DE4426353A1 - Brenner - Google Patents

Description

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

Stand der Technik

Aus EP 0 321 809 A1 ist ein Vormischbrenner von doppelkegeli­ ger Bauart bekanntgeworden, der im wesentlichen aus zwei hoh­ len, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschach­ telten Teilkörpern besteht, deren jeweilige Längssymmetrie­ achsen gegeneinander versetzt verlaufen. Diese gegeneinander verlaufende Versetzung bildet entlang benachbarter Wandungen der Teilkörper in Längserstreckung tangentiale Kanäle oder Lufteintrittsschlitze, durch welche ein Verbrennungsluftstrom in den Kegelhohlraum strömt. In diesem Kegelhohlraum ist min­ destens eine Brennstoffdüse untergebracht. Dieser Brenner stellt gegenüber den vorgängigen Stand der Technik betreffend Flammenstabilisierung, Wirkungsgrad und Schadstoff-Emissionen einen Qualitätssprung dar. Indessen, wenn der Lastbereich ei­ nes solchen Brenners, beispielsweise bei einem modulierten Betrieb, verändert werden muß, kann es bei bestimmten Rand­ bedingungen vorkommen, daß die an sich stabile Flammenfront stromauf wandert und sich an einem für den Brenner selbst so­ wie für die Emissionsbildung schlechten Ort stabilisiert. Daraus ergeben sich Probleme, welche die Überhitzung des Brenners, eine Verschlechterung der Schadstoff-Emissionen und das Auftreten von Pulsationen implizieren. Bei einer solchen Konstellation ist es zwangsläufig vorgegeben, daß der mögli­ che Lastbereich eingeschränkt 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 Vorkeh­ rungen vorzuschlagen, welche eine Flammenstabilität auch in transientem Lastbereich gewährleistet.

Gegenüber dem Standard-Brenner erfährt die Geometrie der tan­ gentialen Kanäle eine Änderung: Diese verlaufen in Strö­ mungsrichtung zum Brenneraustritt hin konisch, wobei der Durchflußquerschnitt vom Brenneraustritt aus stromaufwärts zunimmt. Durch diese Maßnahme erfährt die Drallzahl, welche das Verhältnis zwischen den tangentialen und axialen Ge­ schwindigkeitskomponenten definiert, entlang der tangentialen Kanäle gegenüber einem gleichmäßigen Durchflußquerschnitt einen steileren Verlauf. Um die Flamme sicher am Brenneraus­ tritt zu stabilisieren, weist dort der Durchflußquerschnitt die ursprüngliche Größe auf, die üblicherweise zugrundege­ legt wird.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß damit eine bessere Flammenstabilität über den ganzen Lastbereich, insbesondere im unteren Lastbereich zu erzielen ist. Sobald die Flammenfront 100%ig stabil bleibt, ist eine mögliche Überhitzung des Brenners durch Wanderung der Flamme stromaufwärts nicht mehr zu befürchten.

Diese Flammenstabilität am optimalen Ort sichert auch eine Minimierung sämtlicher Schadstoff-Emissionen, insbesondere was den NOx-, UHC- (= ungesättigte Kohlen-Wasserstoffe) und CO-Ausstoß betrifft, zu.

Durch diese maximierte Flammenstabilisation wird der Brenner auch weniger anfällig auf Schwingungen, welche beispielsweise durch Verbrennungsprozesse angeregt über das Brennraum- und Kamin-System verstärkt werden können.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine Einschränkung des Lastbereiches nicht mehr in Betracht gezogen werden muß.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung sind in den weiteren Ansprüchen ge­ kennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel­ bare Verständnis der Erfindung nicht wesentlichen Merkmale sind fortgelassen. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strö­ mungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 einen Vormischbrenner in der Ausführung als "Doppel­ kegelbrenner", in perspektivischer Darstellung, ent­ sprechend aufgeschnitten,

Fig. 2-4 entsprechende Schnitte durch verschiedene Ebenen des Vormischbrenners, gemäß Fig. 1 und

Fig. 5 eine schematische Darstellung des konischen Verlaufs der Lufteintrittsschlitze.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit

Um den Aufbau des Vormischbrenners 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 1 die einzelnen Schnitte nach den Fig. 2-4 herangezogen werden, allenfalls auch Fig. 5. Des weiteren, um Fig. 1 nicht unnötig unüber­ sichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Fig. 2-4 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungs­ weise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschrei­ bung von Fig. 1 nach Bedarf auf die restlichen Figuren hinge­ wiesen.

