DE19654009A1 - Vormischbrenner zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

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

Stand der Technik

Eine bekannte Möglichkeit, einen ablösungsfreien Drallkörper zu bauen, besteht darin, einen Rohrmantel mit tangentialen Lufteintrittskanälen oder Lufteintrittsschlitzen zu versehen. Auf diese Weise entsteht ein Potentialwirbel, der axial ab­ strömt. Es zeigt sich aber, daß Wirbelrückströmzonen in ei­ nem Potentialwirbel schlechte Stabilitätseigenschaften auf­ weisen. Will man stabile Wirbelrückströmzonen erzielen, so muß das axiale Profil der vom Drallkörper erzeugten Wirbel­ strömung im Zentrum, also auf der Brennerachse, drallarm sein und dort einen Axialgeschwindigkeitsüberschuß aufweisen. Diese Überlegungen, nämlich die Vorzüge eines Potentialwir­ bels und eines strömungsmechanisch perfekten Drallkörpers zu kombinieren, haben zu einem Brenner gemäß EP-B1-0 321 809 geführt.

Bei diesem Brenner entsteht, insbesondere beim Betrieb mit einem flüssigen Brennstoff, die immanente Gefahr, daß die Flamme ins Innere des Brenners wandern kann, und zwar immer dann, wenn die Axialgeschwindigkeit im Zentrum unter einem bestimmten Wert fällt. Dann kann sich die Flamme entgegen der Strömungsrichtung ungehindert ausbreiten. Die Flamme wandert dann in den Brenner hinein, wobei in der Folge im allgemeinen Überhitzungsprobleme auftreten. Die Erzeugung eines Drall­ strömungsfeldes, die gewichtig zu einer Rückströmzone, auch Rückströmblase genannt, am Ausgang des Brenners führt, erfor­ dert das Einschließen der Strömung in einen an sich rotati­ onssymmetrischen Raum, wobei dann nicht zu umgehen ist, daß gerade im Zentrum eine "schlauchförmige" Zone entsteht, wel­ che auf einen Flammenrückschlag in Gegenströmrichtung anfäl­ lig 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 Brenner der eingangs genannten Art Vor­ kehrungen vorzuschlagen, welche dahin zielen, die sich auf der Brennerachse bildende Zone gegen einen Flammenrückschlag zu stärken.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht, indem die regelmäßige Ausbreitung der "schlauchförmigen" Zone innerhalb des Bren­ ners gestört wird. An ihrer Stelle soll im Zentrum des Bren­ ners in axialer Richtung eine drallmäßige Unordnung entste­ hen, dergestalt, daß sich die Flamme vom Brennraum aus ent­ lang der Brennerachse in den Brenner nicht mehr fortpflanzen kann. Dabei wird die Störung der "schlauchförmigen" inneren Zone in axialer Richtung durch gezielte Einströmungsverhält­ nisse streckenweise und in unregelmäßiger Weise untereinan­ der erstellt. Nur in der Endphase des Brenners, im Bereich der sich dort anschließend bildenden Rückströmzone, wird wieder eine Drallsymmetrie geschaffen, womit die Interdepen­ denz zwischen Drallsymmetrie und Rückströmzone wieder wirksam eingreift. Stromauf dieser drallsymmetrischen Strecke herrscht jene strömungstechnische Unordnung, welche verhin­ dert, daß die Flamme ungehindert zurückschlagen kann.

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

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel­ bare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen worden. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 einen Vormischbrenner, in perspektivischer Dar­ stellung,

Fig. 2 eine weitere perspektivische Darstellung des Vor­ mischbrenners gemäß Fig. 1, in vereinfachter Form,

Fig. 3 eine schematische Darstellung über die Ausbildung der Durchflußöffnungen der Lufteintrittskanäle und

Fig. 4-6 entsprechende Schnitte durch verschiedene Ebenen innerhalb der axialen Erstreckung des Vormisch­ brenners.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt einen Vormischbrenner in perspektivischer Dar­ stellung. Zum besseren Verständnis des Gegenstandes ist es vorteilhaft, wenn gleichzeitig bei der Erfassung von Fig. 1 mindestens auch Fig. 2 herangezogen wird. Diese zwei Figuren haben hauptsächlich den Zweck, die Art und die Funktionsweise eines solchen Brenners abzustecken. Die restlichen Figuren werden dann auf die Ausgestaltung der Durchflußöffnungen der tangentialen Lufteintrittskanäle näher beschrieben.

