brennstoffleitung so vorzusehen, daß im Betrieb in diesem Bereich keine unkontrollierten Strömungs verhältnisse entstehen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die kegelförmige Teilschale und die Brennstoffleitung aus einem einzigen Stück bestehen. Dabei wird die Brennstoffleitung durch eine Umbiegung des Bleches um die kegelförmige Teil schale gebildet, wobei das Ende dann an der Außenoberfläche der kegelförmigen Teilschale verschweißt wird.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze, dort wo die Einströmung der Verbrennungsluft geschieht, keine Schweißverbindung zweier unterschiedlicher Körper vorhanden ist. Indem die Schale samt Brennstoffleitung aus einem Stück hergestellt wird, ist die immanente Gefahr einer unkontrol lierten Strömung durch die sich bildende Spalte im Bereich der Schweißung nicht mehr gegeben ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Anbringung der Löcher, welche die Brennstoffdüsen bilden, vorgängig der Bildung der Brennstoffleitung bei optimalen Be arbeitungsverhältnissen und Bearbeitungsverfahren vorgenommen werden kann.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen An sprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Ver ständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Fi guren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungs richtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Vormisch brenners, entsprechend aufgeschnitten;

Fig. 2 eine Ansicht durch Schnittebene II-II, mit einer Konfiguration der Brennstoffleitungen und

Fig. 3 eine weitere Ansicht durch dieselbe Schnittebene wie unter Fig. 2, mit einer weiteren Konfiguration der Brennstoffleitungen.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Um den Aufbau des Brenners 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 1 die Fig. 2 und 3 herangezogen werden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 1 nach Bedarf auf die restlichen Figuren hingewie sen.

Der Brenner 100 nach Fig. 1 ist ein Vormischbrenner und be steht aus zwei kegelförmigen Teilschalen 101, 102, die ver setzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 101b, 102b der kegelförmigen Teilschalen 101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 119, 120 frei (Fig. 2, 3), durch welche eine Verbrennungsluft 115 in Innen raum des Vormischbrenners 100, d. h. in den Kegelhohlraum 114 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilschalen 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können die ke gelförmigen Teilschalen 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich eines Diffusors oder Konfusors. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfaßt, da sie für den Fach mann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegelför migen Teilschalen 101, 102 weisen je einen zylindrischen An fangsteil 101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegelförmigen Teilschalen 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so daß die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Vormischbrenners 100 vorhanden sind. Im Be reich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 unter gebracht, deren Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Quer schnitt des durch die kegelförmigen Teilschalen 101, 102 ge bildeten Kegelhohlraum 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapa zität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vor gegebenen Parametern des jeweiligen Vormischbrenners 100. Selbstverständlich kann der Vormischbrenner aus rein kegelig verlaufende Teilschalen bestehen, also ohne einen zylindri sche Anfangsteil, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist. Die kegelförmigen Teilschalen 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tan gentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 verläuft und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugs weise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die dort durchströ mende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitun gen 108, 109 sind im Bereich der tangentialen Lufteintritts schlitze so anzuordnen, daß eine optimale Luft/Brennstoff- Mischung erzielt werden kann. Auf die näheren Ausführungsar ten dieser Brennstoffleitungen 108, 109 wird weiter unten nä her eingegangen. Brennraumseitig 122 geht die Ausgangsöffnung des Vormischbrenners 100 in eine Frontwand 110 über, in wel cher eine Anzahl Bohrungen 110a vorhanden sind. Die letztge nannten treten bei Bedarf in Funktion, und sorgen dafür, daß Verdünnungsluft oder Kühlluft 110b dem vorderen Teil des Brennraumes 122 zugeführt wird. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung für eine Flammenstabilisierung am Ausgang des Vormischbrenners 100. Diese Flammenstabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht, die Kompaktheit der Flamme in folge einer radialen Verflachung zu stützen. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff handelt es sich um einen flüssigen Brennstoff 112, der allenfalls mit einem rückgeführten Abgas angereichert sein kann. Dieser Brennstoff 112 wird unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffprofil 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 112 fortlau fend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer optimalen Vermischung abgebaut. Die Stellung der Brennstoff düse 103 auf der Brennerachse kann gegenüber dem ersten Quer schnitt der kegelförmigen Teilschalen 101, 102 um eine defi nierte Strecke stromauf verschoben sein. Dies hängt von der Kompaktheit des Brennstoffsprays 105, das bereits kopfseitig des Vormischbrenners 100 durch die einströmende Verbrennungs luft 115 durchdrungen werden muß, um ein optimales Gemisch erzeugen zu können. Wird der Vormischbrenner 100 mit einem gasförmigen Brennstoff 113 betrieben, so geschieht dies vor zugsweise über Öffnungsdüsen 117 eingebracht, wobei die Bil dung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 119, 120 zustande kommt. Bei der Eindü sung des Brennstoffes 112 über die Düse 103 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 106 am Ende des Vormischbrenners 100, die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 106. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 107 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Vormischbrenners 100, wie dies bei bekannten Vormischstrecken latent der Fall ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbren nungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückge führten Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdamp fung des flüssigen Brennstoffes 112 nachhaltig, bevor die Verbrennungszone erreicht wird. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn über die Brennstoffleitungen 108, 109 statt gasförmige flüssige Brennstoffe zugeführt werden. Bei der Ge staltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich Ke gelwinkel und Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das ge wünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 mit der Strö mungszone 106 am Ausgang des Vormischbrenners einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, daß eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die Rückströmzone 106 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung kommt. Immerhin ist festzu stellen, daß die einmal fixierte Rückströmzone 106 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungs richtung im Bereich der Kegelform des Vormischbrenners 100 zu. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Vormischbrenners 100 läßt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zufüh rung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Die Konstruktion des Vormischbrenners 100 eignet sich des weite ren vorzüglich, die Größe der tangentialen Lufteintritts schlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Vormischbrenners 100 eine relativ große be triebliche Bandbreite erfaßt werden kann. Die einzelnen ke gelförmigen Teilschalen 101, 102 können auch spiralartig in einandergeschaltet werden.