Der Vormischbrenner 100 nach Fig. 1 besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachse 201b, 202b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Luft­ eintrittsschlitz 119, 120 frei (Fig. 2-4), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Vormischbrenners 100, d. h. in den Kegelhohlraum 114 strömt. Der Durchflußquer­ schnitt dieser Lufteintrittsschlitze 119, 120 nimmt in Strö­ mungsrichtung ab, wobei der Verlauf kontinuierlich konisch oder intermittierend sein kann. Fig. 5 zeigt, was den koni­ schen Verlauf der Lufteintrittsschlitze 119, 120 anbelangt, eine solche Konfiguration. Die Kegelform der gezeigten Teil­ körper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebsein­ satz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähn­ lich einer Trompete resp. Tulpe.

Die vorgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfaßt, da sie sich ohne weiteres nachempfinden lassen. Die beiden kege­ ligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen An­ fangsteil 101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 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 kegeligen Teilkörper 101, 102 gebilde­ ten Kegelhohlraum 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebe­ nen Parametern des jeweiligen Vormischbrenners 100. Selbst­ verständlich kann der Vormischbrenner 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 entlang der tangen­ tialen Eintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindü­ sungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger 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 Ein­ strömung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Brennraumseitig 122 geht die Ausgangsöffnung des Vormisch­ brenners 100 in eine Frontwand 110 über, in welcher eine An­ zahl Bohrungen 110a vorhanden sind. Die letztgenannten treten bei Bedarf in Funktion, und sorgen dafür, daß Verdünnungs­ luft 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 infolge einer radialen Verflachung zu stützen. Bei dem durch die Düse 103 herange­ führten Brennstoff handelt es sich um einen flüssigen Brenn­ stoff 112, der allenfalls mit einem rückgeführten Abgas ange­ reichert 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 Ver­ brennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer optimalen Vermi­ schung abgebaut. Wird der Vormischbrenner 100 mit einem gas­ förmigen Brennstoff 113 betrieben, so geschieht dies vorzugs­ weise über Öffnungsdüsen 117, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintritts­ schlitze 119, 120 zustande kommt. Bei der Eindüsung des Brennstoffes 112 über die Düse 103 wird im Bereich des Wir­ belaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 106 am Ende des Vormischbrenners 100, die optimale, homogene Brennstoff­ konzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung er­ folgt 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. Nachhaltig trägt hierzu die Auslegung der Lufteintrittsschlitze 119, 120 bei: Der Durchflußquerschnitt dieser Lufteintrittsschlitze 119, 120 nimmt in Strömungsrichtung, also vom Brennerkopf zum Brenner­ austritt im Sinne eines konischen Verlaufs ab, wie dies aus Fig. 5 besonders gut ersichtlich ist. Aber auch die anderen Fig. 2-4 zeigen den abnehmenden Querschnitt der Luftein­ trittsschlitze 119, 120 in Strömungsrichtung sehr gut auf. Durch diese Maßnahme erfährt die Drallzahl, welche das Ver­ hältnis zwischen den tangentialen und axialen Geschwindig­ keitskomponenten definiert, entlang der tangentialen Luftein­ trittsschlitze gegenüber einem gleichmäßigen Durchflußquer­ schnitt einen steileren Verlauf. Bei der Gestaltung der kege­ ligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich des Kegelwinkels und des Durchflußquerschnittes der tangentialen Lufteintritts­ schlitze 119, 120 sind auf alle Fälle enge Grenzen einzuhal­ ten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbren­ nungsluft 115 mit der Rückströmzone 106 am Ausgang des Vor­ mischbrenners 100 einstellen kann. Der abnehmende Durchfluß­ querschnitt der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 in Strömungsrichtung verstärkt im Bereich des Brenneraustrit­ tes das Verharrungsvermögen der Flammenfront. Hierzu muß noch nachgeführt werden, daß eine Verkleinerung des Durch­ flußquerschnittes innerhalb der tangentialen Lufteintritts­ schlitze 119, 120 die Rückströmzone zwangsläufig stromauf­ wärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung kommt, was aus vorne gewürdigten Aspekten nicht erwünscht ist. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorge­ heizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so un­ terstützt dies die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112 nachhaltig, bevor die Verbrennungszone erreicht wird. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 statt gasförmige, flüssige Brennstoffe zugeführt werden. Zurückkommend auf die Gestaltung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 läßt sich allgemein 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, was hier zusätzlich durch den abnehmenden Durchflußquer­ schnitt der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 in Strömungsrichtung unterstützt wird, was sich insbesondere po­ sitiv im transienten Bereich bemerkbar macht. Die Axialge­ schwindigkeit innerhalb des Vormischbrenners 100 läßt sich ferner durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung ei­ nes axialen Verbrennungsluftstromes verändern, d. h., zu Gun­ sten einer Stabilisierung der Rückströmzone 106 am Brenner­ austritt kann eine Verstärkung dieser Axialströmung vorgenom­ men werden. Die Konstruktion des Vormischbrenners 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Größe und der Verlauf der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 anzupassen, womit ohne Veränderung der Baulänge des Vormischbrenners 100 eine relativ große betriebliche Bandbreite erfaßt werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 101, 102 auch in einer anderen Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Überlappung derselben angesteuert werden kann. Es ist sogar bei Bedarf möglich, die Teilkörper 101, 102 durch eine gegen­ läufige drehende Bewegung spiralartig ineinander zu ver­ schachteln.