Der Vormischbrenner gemäß Fig. 1 besteht aus zwei hohlen ke­ gelförmigen Teilkörpern 1, 2, die versetzt zueinander inein­ andergeschachtelt sind. Unter dem Begriff "kegelförmig" wird hier nicht nur die gezeigte, durch einen festen Öffnungswin­ kel charakterisierte Kegelform verstanden, sondern er schließt auch andere Konfigurationen der Teilkörper mit ein, so eine Diffusor- oder diffusorähnliche Form sowie eine Kon­ fusor- oder konfusorähnliche Form. Diese Formen sind vorlie­ gend nicht speziell dargestellt, da sie dem Fachmann ohne weiteres geläufig sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittel­ achse oder Längssymmetrieachse der Teilkörper 1, 2 zueinander (Vgl. Fig. 2, 4-6, Pos. 3, 4) schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Luft­ eintrittskanal 5, 6 frei, durch welche die Verbrennungsluft 7 in Innenraum des Vormischbrenners, d. h. in den Kegelhohlraum 8 strömt. Die beiden kegeligen Teilkörper 1, 2 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 9, 10, die ebenfalls, analog den vorgenannten Teilkörpern 1, 2, versetzt zueinander ver­ laufen, so daß die tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 über die ganze Länge des Vormischbrenners vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 11 zur vorzugsweisen Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffes 12 un­ tergebracht, dergestalt daß deren Eindüsung in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die Teilkörper 1, 2 gebildeten Kegelhohlraumes 8 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Betriebsart dieser Düse 11 richtet sich nach den vorgege­ benen Parametern des jeweiligen Vormischbrenners. Der durch die Düse 11 eingedüsten Brennstoff 12 kann bei Bedarf mit ei­ nem rückgeführten Abgas angereichert werden; sodann ist es auch möglich, durch die Düse 11 die komplementäre Einspri­ tzung einer Wassermenge zu bewerkstelligen.

Selbstverständlich kann der Vormischbrenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 9, 10 ausgebildet sein. Die Teilkörper 1, 2 weisen des weiteren je eine Brennstoff­ leitung 13, 14 auf, welche entlang der tangentialen Ein­ trittskanäle 5, 6 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 15 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 16 in die dort vorbeiströmende Verbrennungsluft 7 eingedüst wird, wie dies durch Pfeile 16 versinnbildlicht wird, wobei diese Eindüsung zugleich die Brennstoffinjekti­ onsebene (Vgl. Fig. 2, Pos. 22) des Systems bildet. Diese Brennstoffleitungen 13, 14 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegel­ hohlraum 8, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff- Mischung zu gewährleisten.

Brennraumseitig weist der Vormischbrenner eine als Veranke­ rung für die Teilkörper 1, 2 dienende Frontplatte 18 mit ei­ ner Anzahl Bohrungen 19 auf, durch welche bei Bedarf eine Misch- bzw. Kühlluft 20 dem vorderen Teil des Brennraumes 17 bzw. dessen Wand zugeführt wird.

Wird zum Betrieb des Vormischbrenners flüssiger Brennstoff 12 über die zentrale Düse 11 eingesetzt, so wird dieser unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 8 bzw. in den Brennraum 17 eingedüst. Aus der Düse 11 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffprofil 23, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 7 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des eingedü­ sten Brennstoffes 12 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 7 zu einer optimalen Gemisch abgebaut. Wird der Vormischbrenner mit einem gasförmigen Brennstoff 16 be­ trieben, so kann dies grundsätzlich auch über die Brennstoff­ düse 11 geschehen, vorzugsweise aber geschieht dies über die Eindüsungsöffnungen 15, wobei die Bildung dieses Brenn­ stoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittskanäle 5, 6 zustande kommt.

