DE4033710A1 - Brenner fuer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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

Technisches Gebiet und Stand der Technik

Bei Gasturbinenbrennern, die mit einer Wasser- und/oder Dampf-Einspritzung zur Verminderung der NO_x-Emissionen ausge­ rüstet sind, ist die latente Gefahr vorhanden, daß die Ein­ führung dieser Medien nachteilige Wirkungen auf die CO- und UHC-Emissionen erzeugen können. Dies hängt im wesentlichen mit der Schwierigkeit zusammen, daß die zur Minimierung der NO_x-Emissionen in den Brennprozeß eingeführten Medien nicht optimal in die brennstoffreichen Zonen gelangen, sobald die eingebrachten Medien aus technischen Gründen nicht optimal einwirken können, behilft man sich, dadurch, daß die ent­ sprechende Menge gesteigert wird, was sich wiederum kon­ traproduktiv auf die CO- und UHC-Emissionen auswirkt.

Aufgabe der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.

Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einem Brenner der eingangs ge­ nannten Art eine optimale Zuführung von Hilfsmedien zur Mini­ mierung der NO_x-Emissionen in die brennstoffreichen Zonen op­ timal zu gestalten.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die dem Brenner vorgeschaltete Wasserzerstäubung, über eine entsprechende Vorkehrung, zu einer gleichförmigen Ver­ teilung möglichst feiner Tröpfchen führt. Dabei wird auch er­ reicht, daß die Aufenthaltszeit der Tröpfchen in der dem Brenner vorgelagerten Konfiguration, von der Form einer Was­ serverdampfungsbüchse, und daß die Relativgeschwindigkeit der Tröpfchen und der Luftströmung maximiert werden. Damit ist sichergestellt, daß der Brennraum, bei Einsatz von Was­ ser, mit einem vollständig verdampften Massenstrom beauf­ schlagt wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich im Zusammen­ hang dieser Wasserverdampfungsbüchse, welche am Ende in Strö­ mungsrichtung mit einer geeigneten trichterförmigen Ausbil­ dung versehen ist: Wenn der Abstand der trichterförmigen Aus­ bildung der Wasserverdampfungsbüchse zum Brenner so gewählt wird, daß dieser im Bereich der genannten Büchse nicht nen­ nenswert angedrosselt ist, ergeben sich optimale kleinstmög­ liche Mengen an Wasser resp. Wasserdampf, womit diese Beauf­ schlagung effizient gestaltet ist.

Die erfinderische Wasserverdampfungsbüchse ermöglicht des weiteren, daß der vom Brenner erzeugte Druckabfall über die Büchse noch ausreichend groß ist, daß sich damit ein defi­ nierter Luftmassenstrom durch eben diese Büchse einstellt.

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

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung schematisch dargestellt und näher erläu­ tert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strö­ mungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

In den verschiedenen Figuren sind jeweils gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Brenner ohne Vormischstrecke mit einer vorgela­ gerten Wasserverdampfungsbüchse und

