DE19737998A1 - Brennervorrichtung - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Brennervorrichtung nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.

Stand der Technik

Bei der Konzeption von modernen Verbrennungsanlagen, insbesondere Gasturbi­ nenanlagen, spielen wirtschaftliche und umwelttechnische Gesichtspunkte eine zunehmend bedeutende Rolle. In diesem Zusammenhang ist man bestrebt, die Einzelkomponenten einer Gasturbinenanlage, in denen Energie umgesetzt wird, in ihren Eigenschaften der Energieumzusetzung in Hinblick auf Schonung natürlicher Ressourcen und insbesondere unter Vermeidung hoher Emissionswerte zu opti­ mieren.

Das Herzstück der Energieumwandlung bildet bei Gasturbinenanlagen die Bren­ nervorrichtung, in der Gas- und/oder flüssiger Brennstoff mit vorverdichteter Luft gemischt und zur Zündung gebracht wird. Die Brennervorrichtungen bestehen üb­ licherweise aus einem Drallerzeuger, durch den die Verbrennungsluft verwirbelt wird, einer Vorrichtung zur Eindüsung von Brennstoff und einer stromabwärts an­ schließenden Brennkammer, in der das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Die Verbrennung des in Luft zerstäubten Brennstoffes soll dabei möglichst voll­ ständig erfolgen, so daß der gesamte Brennstoff unter Entwicklung möglichst ho­ her Temperaturen verbrennt. Zum einen trägt eine möglichst restlose Verbren­ nung des Brennstoffes zu einer optimalen Energieumsetzung bei, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Gasturbinenanlage wesentlich bestimmt wird, zum anderen können bei möglichst hohen Verbrennungstemperaturen die Emissions­ gase NO_x sowie CO₂-Gase erheblich reduziert werden, wodurch die Umweltbela­ stung entscheidend positiv beeinflußt werden kann.

Neben der Optimierung von Brennervorrichtungen, die eine möglichst homogene Brennstoffzerstäubung und somit eine gleichmäßige Verbrennung bewirken, kommt es insbesondere beim Betrieb moderner Brennervorrichtungen, wie sie beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 321 809 B1 beschrieben sind, darauf an, daß die komprimierte Luft im den Drallerzeuger umgebenden Plenum der Brennereinrichtung möglichst in einem ungestörten Luftstrom frei von Turbulenzen und in gerichteter Weise zur Verfügung steht. Moderne Brennervor­ richtungen, wie sie aus der vorstehend zitierten Druckschrift zu entnehmen sind, weisen beispielsweise einen konischen Drallerzeuger/Brenner auf, der längs zu seiner Konusaußenseite schmale Einlaßschlitze vorgesehen hat, durch die der für die Vermischung von Brennstoff und Luft erforderliche Luftstrom einzukoppeln ist.

Anhand der den Stand der Technik darstellenden Fig. 1a und 1b sollen die Probleme aufgezeigt werden, die mit der Strömungsführung innerhalb eines Ple­ nums verbunden sind, in die ein Luftstrom möglichst turbulenzfrei in Einlaßöffnungen eines im Plenum vorgesehenen Brenners gerichtet werden soll.

In Fig. 1a ist ein Gehäuse G dargestellt, in das über Einlaßöffnungen 4, 5 Gasströme 1, 2 eingeblasen werden. In einem Staupunkt A der beiden Gasströme 1, 2, im folgenden Teilstrahlen genannt, verschwindet die Geschwindigkeit im sta­ tistischen Mittel. Außerdem erreichen die Grenzstromlinien der beiden Teilstrah­ len 1, 2, die durch den Staupunkt A verlaufen, an dieser Stelle den gleichen stati­ schen Druck. Aus diesen Gründen muß auch der Gesamtdruck auf beiden Grenzstromlinien gleich sein. In der Regel erfahren die beiden Teilstrahlen 1, 2 auf ihrem Weg vom Verdichterdiffusor, durchs Kühlsystem der Brennkammer bis zur Lufthaube/Plenum der Brennkammer unterschiedliche Reibungsverluste, weil die Eintrittsgeschwindigkeiten in das Plenum 6 der Brennkammer nicht genau gleich sind. Aus diesem Grund weisen die Teilstrahlen 1, 2 unterschiedliche To­ taldrücke auf. Durch den Totaldruckunterschied der beiden Teilstrahlen 1, 2 ver­ schiebt sich der Staupunkt A der zwei Teilstrahlen zwingend (wie in Fig. 1b darge­ stellt) in unmittelbare Nähe der Einlaßöffnung des Teilstrahles mit dem kleineren Totaldruck.