Aus Fig. 2-4 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungs­ funktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jewei­ lige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungs­ richtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Öffnen bzw. Schließen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere kann dies vonnöten werden, wenn der Strömungs­ querschnitt der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 im Sinne der Fig. 2-4 gestaltet wird. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmäßige Leitbleche einen festen Bestand­ teil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Vormischbrenner 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vorgesehen werden.

Die bereits mehrfach angetippte Fig. 5 will schematisch zei­ gen, wie der Verlauf der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 vorzugsweise vorzusehen ist. Eine gewisse Alternati­ vität gegenüber der Wirkung des abnehmenden Durchflußquer­ schnittes der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 läßt sich erreichen, indem die Teilkörper 101, 102 des Vor­ mischbrenners 100 nach der bereits gewürdigten Trompetenform gebildet werden.

Bezugszeichenliste

100 Brenner
101, 102 Teilkörper
101a, 102a zylindrische Angangsteile
101b, 102b Längssymmetrieachsen
103 Brennstoffdüse
104 Brennstoffeindüsung
105 Brennstoffeindüsungsprofil
106 Rückströmzone (Vortex Breakdown)
107 Flammenfront
108, 109 Brennstoffleitungen
110 Frontwand
110a Luftbohrungen
110b Kühlluft
112 flüssiger Brennstoff
113 gasförmiger Brennstoff
114 Kegelhohlraum
115 Verbrennungsluft
116 Brennstoff-Eindüsung
117 Brennstoffdüsen
119, 120 tangentiale Lufteintrittsschlitze, Kanäle
121a, 121b Leitbleche
122 Brennraum
123 Drehpunkt der Leitbleche.

Claims (7)

1. Brenner aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strö­ mungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern, deren jeweilige Längssymmetrieachsen zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle für einen Verbren­ nungsluftstrom bilden, wobei im von den Teilkörpern gebilde­ ten Kegelhohlraum mindestens eine Brennstoffdüse vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt der tangentialen Kanäle (119, 120) in Strömungsrichtung des Brenners (100) abnehmend ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Be­ reich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längser­ streckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt der tangentialen Kanäle (119, 120) in Strömungsrichtung des Brenners (100) konisch verläuft.

4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung unter einem festen Winkel kegelig erweitern.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (101, 102) spiralartig ineinander geschachtelt sind.