EP0711953B1 - Vormischbrenner - Google Patents

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EP0711953B1
EP0711953B1 EP95810671A EP95810671A EP0711953B1 EP 0711953 B1 EP0711953 B1 EP 0711953B1 EP 95810671 A EP95810671 A EP 95810671A EP 95810671 A EP95810671 A EP 95810671A EP 0711953 B1 EP0711953 B1 EP 0711953B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
burner
fuel
tube
cone
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP95810671A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0711953A2 (de
EP0711953A3 (de
Inventor
Klaus Dr. Döbbeling
Johannes Santner
Christian Dr. Steinbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Publication of EP0711953A2 publication Critical patent/EP0711953A2/de
Publication of EP0711953A3 publication Critical patent/EP0711953A3/de
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Publication of EP0711953B1 publication Critical patent/EP0711953B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D11/00Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36Details
    • F23D11/38Nozzles; Cleaning devices therefor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D11/00Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36Details
    • F23D11/40Mixing tubes; Burner heads
    • F23D11/402Mixing chambers downstream of the nozzle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D17/00Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Definitions

  • the invention relates to a low-pollutant premix burner the double cone design for operating an internal combustion engine, a combustion chamber of a gas turbine group or furnace with one located in the top of the cone cavity High pressure atomizing nozzle for atomizing liquid Fuel, the nozzle with or without turbulence is formed and with at least two nozzle bores communicates with the interior of the burner.
  • Atomizer burners are known in which the oil which is burned is finely divided mechanically. It is broken down into fine droplets of approx. 10 to 400 ⁇ m in diameter (oil mist), which evaporate and burn in the flame when mixed with the combustion air.
  • pressure atomizers see Lueger - Lexikon dertechnik, Manual Verlags-Anstalt Stuttgart, 1965, Volume 7, p.600
  • the oil is supplied to an atomizing nozzle by an oil pump at a pressure of approx. 4 to 25 bar.
  • the oil enters a swirl chamber via essentially tangential slots and leaves the nozzle via a nozzle bore. It is thereby achieved that the oil particles receive two components of motion, an axial and a radial.
  • the oil film emerging from the nozzle bore as a rotating hollow cylinder expands due to the centrifugal force into a hollow cone, the edges of which get into unstable vibrations and tear into small oil droplets.
  • the atomized oil forms a cone with a more or less large opening angle.
  • Swirl nozzles pressure atomizers
  • air-assisted atomizers the known types with a pressure up to approx. 100 bar are hardly suitable for this because they do not have a small angle of propagation allow the atomization quality is limited and the impulse of the drop spray is low.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. you the task is based on a low pollutant premix burner the double-cone type to create a high pressure atomizing nozzle for atomizing liquid fuel has that is simple and with which a very good atomization quality with high at the same time Fuel pulse is reached.
  • the nozzle is a high pressure atomization nozzle which consists of a nozzle body exists in which at least one feed channel for the to be atomized and arranged under a pressure of greater than 100 bar of liquid fuel and this feed channel with or without a turbulence chamber arranged in between via at least two nozzle bores with the interior of the burner communicates that the nozzle outlet holes of the high pressure atomizing nozzle on the air inlet slots are directed and the angle of the fuel spray emerging from the nozzle bores to Axis of the burner is at least as large as the cone half angle of the burner.
  • the advantages of the invention include in that at the high-pressure atomization nozzle according to the invention a fine atomization of fuel with a high fuel pulse is connected and thus a rapid evaporation of the fuel as well as a good premix of the fuel spray of the combustion air can be reached.
  • the high pressure atomization nozzle is simply constructed, well within the burner accessible and is characterized by a small footprint in the burner tip.
  • the fuel can be targeted be injected in high air velocity zones.
  • the Necessity to add water to lower the NOx emissions are eliminated, because due to the above fine atomization, rapid evaporation of fuel and good ones Premixing the fuel spray with the combustion air the NOx emissions are very low.
  • the Turbulence chamber is limited by a tube, a conical one Cover of the tube in which the nozzle bores are arranged and a filler with at least one feed opening, which is preferably arranged centrally in the filler.
  • the turbulence generated in front of the nozzle bore causes a rapid decay of the liquid jet and a special one fine drop spray achieved.
  • the resulting drop spray is also characterized by small angles of spread.
