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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäss Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Aus
EP-B1-0 321 809 ist ein aus mehreren ineinandergeschachtelten Schalen
bestehender kegelförmiger
Brenner zur Erzeugung einer geschlossenen Drallströmung im
Kegelkopf bekanntgeworden. Diese Drallströmung wird aufgrund des zunehmenden
Dralls entlang der Kegelspitze instabil, und geht dann in eine annulare
Drallströmung
mit einer Rückströmblase im
Kern über.
Gasförmige
Brennstoffe werden bei diesem Brenner vorzugsweise in Strömungsrichtung
entlang von Lufteintrittskanälen eingedüst und homogen
mit der dort einströmenden Luft
vermischt, bevor die Verbrennung durch Zündung am Staupunkt der Rückströmblase einsetzt.
Die Lufteintrittskanäle
werden durch die in Längsrichtung des
Brenners zueinander versetzt verlaufenden Schalen gebildet. Die
Rückströmblase entfaltet
die Funktion eines körperlosen
Flammenhalters. Flüssige
Brennstoffe werden vorzugsweise über
eine zentrale Düse
am Brennerkopf eingedüst,
und sie verdampfen dann im von den Schalen gebildeten Kegelhohlraum.
Beim Betrieb eines solchen Brenners, der sich unbestritten durch
minimalen Schadstoff-Emissionen
auszeichnet, hat sich jedoch gezeigt, dass für den Betrieb mit einem gasförmigen Brennstoff
an sich eine längere
Vormischstrecke von Vorteil wäre, während beim
Betrieb mit einem flüssigen
Brennstoff die lange Vormischstrecke dann Kompromisse hinsichtlich
der Eindüsung
des flüssigen
Brennstoffes erheischt.
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Darstellung
der Erfindung
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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 eine Ausgestaltung vorzuschlagen, mit
welcher bei minimierter Baulänge eine
optimale Vermischung und Verbrennung mit beiden Brennstoffarten
möglich
ist.
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Der
wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Länge des
aus einer Kombination von kegelförmigen
Strömungskanälen ausgebildeten
Brenners insoweit minimiert wird, dass der Betrieb mit einem flüssigen Brennstoff,
unter erfindungsgemässer
Auschaltung einer Eindüsung
dieses Brennstoffes am Brennerkopf, optimal gestaltet werden kann;
gleichzeitig wird die Strömungsführung der
Luft so gehalten, dass der Betrieb mit einem gasförmigen Brennstoff
durch die verkürzte
Vormischstrecke keine Nachteile erleidet. Durch die Kompaktheit
des erfindungsgemässen
Brenners lässt
sich sodann die Brennerluftzuströmung
aus dem Plenum zu den Brennern optimal gestalten, insbesondere,
wenn die Kraftwerksanlage mit einer Ringbrennkammer betrieben wird.
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Die
Ausgestaltung des erfindungsgemässen Brenners
ist auf eine zweifache Vormischoperation beim Betrieb mit einen gasförmigen Brennstoff
ausgerichtet, wobei beim Einsatz eines flüssigen Brennstoffes eine vorzugsweise
in einer Ebene fein aufgeteilte Eindüsung dieses Brennstoffes gewählt wird, und
wobei diese Eindüsung
im wesentlich stromab der Vormischstrecke für einen gasförmigen Brennstoff
geschieht. Am Ausgang des Brenners bildet sich nach wie vor eine
stabile Rückströmblase,
unabhängig
davon, mit welchem Brennstoff der Brenner betrieben wird, d.h.,
die durchströmten
Teile dieses Brenners erzeugen jene für die Bildung der Rückströmblase notwendige
Drallströmung.
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Vorteilhafte
und zweckmässige
Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind
in den weiteren Ansprüchen
gekennzeichnet.
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Im
folgenden werden anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert. Alle
für das
unmittelbare Verständnis
der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen worden.