Aus Fig. 2 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Brennstoffleitungen 108, 109 hervor. Diese werden aus den entsprechenden Teilschalen 101, 102 aus einem Stück gebildet, indem deren Enden ununterbrochen umgebogen und auf der Au ßenoberfläche der jeweiligen Teilschale angeschweißt werden.

Die Brennstoffdüsen 117 befinden sich unmittelbar im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120, durch welche die Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 strömt. In diesem Bereich bleibt die Einströmung der Verbrennungsluft 115 frei von strömungsschädlichen Interferenzen, weil die Brennstoffleitungen 108, 109 keinen kalorisch bedingten Ver werfungen gegenüber den Teilschalen unterworfen sind. Die Ho mogenität bei der Einströmung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 bewirkt eine optimale Gemischbildung mit der dort stattfindenden Brennstoffeindüsung 116. Bei einer solchen Ausbildung lassen sich die Brennstoffleitungen auch stromaufwärts über die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 ziehen, wie der gestrichelte Körper 109a in Fig. 2 zeigt. Bei einer solchen Konfiguration lassen sich die Brenn stoffdüsen 117a je nach Bedarf auch oberhalb der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 anordnen. Diese können eine schräge Brennstoffeindüsung 116a aufweisen, dergestalt, daß der Brennstoffstrahl satt an die Kante der gegenüberliegenden Teilschale 101 vorbeiströmt, was mindestens eine Kühlwirkung auslöst. Vorteilhaft bei dieser Ausführung ist ferner die Möglichkeit, die Mischstrecke zu verlängern, was daraus eine Verbesserung der Durchmischung resultiert mit einer einherge henden Herabsetzung der Schadstoff-Emissionen.

Fig. 3 ist im wesentlichen eine Abänderung in der Gestaltung der Brennstoffleitungen 108, 109, deren größte Durch flußquerschnitt sich nicht unmittelbar im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120, wie dies bei Fig. 2 der Fall ist, sondern weitgehend in der Ebene des Ke gelhohlraumes 114 befindet. Dementsprechend geschieht die Brennstoffeindüsung 116 auch weiter stromab der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120. Auch hier ist es so, daß die Einströmung der Verbrennungsluft 115 frei von möglichen durch kalorischen Verwerfungen bedingten Bypass-Spalten bleibt.

Bezugszeichenliste

100 Vormischbrenner
101, 102 Kegelförmige Teilschalen
101a, 102a Zylindrische Angangsteile
101b, 102b Längssymmetrieachsen
103 Brennstoffdüse
104 Brennstoffeindüsung
105 Brennstoffspray
106 Rückströmzone (Vortex Breakdown)
107 Flammenfront
108, 109 Brennstoffleitungen
109a Hochgezogene Brennstoffleitung
110 Frontwand
110a Luftbohrungen
110b Kühlluft
112 Flüssiger Brennstoff
113 Gasförmiger Brennstoff
114 Kegelhohlraum
115 Verbrennungsluft
116 Brennstoffeindüsung
116a Brennstoffeindüsung
117 Brennstoffdüsen
117a Brennstoffdüsen
119, 120 Tangentiale Lufteintrittsschlitze
122 Brennraum

Claims

1. Vormischbrenner, im wesentlichen bestehend aus minde stens zwei in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten kegelförmigen Teilschalen, wobei die jeweilige Längssym metrieachse dieser Teilschalen gegenüber der Brenner achse versetzt und parallel zueinander verlaufen, derge stalt, daß die benachbarten Wandungen der Teilschalen in deren Längserstreckung tangentiale Lufteintritts schlitze für die Durchströmung einer Verbrennungsluft in von den Teilschalen gebildeten Kegelhohlraum bilden, und wobei mindestens im Bereich der tangentialen Luftein trittsschlitze Brennstoffdüsen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüsen (117, 117a) mit einer Brennstoffleitung (108,109, 109a) in Wirkverbin dung stehen, und daß die Brennstoffleitung durch eine in sich abgeschlossene Fortsetzung der kegelförmigen Teilschalen (101, 102) im Bereich der tangentialen Luft eintrittsschlitze (119, 120) gebildet ist.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kopfseitig des Vormischbrenners (100) mindestens eine weitere Brennstoffdüse (103) angeordnet ist.

3. Brenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Brennstoffdüse (103) mit einem flüs sigen Brennstoff (112) und die Brennstoffdüsen (117, 117a) mit einem gasförmigen Brennstoff (113) betreibbar sind.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (103) auf der Brennerachse ange ordnet ist.

5. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilschalen (101, 102) in Strömungsrichtung einen gleichmäßig zunehmenden Strömungsquerschnitt bil den.

6. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilschalen (101, 102) in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen.

7. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilschalen (101, 102) in Strömungsrichtung eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.

8. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilschalen (101, 102) spiralförmig ineinander geschachtelt sind.

9. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt der tangentialen Luftein trittsschlitze (119, 120) in Längsrichtung des Vormisch brenners (100) abnehmend sind.

10. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Teilschale (101, 102) nach Bildung der Brennstoffleitung unterhalb und/oder oberhalb der tan gentialen Lufteintrittsschlitze (119, 120) dicht mit der Außenfläche der zugehörigen Teilschale verbunden ist.