  • a high pressure orifice nozzle is used which comes from a tube and a conical cover of the tube, in which the nozzle openings are arranged.
  • a very high fuel impulse reached, the deep penetration of the fuel spray into the combustion air.
  • FIG. 1 schematically shows a section through the premix burner, which essentially consists of two partial cone bodies 1, 2 exists and its basic structure in EP 0 321 809 B1 is described.
  • Fig. 2 and the therein evident cuts according to FIGS. 3 to 5 used become.
  • Fig. 2 shows a perspective view of the double-cone burner with integrated premixing zone.
  • the two partial cone bodies 1, 2 are with respect to their longitudinal symmetry axes 1b, 2b arranged radially offset from each other. This creates on both sides of the partial cone body 1, 2 in opposite Inflow arrangement each tangential air inlet slots 19, 20, through which the combustion air 15 in the Interior 14 of the burner, i.e. in that of the two partial cone bodies 1, 2 formed cone cavity flows.
  • the partial cone bodies 1, 2 expand in a straight line in the direction of flow, i.e. they have a constant angle ⁇ with the burner axis 5 on.
  • the two partial cone bodies 1, 2 each have a cylindrical initial part la, 2a, which is also offset run.
  • this cylindrical initial part la there is a high pressure atomization nozzle 3 with at least two nozzle openings 11, which have approximately the narrowest cross section of the conical interior 14 of the burner are arranged.
  • the burner can also be without a cylindrical one Initial part, so be made purely conical.
  • the two partial cone bodies 1, 2 have along the air inlet slots 19, 20 each have a fuel feed line 8, 9, which are provided on the long side with openings 17 through which another fuel 13 (gaseous or liquid) flows.
  • This fuel 13 is the tangential Air inlet slots 19, 20 flowing into the interior of the burner Combustion air 15 admixed, which is indicated by the arrows 16 is pictured.
  • a mixed operation of the burner via the nozzle 3 and the fuel feeds 8, 9 is possible.
  • a front plate 10 with openings is arranged on the combustion chamber side 11, through which, if necessary, dilution air or cooling air are fed to the combustion chamber 22. It also ensures this air supply ensures that flame stabilization on Output of the burner takes place. There is a stable one Flame front 7 with a backflow zone 6.
  • baffles 21 a, 21 b can be around a pivot point, for example 23 can be opened or closed, so that the original gap size of the tangential air inlet slots 19, 20 is changed.
  • the Burners can also be operated without these baffles 21a, 21b.
  • a turbulence assisted high pressure atomization nozzle 3 shown which as shown in Fig. 1 and Fig. 2 is arranged in the cone tip of the burner. It consists of a tube 26 which has a supply channel 24 and surrounds a turbulence chamber 25.
  • the tube 26 is one conical lid 27 completed, in which in the exterior Third near the tube wall two nozzle bores 18 are available are. These nozzle bores 18 establish the connection between the turbulence chamber 25 located in the tube 26 and the interior 14 (cone cavity) of the burner.
  • the turbulence chamber 25 is delimited by a filler in addition to the tube 26 28 and the cover 27 of the tube 26.
  • a feed opening 29 for the fuel to be atomized 12 arranged in the middle a feed opening 29 for the fuel to be atomized 12 arranged.
  • This opening can go without saying can also be arranged off-center or can be several Feed openings 29 may be present. It is favorable if the Feed opening 29 narrowing in the direction of flow Has cross section, as shown in Fig. 6.
  • the fuel 12 to be atomized flows under a pressure greater than 100 bar via the supply line 24 and the opening 29 into the turbulence chamber 25, which is jerky has widening cross section with respect to the feed opening 29.
  • the fuel jet hits the cone tip of the conical lid 27. By intensive shearing and rebounding the rays from the surface of the lid will generates a high level of turbulence, which is on the short path does not subside until it exits the nozzle.
  • the liquid jet is in front of the two nozzle bores 18th generated turbulence in the burner interior 14 for rapid decay brought, resulting in very small angles of propagation.
  • the fuel 12 is due to the high momentum and thereby high relative speed to air well atomized. He has a high penetration depth and thus leads to a high mixing quality.
  • Fig. 7 shows a second embodiment.