Bei der Eindüsung des flüssigen Brennstoffes 12 über die Düse 11 wird am Ende des Vormischbrenners die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Ist die Verbrennungsluft 7 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 12 nachhaltig inner­ halb der durch die Länge des Vormischbrenners induzierten Vormischstrecke.

Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn über die Brenn­ stoffleitungen 13, 14 statt gasförmige nun flüssige Brenn­ stoffe zugeführt werden sollten.

Bei der Gestaltung der kegelförmigen Teilkörper 1, 2 hin­ sichtlich der Zunahme des Strömungsquerschnittes sowie der Breite der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 sind an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 7 am Ausgang des Vormisch­ brenners einstellen kann. Die kritische Drallzahl stellt sich am Ausgang des Vormischbrenners ein: Dort bildet sich auch eine Rückströmzone 24 (Vortex Breakdown) mit einem gegenüber der dort wirkenden Flammenfront 25 stabilisierenden Effekt, in dem Sinne, daß die Rückströmzone 24 die Funktion eines körperlosen Flammenhalters übernimmt.

Die optimale Brennstoffkonzentration über den Querschnitt wird erst im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 24 erreicht. Erst an dieser Stelle entsteht sodann eine stabile Flammenfront 25. Die flammenstabilisie­ rende Wirkung ergibt sich durch die sich im Kegelhohlraum 8 bildende Drallzahl in Strömungsrichtung entlang der Kegel­ achse. Ein Rückschlagen der Flamme in das Innere des Vor­ mischbrenners kann somit nur bei äußersten Betriebsbedingun­ gen auftreten, wobei dann die Lösung gemäß Fig. 3-6 ein­ greift.

Allgemein ist zu sagen, daß eine Minimierung der Durchfluß­ öffnung der tangentialen Lufteintrittskanäle 6, 7 prädesti­ niert ist, die Rückströmzone 24 ab Ende der Vormischstrecke zu bilden. Die Konstruktion des Vormischbrenners eignet sich des weiteren vorzüglich, die Durchflußöffnung der tangen­ tialen Lufteintrittskanäle 5, 6 nach Bedarf zu verändern, wo­ mit ohne Veränderung der Baulänge des Vormischbrenners eine relativ große betriebliche Bandbreite erfaßt werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 1, 2 auch in einer an­ deren Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Überlappung gegenüber der Lufteintrittsebene in den Kegel­ hohlraum 8 (Vgl. Fig. 2, Pos. 21) derselben im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht, bewerkstelligt werden kann. Es ist sodann auch möglich, die Teilkörper 1, 2 durch eine gegenläufige drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln.

Durch eine in diesem Vormischbrenner erreichbare homogenere Gemischbildung zwischen den eingedüsten Brennstoffen 11, 12 und der Verbrennungsluft 7 erzielt man tiefere Flammentempe­ raturen und damit tiefere Schadstoff-Emissionen, insbesondere tiefere NOx-Werte. Sodann reduzieren diese tieferen Tempera­ turen die thermische Belastung für das Material an der Bren­ nerfront und machen beispielweise eine Sonderbehandlung der Oberfläche nicht zwingend.

Was die Anzahl der Lufteintrittskanäle betrifft, so ist der Vormischbrenner nicht auf die gezeigte Anzahl beschränkt.

Eine größere Anzahl ist beispielsweise dort angezeigt, wo es darum geht, die Vorvermischung breiter anzulegen, oder die Drallzahl und somit die davon abhängige Bildung der Rück­ strömzone 24 durch eine größere Anzahl Lufteintrittskanäle entsprechend zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang wird auf EP-A2-0 704 657 verwiesen, wobei diese Druckschrift integrie­ render Bestandteil vorliegender Beschreibung ist.

Vormischbrenner der hier beschriebenen Art sind auch solche, welche zur Erzielung einer Drallströmung von einem zylindri­ schen oder quasi-zylindrischen Rohr ausgehen, die Einströmung der Verbrennungsluft ins Innere des Rohres über ebenfalls tangential angelegte Lufteintrittskanäle bewerkstelligt wird, und im Innern des Rohres einen kegelförmigen Körper mit in Strömungsrichtung abnehmendem Querschnitt angeordnet ist, wo­ mit auch mit dieser Konfiguration eine kritische Drallzahl am Ausgang des Brenners erzielbar ist.