Aufgrund der vorstehend geschilderten, strömungsimmanenten Eigenschaften von mehreren, in das Innere eines Gehäuses eingebrachten Gasströmungen zu deren gegenseitigen Vermischung bzw. Vereinigung, wird die in Fig. 1b im Idealfall dargestellte Luftversorgung eines Brenners 9, der innerhalb eines Plenums 6 an­ geordnet ist, stark beeinträchtigt.

Das Plenum 6 ist umgeben von einer Gehäusewand G und weist an der linken Seite zwei Einlaßöffnungen 4, 5 für zwei Gasströme 1, 2 auf, die entlang der Ge­ häuseinnenwand 3 in das Innere des Plenums 6 geleitet werden. Die Gasströme 1, 2 treffen in einem, um den Auftreffpunkt A befindlichen Bereich zusammen, von dem aus ein gemeinsamer, freier Gasstrom 7 in das Innere des Plenums 6 ent­ steht. Im Idealfall sollte der gemeinsame, freie Gasstrom 7 in eine spaltförmige Einlaßöffnung 8 des Brenners 9 eintreten und dort mit gasförmigen und/oder flüssigem Brennstoff vermischt und in einer Brennkammer 15 zur Zündung ge­ bracht werden.

Aufgrund der vorstehenden Strömungseffekte bildet sich jedoch der gemeinsame, freie Gasstrom nicht zu einer ungestörten, einheitlich Strömung aus, sondern un­ terliegt einer unsteten relativ zur Einlaßöffnung 8 des Brenners lateralen Bewe­ gung und weist überdies sehr starke turbulente Strömungsanteile auf. Dies jedoch führt in der Regel zu starken Beeinträchtigungen der aerodynamischen Eigen­ schaften des Brenners 9, die dich nicht zuletzt auf eine schlechte Verbrennung auswirken, wodurch die Emissionswerte des Brenners erheblich verschlechtert werden. Ebenso kann es in Verbindung mit Turbulenzeffekten innerhalb des Brenners, die durch den gemeinsamen eintretenden Gasstrom 7 initiiert werden, zu Rückzündeffekten kommen, die zum Erlöschen der Brennflamme oder zu Überhitzungen führen können.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennervorrichtung der ein­ gangs genannten Art diese derart weiterzubilden, daß der Drallerzeuger/Bren­ ner in jedem Betriebszustand homogen angeströmt wird.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.

Kern der Erfindung ist es also, daß stromaufwärts des Drallerzeugers ein Strö­ mungsgleichrichter zur Gleichrichtung der Zuströmung zum Drallerzeuger ange­ ordnet ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß die Zuströ­ mung zum Brenner mit geringen Druckverlusten homogenisiert wird. Dadurch kann der Schadstoffausstoß durch eine homogene Gemischausbildung in der Brennzone minimiert werden. Das Risiko von Flammenrückschlägen wird mini­ miert und Pulsationen der Flamme vermieden. Dies insbesondere, da der Strö­ mungsgleichrichter auch als dämpfendes Element wirkt, das Druckschwankungen/Pulsa­ tionen bei der Verbrennungsluftzufuhr ausgleicht. Ein solcher Strömungs­ gleichrichter eignet sich auch hervorragend zur Nachrüstung in bereits bestehen­ den Brennervorrichtungen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen und der Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch darge­ stellt.