  • the High pressure atomizing nozzle 3 a multi-hole high pressure orifice nozzle
  • the structure of the above turbulence assisted nozzle corresponds, although of course no turbulence chamber for the orifice nozzle is available. That means that in this case the achievable fuel drop size under comparable Conditions for the first embodiment are somewhat is larger (see Fig. 8), but a high fuel pulse can be used for this can be achieved by targeted injection in zones of high air speed also to the above Advantages leads.
  • the cross section of the nozzle 3, its position and the direction of injection results from the desired throughput (depending on of form) taking into account sufficiently high Reynolds numbers in the nozzle bores 18.
  • the diagram shown in FIG. 8 illustrates the dependence of the droplet diameter d T on the admission pressure p for different limit diameters of the droplet mass distribution.
  • Dx denotes the limit diameter that x mass% of all particles fall below.
  • SMD is the Sauter diameter, i.e. the diameter of a droplet that has the same surface to volume ratio as the total jet.
  • the high pressure atomization nozzle on which the diagram is based was charged with water and had the following parameters: Diameter of the nozzle 10.0 mm Feed channel diameter 8.0 mm Diameter of the feed opening in the filler 1.8 mm Diameter of the nozzle bores 0.6 mm Length of the turbulence chamber 7.0 mm.

Landscapes

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  • Nozzles For Spraying Of Liquid Fuel (AREA)
  • Spray-Type Burners (AREA)

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen schadstoffarmen Vormischbrenner der Doppelkegelbauart zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder Feuerungsanlage mit einer in der Spitze des Kegelhohlraumes angeordneten Hochdruckzerstäubungsdüse zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff, wobei die Düse mit oder ohne Turbulenzkammer ausgebildet ist und über mindestens zwei Düsenbohrungen mit dem Innenraum des Brenners in Verbindung steht.
Stand der Technik
Bekannt sind Zerstäuberbrenner, in denen das zur Verbrennung gelangende Öl mechanisch fein verteilt wird. Es wird in feine Tröpfchen von ca. 10 bis 400 µm Durchmesser (Ölnebel) zerlegt, die unter Mischung mit der Verbrennungsluft in der Flamme verdampfen und verbrennen. In Druckzerstäubern (s. Lueger - Lexikon der Technik, Deutsche Verlags-Anstalt Stuttgart, 1965, Band 7, S.600) wird durch eine Ölpumpe das Öl unter einem Druck von ca. 4 bis 25 bar einer Zerstäuberdüse zugeführt. Über im wesentlichen tangential verlaufende Schlitze gelangt das Öl in eine Wirbelkammer und verlässt die Düse über eine Düsenbohrung. Dadurch wird erreicht, dass die Ölteilchen zwei Bewegungskomponenten, eine axiale und eine radiale, erhalten. Der als rotierender Hohlzylinder aus der Düsenbohrung austretende Ölfilm weitet sich aufgrund der Fliehkraft zu einem Hohlkegel aus, dessen Ränder in instabile Schwingungen geraten und zu kleinen Öltröpfchen zerreissen. Das zerstäubte Öl bildet einen Kegel mehr oder weniger grossen Öffnungswinkels.
Bei der schadstoffarmen Verbrennung von mineralischen Brennstoffen in modernen Brennern, beispielsweise in Vormischbrennern der Doppelkegelbauart, die in ihrem prinzipiellen Aufbau in EP 0321 809 B1, beschrieben sind, werden aber besondere Anforderungen an die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes gestellt. Diese sind vor allem folgende:
  • 1. Die Tröpfchengrösse muss gering sein, damit die Öltröpfchen vor der Verbrennung vollständig verdampfen können.
  • 2. Der Öffnungswinkel (Ausbreitungswinkel) des Ölnebels soll klein sein.
  • 3. Die Tropfen müssen eine hohe Geschwindigkeit und einen hohen Impuls haben, um weit genug in den verdichteten Verbrennungsluftmassenstrom eindringen zu können, damit sich der Brennstoffdampf vollständig mit der Verbrennungsluft vor Erreichen der Flammenfront vormischen kann.
  • Dralldüsen (Druckzerstäuber) und luftunterstützte Zerstäuber der bekannten Bauarten mit einem Druck bis zu ca. 100 bar sind dafür kaum geeignet, weil sie keine kleine Ausbreitungswinkel erlauben, die Zerstäubungsqualität eingeschränkt ist und der Impuls des Tropfensprays gering ist.