Fig. 2 eine Wassereinspritzungskonfiguration.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine Konfiguration, welche aus einem Brenner 1 und einer Wasserverdampfungsbüchse 2 besteht. Im Falle des Brenners 1 handelt es sich um einen solchen ohne Vormisch­ strecke, wie er in EP-A1-03 21 809 beschrieben wird. Die Aus­ gestaltung der hiesigen Wasserverdampfungsbüchse 2 ist auch diesem Brenner, der in obengenannter Druckschrift als "Doppelkegelbrenner" benannt ist, angepaßt. Über die Funkti­ onsweise und spezielle Ausgestaltung dieses Doppelkegelbren­ ners wird auf die Druckschrift EP-A1-03 21 809 verwiesen. Selbstverständlich können auch andere Brennerarten zum Ein­ satz kommen. Lediglich bezüglich des trichterförmigen Einzugs 3 der Wasserverdampfungsbüchse 2 müßte jeweils eine entspre­ chende Anpassung vorgesehen werden. Es bleibt noch anzumer­ ken, daß es für die nachfolgenden Ausführungen unerheblich ist, mit welcher Art von Brennstoff der Brenner betrieben wird, d. h., ob es sich um einen gasförmigen und/oder flüssi­ gen Brennstoff handelt. Vorliegend geht es primär darum, eine vorzunehmende Zuführung von Wasser/Dampf in den Brennraum des jeweiligen Brenners optimal zu gestalten, d. h., das einzu­ bringende Wasser/Dampf möglichst in die brennstoffreichen Zo­ nen einzuleiten resp. einzulenken, dort wo die größte Gefahr für die Bildung von NO_x besteht, die aufgabengemäß zu mini­ mieren gilt, ohne daß damit im Gegenzug ein Mehr an CO- und UHC-Emissionen entstehen können. Selbstverständlich ist es so, daß eine Wassereinspritzung besonders gute Dienste bei einer Druckölzerstäubung leistet. Eine Brennstofflanze 4 er­ streckt sich über die Länge der Wasserverdampfungsbüchse 2 und mündet in den Doppelkegelbrenner 1. Nebenbei sei hier er­ wähnt, daß diese Brennstofflanze 4 in Abströmungsrichtung der Düse in der Druckschrift EP-A1-03 21 809 entspricht. Die sich aus der Brennstofflanze 4 in Strömungsrichtung sich aus­ breitende kegelförmige Brennstoffsäule 5 wird von einem tan­ gential in den Brenner 1 einströmenden rotierenden Verbren­ nungsluftstrom 6, der in Fig. 1 nur schematisch angedeutet ist, umschlossen. Der Doppelkegelbrenner selbst besteht aus zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern, welche in Strömungsrichtung eine stetig zunehmende Kegelnei­ gung aufweisen. Diese Teilkegelkörper sind auch zueinander so versetzt, daß sich tangentiale Lufteintrittsschlitze bilden, durch welche die genannte Verbrennungsluft 6 in den Brenner einströmt. Was das Verfahren bezüglich einer vermischartigen Verbrennung, beispielsweise eines flüssigen Brennstoffes, an­ belangt, wird auf die Ausführungen in der Druckschrift EP-A1- 03 21 809 verwiesen. Die Brennstofflanze 4 führt beispiels­ weise über eine interne koaxiale Führung Wasser mit. In einem Abstand zum Eintritt des Brenners wird diese Wasserströmung 9 nach außen geführt, und dort im Gegenstrom mit einer Luft­ strömung 7 durch die Büchse 2 vermischt. Diese Wasserzerstäu­ bung wird durch eine Konfiguration A und B erreicht, welche in Fig. 2 näher beschrieben wird. Geht man davon aus, daß die herangeführte Luft 7 ca. 400°C warm ist, ergibt sich, einer gleichförmigen und intensiven Wasserzerstäubung voraus­ gesetzt, ein Wasser/Luft-Gemisch 8 in Form eines Sattdampfes, der ein optimales Beaufschlagungsmedium für den Brenner dar­ stellt. Allgemein läßt sich sagen, daß eine optimale Was­ serzerstäubung dann erreichbar ist, wenn die Aufenthaltszeit der Tröpfchen in der Wasserverdampfungsbüchse 2 möglichst lang ist, und die Relativgeschwindigkeit der Tröpfchen und der Luftströmung 7 möglichst groß ist. Von daher ist auf die postulierte Gegenstromeindüsung des Wassers zurückzugreifen, welche den beiden genannten Voraussetzungen am besten entge­ genkommt. Das Wasser/Luft-Gemisch 8 (= Sattdampf) ummantelt in Strömungsrichtung die Brennstoffsäule 5 zylindrisch dre­ hend, dergestalt, daß es etwa auf Höhe des Flammenfrontes auf die sich kegelförmig ausbreitende Brennstoffsäule 5 auf­ trifft, womit eine ideale Einwirkung des Gemisches 8 auf die brennstoffreichen Zonen gelingt. Je nach dem, wie weit die Wasserverdampfungsbüchse 2 in den Brenner 1 eingeschoben wird, ändert sich die Verdampfungsstrecke des Gemisches 8 ab Ausgang A und B bis zu einem Auftreffen auf die Brennstoff­ säule 5. Damit ist zugleich gesagt, daß sowohl der Verdam­ pfungsgrund des Gemisches 8, als auch sein Auftreffen auf die Brennstoffsäule 5 resp. auf die Flammenfront individuell und optimal, auch in Relation zum Verdampfungsgrad des Brennstof­ fes, ausgestaltet werden kann.

Fig. 2 zeigt eine Wassereinspritzung, welche gegenstrommäßig ausgebildet ist. Das Wasser durchströmt, aus der Brenn­ stofflanze 4 heraus, in Strömungsrichtung eine Anzahl Bohrun­ gen 10 einer ersten radialen Scheibe A. Abströmungsseitig dieser Scheibe A befindet sich eine zweite Scheibe B, welche ebengleiche Vertiefungen 11 zu den Bohrungen 10 aufweist. Diese Vertiefungen sind so ausgebildet, daß der dort über die Bohrungen 10 auftreffende Wasserstrahl umgelenkt und in einem Winkel gegen die Luftströmung 7 geschossen wird. Durch den Aufprall auf die Vertiefungen 11, durch die Umlenkung ge­ gen die Strömungsrichtung der Luftströmung 7, durch den Auf­ prall auf die Luftströmung 7 selbst und durch die sich hier­ aus ergebende größtmögliche Relativgeschwindigkeit der beiden Medien wird jene postulierte Tröpfchen-Verteilung er­ reicht.

Claims (6)

1. Brenner für Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brenner (1) eine luftführende Wasserverdam­ pfungsbüchse (2) vorgeschaltet ist, welche mit dem Bren­ ner (1) kommuniziert, wobei das in die Wasserverdam­ pfungsbüchse (2) eingespritzte Wasser (9) gegen die Strö­ mung der Luft (7) in der Büchse (2) gerichtet ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (1) ein Brenner ohne Vormischstrecke ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (1) aus mindestens zwei aufeinander positionier­ ten hohlen Teilkegelkörpern mit in Strömungsrichtung der Teilkegelkörper zueinander versetzt verlaufen, wobei im Innenraum des von den Teilkegelkörpern gebildeten kegel­ förmigen Innenraumes am Brennerkopf eine Brennstofflanze (4) plaziert ist, deren Brennstoffeindüsung mittig der zueinander versetzten Mittelachsen der Teilkegelkörper liegt, und wobei durch die Versetzung der Teilkegelkörper in achsialer Richtung des Brenners (1) Lufteintritts­ schlitze in den Innenraum des Brenners (1) entstehen.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Lufteintrittsschlitze weitere Brennstoffdüsen vorhanden sind.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Gasturbine ist.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingespritzte Wasser (9) in die Wasserverdampfungsbüchse (2) durch mechanische Mittel (A, B) umlenkbar ist.