Es zeigen:

Fig. 1a Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Ausbreitungsverhaltens zweier in einem Gehäuse geführten Gasströme,

Fig. 1b Querschnittsdarstellung durch ein Plenum mit idealen Strömungsverhält­ nissen,

Fig. 2 einen Brenner mit einem Strömungsgleichrichter;

Fig. 3 einen Brenner mit einem Strömungsgleichrichter und mit anschließender Brennkammer;

Fig. 4 einen Drallerzeuger in perspektivischer Darstellung, entsprechend auf­ geschnitten;

Fig. 5 einen Schnitt durch den 2-Schalen-Drallerzeuger, nach Fig. 4;

Fig. 6 einen Schnitt durch einen 4-Schalen-Drallerzeuger;

Fig. 7 einen Schnitt durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind;

Fig. 8 eine Darstellung der Form der Übergangsgeometrie zwischen Draller­ zeuger und Mischrohr.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nach Fig. 2 wird, zur Vermeidung einer unsteten, relativ zur Einlaßöffnung 8 des Brenners lateralen Bewegung der zuströmenden Verbrennungsluft und turbulenter Strömungsanteile, um den Drallerzeuger/Brenner ein Strömungsgleichrichter 18 angeordnet. Dieser Strömungsgleichrichter 18 besteht im wesentlichen aus einer Lochblechhaube 12 und eventuell aus Abschlußflanschen, beispielsweise aus einem oberen Abschlußflansch 11 und einem unteren Abschlußflansch 10. Der obere Abschlußflansch kann ebenfalls belocht sein. Der Strömungsgleichrichter 18 umschließt den Drallerzeuger, so daß die in den Drallerzeuger einströmende Luft durch den Strömungsgleichrichter 18 hindurchströmen muß.

Durch den Strömungsgleichrichter 18 werden Ungleichverteilungen der Anströ­ mung des Brenners ausgeglichen und der in die Einlaßöffnung 8 eintretende Gasstrom 7 weitgehend homogenisiert. Durch die hier gezeigte Ausgestaltung der Lochblechhaube 12 und der Abschlußflansche wird zudem ein leichter Einbau in bestehende Brennerkonfigurationen ermöglicht, da der größte Außendurchmes­ ser des Strömungsgleichrichters 18 dem größten Außendurchmesser des Bren­ ners entspricht.

Der Strömungsgleichrichter 18 weist eine Öffnungsfläche 17 auf, die in ihrem Verhältnis zu einer Eintrittsfläche 19 des Brenners die Charakteristik des Strö­ mungsgleichrichters 18 benimmt. Die Eintrittsfläche 19 wird durch die Fläche der Einlaßöffnungen des Brenners bestimmt. Die Öffnungsfläche 17 des Strö­ mungsgleichrichters wird größer gewählt als die Eintrittsfläche 19 des Brenners. Dadurch werden Druckverluste am Strömungsgleichrichter möglichst klein gehal­ ten. Die Öffnungsfläche 17 des Strömungsgleichrichters darf aber nicht beliebig größer gewählt als die Eintrittsfläche 19 des Brenners, da sonst der Strömungs­ gleichrichters die Gasströme nicht mehr homogenisiert. Bei einem Verhältnis von Öffnungsfläche 17 zu Eintrittsfläche 19 von größer gleich drei (Öffnungsfläche/Eintrittsfläche ≧ 3) liegen die Verluste unterhalb 15%. Bei einem Verhältnis von Öffnungsfläche 17 zu Eintrittsfläche 19 von größer sechs (Öffnungsfläche/Eintrittsfläche < 6) liegen die Verluste unterhalb 5%. Ein besonders bevorzugter Bereich von Öffnungsfläche 17 zu Eintrittsfläche 19 liegt deshalb im Bereich von drei bis sechs, da hier die Verluste relativ gering sind und trotzdem eine ausge­ zeichnete Homogenisierung der Anströmung des Brenners erreicht wird. Der Strömungsgleichrichter 18 dient zusätzlich als dämpfendes Element, welches Pulsationen/Druckschwankungen aus der Luftzuführung zum Brenner, bei­ spielsweise vom Verdichter, ausgleicht.