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung
der verschiedenen Medien ist mit Pfeilen angegeben.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Es
zeigt:
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1 ein
dreidimensionales Bild eines aus mehreren kegelförmigen Kanälen gebildeten Brenners,
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2 eine
Ansicht in Längsrichtung
dieses Brenners gemäss
Schnittebene II-II in 3 und
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3 eine
Ansicht durch die Schnittebene III-III in 2.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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1 zeigt
in dreidimensionaler Ansicht einen Brenner 1, welcher im
wesentlichen aus einer Kombination von mehreren in verschiedenen
Ebenen durchströmbaren
Teilkörpern
besteht, wobei diese Teilkörper
in betrieblicher Hinsicht eine Interdependenz zueinander aufweisen.
Ein innerer Teilkörper 2 weitet
sich, was den Durchflussquerschnitt betrifft, in Strömungsrichtung
zunächst
kegelförmig
aus, um dann in seiner Endphase im wesentlichen in eine innere zylindrische
Auslaufform 3 überzugehen.
Etwa im Bereich dieses Ueberganges wird der genannte innere kegelförmige Teilkörper 2 vom
einem weiteren Teilkörper 4 konzentrisch
ummantelt, der sich aber, was seinen Durchflussquerschnitt betrifft,
in Gegenstromrichtung kegelförmig
ausweitet, also gegenüber jenem
in entgegengesetzter Richtung, dergestalt, dass sich die beiden
Teilkörper 2, 4 zu
einem zentralen Strömungskörper 2/4 verschmelzen,
so dass sie einen in axialer Richtung geschlossenen Anströmungsraum 5 bilden,
der selbst die Form eines in Strömungsrichtung
mit abnehmenden Querschnitt hohlen Kegelstumpfes beschreibt. Die
verschachtelnde Verschmelzung der beiden Teilkörper 2, 4 zu einem
einzigen zentralen Strömungskörper 2/4 ergeben,
zweidimensional betrachtet, in etwa ein M-förmiges Gebilde, wie dies aus 2 näher hervorgeht. Die
bereits genannte innere zylindrische Auslaufform 3 bildet
sonach den Uebergang zwischen dem endseitigen Verlauf des inneren
Teilkörpers 2 und
dem Anfang des äusseren
Teilkörpers 4.
Ein weiteres konzentrisches Rohr 8 ummantelt den zentralen
Strömungskörper 2/4,
wobei der dadurch entstehende ringförmige Durchflussquerschnitt 7 dieses
Rohres 8 gegenüber
der Umfangsfläche
des zentralen Strömungskörpers 2/4 in
Strömungsrichtung
kegelförmig zunimmt.
Stromab der zur inneren zylindrischen Auslaufform gehörenden Stirnfläche 9 geht
der ringförmige
Durchflussquerschnitt 7 des konzentrischen Rohres 8 in
einen diffusorähnlichen
Querschnitt 10 über. Sowohl
der innere kegelförmige
Teilkörper 2 als
auch der äussere
kegelförmige
Teilkörper 4 weisen
eine Anzahl in Strömungsrichtung
tangential verlaufender Schlitze 11, 12 auf, durch
welche der Hauptanteil der zur Verfügung stehenden und in den axial
geschlossenen Raum 5 einfliessenden Verbrennungsluft 13 unter
Bildung einer Drallströmung
einerseits in den Innenraum 6 des inneren kegelförmigen Teilkörpers 2 und
andererseits in den ringförmigen
Durchflussquerschnitt 7 strömt, wie die in der Figur angebrachten
Pfeilen 18, 19 versinnbildlichen wollen. Eine
kleinere Menge 14 von der gesamthaft zur Verfügung stehenden
Verbrennungsluft strömt
zentral durch eine kopfseitige Oeffnung 16 des inneren
kegelförmigen
Teilkörpers 2 in
den Innenraum 6. Eine weitere kleinere Menge 15 von
der gesamthaft zur Verfügung stehenden
Verbrennungsluft strömt
axial durch die kopfseitige ringförmige Oeffnung 17 in
den ringförmigen
Durchflussquerschnitt 7. Die Brennstoffzuführungen