Fig. 2 zeigt den gleichen Vormischbrenner gemäß Fig. 1, je­ doch aus einer anderen Perspektive und in vereinfachter Dar­ stellung. Diese Fig. 2 soll wesentlich dazu dienen, die Kon­ figuration dieses Vormischbrenners einwandfrei zu erfassen. Insbesondere ist in dieser Fig. 2 die Versetzung der beiden Teilkörper 1, 2 zueinander, bezogen auf die Hauptmittelachse 26 des Vormischbrenners, welche der Hauptachse der zentralen Brennstoffdüse 11 entspricht, recht gut ersichtlich. Diese Versetzung induziert an sich die Größe der Durchflußöffnun­ gen der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6. Die Mittel­ achse 3, 4 verlaufen hier parallel zueinander.

Fig. 3 ist eine schematisch gehaltene Draufsicht auf den Vor­ mischbrenner und zeigt nunmehr die Gestaltung der tangen­ tialen Lufteintrittskanäle, welche eine Stärkung der Flammen­ front gegen ein ungehindertes Rückschlagen derselben ins In­ nere des Vormischbrenners bewirkt. Die Gestaltung geht dahin, nur in einer Endphase 5a, 6a der Drallbildung im Vormischbrenner eine gleich große Durchflußöffnung der tan­ gentialen Lufteintrittskanäle vorzusehen, womit die Flammen­ front dann nicht asymmetrisch angeströmt wird. Stromaufwärts werden die tangentialen Lufteintrittskanäle, was ihre Durch­ flußöffnung anbelangt, streckenweise unterschiedlich gehal­ ten, dergestalt, daß eine Verkleinerung der Durchflußöff­ nung bei einem Streckenabschnitt 6b, 6d des einen Luftein­ trittskanals eine entsprechende Vergrößerung für den selben Streckenabschnitt 5b, 5d im gegenüberliegenden Lufteintritts­ kanal hervorruft, und umgekehrt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, wird diese wechselweise Änderung (5b gegenüber 5c ge­ genüber 5d auf der einen Seite, und 6b gegenüber 6c gegenüber 6d auf der anderen Seite) der Durchflußöffnungen stromauf­ wärts intermittierend gehalten. Somit herrscht innerhalb je­ ner gefährdeten Strecke des Vormischbrenners eine völlige, sich jedoch gegenseitig stabilisierende Drallunordnung auf der Brennerachse, welche verhindert, daß die Flammenfront ungehindert zurückschlagen kann. Für die Symmetrie-Bedürf­ nisse der Rückströmzone wird in der Endphase des Vormisch­ brenners Genüge getan. Die streckenweise unterschiedlichen Durchflußöffnungen können statisch vordisponiert werden, oder wie später unter Fig. 4-6 noch zur Erläuterung kommen wird, dynamisch nach den jeweiligen Bedürfnissen eingestellt werden. Eine fortlaufende geregelte Veränderung der Größe der Durchflußöffnung, beispielweise aufgrund eines gemessenen Wertes über die Flammenstabilität, ist auch möglich. Die An­ zahl der unterschiedlichen Abschnitte 5b-d, 6b-d, was die Durchflußöffnungen betrifft, wird von Fall zu Fall bestimmt.

Die Fig. 4-6 sind einzelne schematisch gehaltene Schnitte durch den Vormischbrenner, deren Ebenen aus Fig. 3 hervor­ geht. Fig. 4 stellt die anfängliche Strecke des Vormischbren­ ners, Fig. 5 einen intermediären Abschnitt, während Fig. 6 die Endphase des Vormischbrenners darstellt. Im letztgenann­ ten Abschnitt 5a, 6a sind die Durchflußöffnungen beider Strecken der tangentialen Lufteintrittskanäle gleich groß.

Bei Fig. 4 und 5 sind sie entsprechend verschieden groß zu­ einander (5b zu 6b, 5c zu 6c, 5d zu 6d). Die Größe der Durchflußöffnung wird hier durch bewegliche Leitbleche 27a-d und 28a-d erstellt, welche streckenweise und autonom zueinan­ der entsprechend eingestellt werden können. Es ist selbstver­ ständlich, daß diese Leitbleche strömungskonform ausgebildet sind.