Fig. 3 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners mit einem Strömungsgleichrichter 18. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100 wirksam, dessen Ausgestaltung in den nachfolgenden Fig. 4-7 noch näher gezeigt und beschrieben wird. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100 um ein kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von einem tangential einströmenden und durch den Strömungsgleich­ richter 18 gleichgerichteten Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich hierein bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Übergangsgeometrie nahtlos in ein Übergangsstück 200 über­ geleitet, dergestalt, daß dort keine Ablösungsgebiete auftreten können. Die Kon­ figuration dieser Übergangsgeometrie wird unter Fig. 8 näher beschrieben. Die­ ses Übergangsstück 200 ist abströmungsseitig der Übergangsgeometrie durch ein Rohr 20 verlängert, wobei beide Teile das eigentliche Mischrohr 220 des Brenners bilden. Selbstverständlich kann das Mischrohr 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d. h. dann, daß das Übergangsstück 200 und Rohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmolzen sind, wobei die Charakteri­ stiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Abströmungsseitig des Rohres 20 befin­ det sich die eigentliche Brennkammer 30, welche hier lediglich durch das Flamm­ rohr versinnbildlicht ist. Das Mischrohr 220 erfüllt die Bedingung, daß stromab des Drallerzeugers 100 eine definierte Mischstrecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 220, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so daß sich auch in Wirkverbindung mit der Übergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluß ausgeübt werden kann. Dieses Mischrohres 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 Rückzün­ dung der Flamme aus der Brennkammer nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, daß bei einer solchen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Misch­ rohr 220 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl regelmäßig oder unregelmäßig verteilten Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Rich­ tungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 220 strömt, und entlang der Wand eine Erhöhung der Geschwindigkeit indiziert. Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, daß der Durchflußquerschnitt des Mischrohres 220 abströmungsseitig der Übergangskanäle 201, welche die bereits genannten Übergangsgeometrie bilden, eine Ver­ engung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 220 angehoben wird. In der Figur entspricht der Auslauf der Übergangskanäle 201 dem engsten Durchflußquerschnitt des Mischrohres 220. Die genannten Übergangskanäle 201 überbrücken demnach den jeweiligen Quer­ schnittsunterschied, ohne dabei die gebildete Strömung negativ 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 Rück­ strömzone 50, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmäßige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone 50. Stirnseitig weist die Brennkammer 30 eine Anzahl Öffnungen 31 auf, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnitts­ sprung strömt, und dort unteren anderen dazu beiträgt daß die Ringstabilisation der Rückströmzone 50 gestärkt wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, daß die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 50 auch eine ausreichend hohe Drallzahl in einem Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so kön­ nen stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströ­ mungen 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.

Um den Aufbau des Drallerzeugers 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 4 mindestens Fig. 5 herangezogen wird. Des weiteren, um diese Fig. 4 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Fig. 3 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise auf­ genommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 4 nach Be­ darf auf die genannten Figuren hingewiesen.