und deren Beimischungen sind in dieser 1 nur andeutungsweise
dargestellt. Die Betriebsweise dieses Brenners 1 wird unter
den 2 und 3 näher dargelegt. Ersichtlich
sind in dieser 1 die einzelnen Brennstoffzuführungen,
welche ringleitungsmässig
das untere Ende des konzentrischen Rohres 8 erfassen. Grundsätzlich sind
hier drei Brennstoffringleitungen 20, 21, 22 vorgesehen,
deren Brennstoffe über
Verbindungsstege 23 zu dem zentralen Strömungskörper 2/4 geleitet
werden. Ein über
die Leitung 20 geführter
flüssiger
Brennstoff A durchströmt
den äusseren
Teilkörper 4 und
mündet zunächst in
eine endseitig desselben angeordnete Ringleitung 20a, von
wo aus dieser Brennstoff A dann über
eine Anzahl axial geführter
und über
den Umfang verteilter Düsen 20b stirnseitig
in die dort wirkende Drallströmung
eingespritzt wird. Ueber die Ringleitung 21 wird ein erstes
Premix-Gas (Vgl. 3, Pos. B) eingegeben, welches
zunächst
auch in eine endseitig angeordnete Ringleitung 21a des äusseren
Teilkörpers 4 mündet, um
von hier aus zu den tangentialen Schlitzen 11 des inneren
Teilkörpers 2 geleitet
zu werden. Anschliessend wird dieser Brennstoff über hier nicht ersichtliche
Brennstoffdüsen
(Vgl. 3) in die dort durch die genannten Schlitze strömende Luftdurchströmung 18 eingemischt
(Vgl. 3). Ueber die Ringleitung 22 wird ein zweites
Premix-Gas (Vgl. 3, Pos. C) in den äusseren
Teilkörper 4 eingebracht,
welches nun direkt über
die tangentialen Schlitze 19 dieses Teilkörpers 4 in
die dort durchströmende
Luftdurchströmung 19 eingedüst (Vgl. 3)
wird. Der Verlauf der Teilkörper 2, 4 ist
nicht auf einen regelmässigen
konischen Verlauf beschränkt,
sondern diese können
einen Konfusor oder konfusorähnlichen
sowie Diffusor oder diffusorähnlichen
Verlauf bilden. Die in der Beschreibung verwendete Bezeichnung "kegelförmig" kann ohne weiteres
eine solche Ausbildung abdecken.
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2 zeigt
einen Aufriss des Brenners 1 gemäss Schnittebene II-II in 3.
Aus dieser 2 ist recht gut der grundsätzliche
Aufbau des zentralen Strömungskörpers 2/4 ersichtlich,
welcher im wesentlichen eine M-Form beschreibt. Die sich innerhalb
des ringförmigen
Durchflussquerschnittes 7 des konzentrischen Rohres 8 bildende
Drallströmung 24 ist
ein Verbrennungsgemisch aus der Verbrennungsluft 13, erweitert
durch die Verbrennungsluft 15 und vermischt mit dem zweiten
Premix-Gas C aus der Ringleitung 22. Die andere sich innerhalb
des Innenraumes 6 des inneren Teilkörpers 2 bildende Drallströmung 25 ist
ein Verbrennungsgemisch aus der Verbrennungsluft 13, erweitert
durch die Verbrennungsluft 14 und vermischt mit dem ersten
Premix-Gas B aus der Ringleitung 21 resp. 21a.
Wird der Brenner 1 allein mit dem flüssigen Brennstoff A betrieben,
so bestehen die Drallströmung 24, 25 aus reiner
Verbrennungsluft. Der flüssige
Brennstoff A wird im Bereich des Zusammenflusses der beiden Drallströmungen 24, 25 eingemischt.
Der Abstand von den Düsen 20a bis
zum Brenneraustritt ist relativ kurz, so dass der Sprühwinkel
der Düsen 20a für den flüssigen Brennstoff
A gross gewählt
werden kann. Die Scherwirkung zwischen der inneren 25 und
der äusseren 24 Drallströmung bewirkt,
dass der dort eingedüste
flüssige Brennstoff
A eine optimale Vermischung erfährt.
Damit ist hier eine Gemischbildung mit einem flüssigen Brennstoff unter Vormischbedingungen
möglich.
Die beiden Drallströmungen 24, 25 vereinigen
sich dann im Bereich des Brenneraustrittes zu einer Hauptströmung 26,
welche eine Rückströmblase 27 induziert.