Bezugszeichenliste

1

Kegelförmiger Teilkörper

2

Kegelförmiger Teilkörper

3

Mittelachse zu

1

4

Mittelachse zu

2

5

Tangentialer Lufteintrittskanal

5

a-d Streckenabschnitte des Lufteintrittskanals

6

Tangentialer Lufteintrittskanal

6

a-d Streckenabschnitte des Lufteintrittskanals

7

Verbrennungsluft

8

Kegelhohlraum, Innenraum des Brenners

9

Zylindrischer Anfangsteil des Brenners

10

Zylindrischer Anfangsteil des Brenners

11

Brennstoffdüse

12

Brennstoff, Flüssiger Brennstoff

13

Brennstoffleitung

14

Brennstoffleitung

15

Eindüsungsöffnungen einer Brennstoffleitung

13

,

14

16

Brennstoff, gasförmiger Brennstoff

17

Brennraum

18

Frontplatte

19

Bohrungen in Frontplatte

20

Luft, Mischluft, Kühlluft

21

Lufteintrittsebene

22

Brennstoffinjektionsebene

23

Brennstoffprofil

24

Rückströmzone, Rückströmblase

25

Flammenfront

26

Hauptmittelachse

27

a-d Leitbleche des entsprechenden Abschnitts

28

a-d Leitbleche des entsprechenden Abschnitts

Claims (8)

1. Vormischbrenner zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff, wobei eine Verbrennungsluft durch tangentiale Lufteintrittskanäle in eine durch die axiale Erstreckung des Vormischbren­ ners gebildete Vormischstrecke einströmt, und wobei der Vormischbrenner eine Ausgestaltung aufweist oder Mittel beinhaltet, welche eine kritische Drallzahl an dessen Ausgang induzieren, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Lufteintrittskanäle (5, 6) in einer End­ phase (5a, 6a) des Vormischbrenners für eine symmetri­ sche Drallströmung ausgestaltet sind, und daß stromauf dieser Endphase (5a, 6a) die Lufteintrittskanäle (5, 6) zueinander über mindestens eine Strecke eine unter­ schiedliche Durchflußöffnung (5b, 6b; 5c, 6c, 5d, 6d) zur Erzeugung einer asymmetrischen Drallströmung aufwei­ sen.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormischbrenner aus mindestens zwei hohlen, ke­ gelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtel­ ten Teilkörpern (1, 2) besteht, daß die Mittelachsen (3, 4) dieser Teilkörper (1, 29) zueinander versetzt verlaufen, daß die benachbarten Wandungen der Teilkör­ per (1, 2) tangentiale Lufteintrittskanäle (5, 6) für eine Verbrennungsluft (7) bilden, und daß der Vormisch­ brenner mit mindestens einer Brennstoffdüse (11, 15) be­ treibbar ist.

3. Vormischbrenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß stromauf der Endphase (5a, 6a) je­ weils auf eine Teilstrecke (5b) mit einer größeren Durchflußöffnung gegenüber derjenigen der Endphase (5a, 6a) eine solche (5c) mit einer kleineren Durchflußöff­ nung folgt, und daß sich die Größe der Durchflußöff­ nungen bei den entsprechenden Teilstrecken (6b, 6c) im entgegengesetzten Lufteintrittskanal umgekehrt verhal­ ten.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (11) kopfseitig und auf der Brennerachse (26) angeordnet ist.

5. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle (5, 6) in Längserstreckung des Vormischbrenners eine Anzahl von zueinander beabstandeten Brennstoffdüsen (15) ange­ ordnet sind.

6. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelhohlraum (8) in Strömungsrichtung gleich­ förmig zunimmt.

7. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelhohlraum (8) in Strömungsrichtung einen Diffusor, einen diffusorähnlichen Verlauf, einen Konfu­ sor, einen konfusorähnlichen Verlauf bildet.

8. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (1, 2) spiralförmig ineinander ge­ schachtelt sind.