Der erste Teil des Brenners nach Fig. 3 bildet den nach Fig. 4 gezeigten Draller­ zeuger 100. Dieser besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Anzahl der kegelförmi­ gen 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 Betreibungsart des ganzen Brenners ab. Es ist bei be­ stimmten Betriebskonstellationen nicht ausgeschlossen, einen aus einer einzigen Spirale bestehenden Drallerzeuger vorzusehen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 201b, 202b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Kanal, d. h. einen Lufteintrittsschlitz 119, 120 (Fig. 5), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Drallerzeu­ gers 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 Betriebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelnei­ gung aufweisen, ähnlich einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten 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 Teilkör­ pern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so daß die tangentialen Luftein­ trittsschlitze 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 Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebil­ deten Kegelhohlraumes 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. Selbstverständlich kann der Drallerzeuger 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 ent­ lang der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Ein­ düsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmi­ ger 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 Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Bei dem durch die Düse 103 herangeführ­ ten Brennstoff 112 handelt es sich, wie erwähnt, 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 Kegel­ hohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffspray 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbren­ nungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbren­ nungsluft 115 zu einer Vermischung Richtung Verdampfung abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 113 über die Öffnungsdüsen 117 eingebracht, geschieht die Bildung des Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 119, 120. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt, oder beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas oder Abgas angereichert, so unterstützt dies nachhaltig die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112, bevor dieses Ge­ misch 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 Ke­ gelwinkels und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 am Ausgang des Drallerzeugers 100 einstellen kann. All­ gemein ist zu sagen, daß eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die schnellere Bildung einer Rückströmzone bereits im Bereich des Drallerzeugers begünstigt. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Drallerzeugers 100 läßt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Eine entsprechende Drallerzeugung verhin­ dert die Bildung von Strömungsablösungen innerhalb des dem Drallerzeuger 100 nachgeschalteten Mischrohr. Die Konstruktion des Drallerzeugers 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Drallerzeugers 100 ei­ ne relativ große betriebliche Bandbreite erfaßt werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 101, 102 auch in einer anderen Ebene zueinander verschieb­ bar, wodurch sogar eine Überlappung derselben vorgesehen werden kann. Es ist des weiteren möglich, die Teilkörper 101, 102 durch eine gegenläufig drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln. 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 Bau­ länge universell einsetzbar ist.

Aus Fig. 5 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströ­ mungsrichtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisie­ rung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Öffnen bzw. Schließen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts die­ ses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgröße der tangen­ tialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 dynamisch verändert werden soll. Selbstver­ ständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen wer­ den, indem 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. 6 zeigt gegenüber Fig. 5, daß der Drallerzeuger 100 nunmehr aus vier Teil­ körpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrie­ achsen zu jedem Teilkörper sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Konfiguration ist zu sagen, daß sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringe­ ren Drallstärke und im Zusammenwirken mit einer entsprechend vergrößerten Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungssei­ tig des Drallerzeugers im Mischrohr zu verhindern, womit das Mischrohr die ihm zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.

Fig. 7 unterscheidet sich gegenüber Fig. 6 insoweit, als hier die Teilkörper 140, 141, 142, 143 eine Schaufelprofilform haben, welche zur Bereitstellung einer ge­ wissen Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Draller­ zeugers die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Ver­ brennungsluftstromes 115 geschieht aus dem Innern der Schaufelprofile heraus, d. h. die Brennstoffleitung 108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert. Auch hier sind die Längssymmetrieachsen zu den einzelnen Teilkörpern mit der Buchstabe a gekennzeichnet.

Fig. 8 zeigt das Übergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Übergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100 mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 6 oder 5, aufgebaut. Dementsprechend weist die Übergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper vier Übergangskanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche der genannten Teilkörper verlän­ gert wird, bis sie die Wand des Rohres 20 resp. des Mischrohres 220 schneidet. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem an­ deren Prinzip, als den unter Fig. 4 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung verlaufende Fläche der einzelnen Übergangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, daß sich vorlie­ gend der Durchflußquerschnitt des Übergangsstückes 200 in Strömungsrich­ tung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Übergangskanäle 201 in Strömungs­ richtung ist so gewählt, daß der Rohrströmung anschließend bis zum Quer­ schnittssprung am Brennkammereintritt noch eine genügend große Strecke ver­ bleibt, um eine perfekte Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerk­ stelligen. Ferner erhöht sich durch die oben genannten Maßnahmen auch die Axialgeschwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeugers. Die Übergangsgeometrie und die Maßnahmen im Bereich des Mischrohres bewirken eine deutliche Steigerung des Axialgeschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt des Mischrohres hin, so daß der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegen­ gewirkt wird.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Geometrie des Strömungsgleichrichters kann anders gewählt werden als dargestellt. So kann die Geometrie der Loch­ blechhaube und der Flansche sowie die Eintrittsöffnungen der Lochblechhaube verschiedenartig ausgebildet sein.