Diese wirkt gegenüber
der sich dort bildenden Flammenfront im Sinne eines körperlosen
Flammenhalters stabilisierend gegen Flammenrückzündungen. Durch getrennte Brennstoffversorgung
der beiden kegelförmigen
Teilkörper 2, 4 wird
ein gestuftes Hochfahren bei Gasbetrieb ermöglicht. Dies ermöglicht sodann,
die Baulänge
des Brenners 1 zu minimieren, ohne auf die Güte und Vorteile
der Vormischverbrennung verzichten zu müssen.
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3 ist
ein Schnitt durch die Ebene III-III in 2. Ersichtlich
ist hier die Segmentierung der Wände
der beiden kegelförmigen
Teilkörper 2, 4 durch
eine Anzahl tangential angeordneter Lufteintrittsschlitze 11, 12,
wobei die Profilierung der einzelnen Segmente vorzugsweise schaufelprofilförmig ist. Aus
dieser 3 geht auch die Führung der einzelnen Brennstoffleitungen 21, 22, 23 durch
die einzelnen körperbildenden
Segmente des zentralen Strömungskörpers 2/4 hervor.
Indem mehrere Schlitze 11, 12 in Umfangsrichtung
vorgesehen werden können,
lässt sich
die axiale Länge
derselben kleiner halten. Durch die getrennte individuelle Versorgung
der inneren 11 und äusseren 12 Lufteintrittsschlitze
mit Brennstoff wird ein gestuftes Hochfahren ermöglicht. Dabei erzeugt die in
den Innenraum 6 einströmende Verbrennungsluft
einen gegenüber
dem ringförigen Durchflussquerschnitt 7 entgegengesetzten
Drall. Dort wo sich strömungstechnisch
aufdrängt,
ist es ohne weiteres möglich,
ein gleichgerichteter Drall durch die inneren und äusseren
Lufteintrittsschlitze 11, 12 vorzusehen. Die zum äusseren
Teilkörper 4 gehörigen Segmente
sind einseitig mit Düsen 22b für Brennstoff
C versehen, während
die zum inneren Teilkörper 2 gehörigen Segmente
eine zweifache Eindüsung 21b des
Brennstoffes B in die
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Lufteintrittsschlitze 11 aufweisen.
Eine entsprechende Anpassung der Anzahl der Eindüsungesöffnungen wird von Fall zu Fall
disponiert.
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- 1
- Brenner
- 2
- Innerer,
kegelförmiger
Teilkörper
- 3
- Innere,
zylindrische Auslaufform
- 4
- Aeusserer,
kegelförmiger
Teilkörper
- 5
- Geschlossener
Anströmungsraum
zwischen 2, 4
- 6
- Innenraum
von 2
- 7
- Konzentrischer,
ringförmiger
Durchflussquerschnitt
- 8
- Konzentrisches,
ummantelndes Rohr
- 9
- Stirnfläche
- 10
- Diffusionsähnlicher
Querschnitt
- 11
- Tangentiale
Lufteintrittsschlitze
- 12
- Tangentiale
Lufteintrittsschlitze
- 13
- Verbrennungsluft,
Hauptanteil
- 14
- Verbrennungsluft,
Nebenanteil
- 15
- Verbrennungsluft,
Nebenanteil
- 16
- Eintrittsöffnung in
den Innenraum von 2
- 17
- Ringöffnung in
den Durchflussquerschnitt 7
- 18
- Luftdurchströmung durch
Schlitze 11
- 19
- Luftdurchströmung durch
Schlitze 12
- 20
- Brennstoffringleitung
- 20a
- Ringleitung
- 20b
- Brennstoffdüsen
- 21
- Brennstoffringleitung
- 21a
- Ringleitung
- 21b
- Brennstoffdüsen
- 22
- Brennstoffringleitung
- 22b
- Brennstoffdüsen
- 23
- Verbindungsstege
- 24
- Drallströmung
- 25
- Drallströmung
- 26
- Hauptströmung
- 27
- Rückströmblase
- 2/4
- Zentraler
Strömungskörper
- A
- Flüssiger Brennstoff,
Oel
- B
- 1.
Premix Gas
- C
- 2.
Premix Gas