Bezugszeichenliste

1

Gasstrom

2

Gasstrom

3

Gehäuseinnenwand

4

Einspritzdüse, Einlaßöffnung

5

Einsspritzdüse, Einlaßöffnung

6

Plenum

7

Gemeinsamer bzw. freier Gasstrom

8

Einlaßöffnung

9

Drallerzeuger/Brenner

10

Unterer Abschlußflansch

11

Oberer Abschlußflansch

12

Lochblechhaube

15

Brennkammer

17

Öffnungsfläche

18

Strömungsgleichrichter

19

Einrittsfläche Brenner

20

Rohr

21

Bohrungen, Öffnungen

30

Brennkammer

31

Öffnungen

40

Strömung, Rohrströmung im Mischrohr

50

Rückströmzone

100

Drallerzeuger

101

Teilkörper

102

Teilkörper

101

a Zylindrische Anfangsteile

102

b Zylindrische Anfangsteile

101

b Längssymmetrieachsen

102

b Längssymmetrieachsen

103

Brennstoffdüse

104

Brennstoffeindüsung

105

Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)

108

Brennstoffleitungen

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

121

a,

121

b Leitbleche

123

Drehpunkt der Leitbleche

130

,

131

,

132

,

133

Teilkörper

131

a,

131

a,

132

a,

133

a Längssymmetrieachsen

140

,

141

,

142

,

143

Schaufelprofilförmige Teilkörper

140

a,

141

a,

142

a,

143

a Längssymmetrieachsen

200

Übergangsstück

201

Übergangskanäle

220

Mischrohr
A Staupunkt
G Gehäuse, Plenumgehäuse

Claims (8)

1. Brennervorrichtung, umfassend einen Drallerzeuger (9, 100) für einen Ver­ brennungsluftstrom (1, 2, 115) und eine stromabwärts des Drallerzeugers (9, 100) angeordnete Brennkammer (15), dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts des Drallerzeugers (9, 100) ein Strömungsgleichrichter (18) zur Gleichrichtung der Zuströmung zum Drallerzeuger (9, 100) ange­ ordnet ist.

2. Brennervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsfläche (17) des Strömungsgleichrichters (18) größer als die Eintrittsfläche (19) des Drallerzeugers (9, 100) ist.

3. Brennervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Öffnungsfläche (17) zu Eintrittsfläche (19) größer gleich drei (Öffnungsfläche/Eintrittsfläche ≧ 3) ist.

4. Brennervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Öffnungsfläche (17) zu Eintrittsfläche (19) im Be­ reich von drei bis sechs liegt (6 ≧ Öffnungsfläche/Eintrittsfläche ≧ 3).

5. Brennervorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsgleichrichter (18) aus einer Lochblechhaube (12) be­ steht.

6. Brennervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Lochblechhaube (12) Abschlußflansche (10, 11) angeordnet sind.

7. Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallerzeuger (9) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102; 130, 131, 132, 133; 140, 141, 142, 143) besteht, daß die jeweiligen Längs­ symmetrieachsen (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 Verbrennungsluftstromes (115) bil­ den, und daß im von den Teilkörpern gebildeten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) angeordnet ist.

8. Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß stromab des Drallerzeugers (100) eine Mischstrecke (220) angeordnet ist, daß die Mischstrecke (220) stromab des Drallerzeugers (100) inner­ halb eines ersten Streckenteils (200) in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle (201) zur Überführung einer im Drallerzeuger (100) gebildeten Strömung (40) in den stromab der Einströmungskanäle (201) nachgeschalteten Durchflußquerschnitt (20) der Mischstrecke (220) auf­ weist.