    Als Folge dieser ungenügenden Verdampfung und Vormischung des Brennstoffes ist deshalb eine Wasserzugabe zum Absenken der Flammentemperatur und damit der NOx-Bildung notwendig. Da das zugeführte Wasser oftmals auch Flammenzonen stört, die zwar an sich wenig NOx erzeugen, aber für die Flammenstabilität sehr wichtig sind, treten häufig Instabilitäten, wie Flammenpulsation und/oder schlechter Ausbrand auf, was zum Anstieg des CO-Ausstosses führt.
    Eine Verbesserung ist mit der in EP 0 496 016 A1 offenbarten Hochdruckzerstäuberdüse zu erreichen. Diese besteht aus einem Düsenkörper, in welchem eine Turbulenzkammer ausgebildet ist, welche über mindestens eine Düsenbohrung mit einem Aussenraum in Verbindung steht, und welche mindestens einen Zufuhrkanal für die unter Druck zuführbare zu zerstäubende Flüssigkeit aufweist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des in die Turbulenzkammer mündenden Zufuhrkanales um den Faktor 2 bis 10 grösser ist als die Querschnittsfläche der Düsenbohrung. Durch diese Anordnung gelingt es, in der Turbulenzkammer ein hohes Turbulenzniveau zu erzeugen, das auf dem Weg bis zum Austritt aus der Düse nicht abklingt. Der Flüssigkeitsstrahl wird durch die vor der Düsenbohrung erzeugte Turbulenz im Aussenraum, also nach Verlassen der Düsenbohrung zum raschen Zerfall gebracht, wobei sich niedrige Ausbreitungswinkel von 20 ° und weniger ergeben. Die Tröpfchengrösse ist ebenfalls sehr niedrig. Nachteilig ist lediglich der Verlust an Brennstoffimpuls im Turbulenzerzeuger, der keine gerichtete Einbringung erlaubt.
    Darstellung der Erfindung
    Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen schadstoffarmen Vormischbrenner der Doppelkegelbauart zu schaffen, der eine Hochdruckzerstäubungsdüse zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff aufweist, die einfach aufgebaut ist und mit welcher eine sehr gute Zerstäubungsqualität bei gleichzeitig hohem Brennstoffimpuls erreicht wird.
    Erfindungsgemäss wird dies bei einem Vormischbrenner der Doppelkegelbauart gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, dass die Düse eine Hochdruckzerstäubungsdüse ist, welche aus einem Düsenkörper besteht, in dem mindestens ein Zufuhrkanal für den zu zerstäubenden und unter einem Druck von grösser 100 bar zuführbaren flüssigen Brennstoff angeordnet ist und dieser Zufuhrkanal mit oder ohne dazwischen angeordneter Turbulenzkammer über mindestens zwei Düsenbohrungen mit dem Innenraum des Brenners in Verbindung steht, dass die Düsenaustrittsbohrungen der Hochdruckzerstäubungsdüse auf die Lufteintrittsschlitze gerichtet sind und der Winkel des aus den Düsenbohrungen austretenden Brennstoffsprays zur Achse des Brenners mindestens so gross ist wie der Kegelhalbwinkel des Brenners.
    Die Vorteile der Erfindung bestehen u.a. darin, dass bei der erfindungsgemässen Hochdruckzerstäubungsdüse eine feine Zerstäubung des Brennstoffes mit einem hohen Brennstoffimpuls verbunden ist und damit eine schnelle Verdampfung des Brennstoffes sowie eine gute Vormischung des Brennstoffsprays mit der Verbrennungsluft erreicht werden. Die Hochdruckzerstäubungsdüse ist einfach aufgebaut, gut innerhalb des Brenners zugänglich und zeichnet sich durch einen nur geringen Platzbedarf in der Brennerspitze aus. Der Brennstoff kann gezielt in Zonen hoher Luftgeschwindigkeit eingespritzt werden. Die Notwendigkeit der Zugabe von Wasser zwecks Herabsenkung der NOx-Emissionen entfällt, denn aufgrund der o.g. feinen Zerstäubung, schnellen Verdampfung des Brennstoff und der guten Vormischung des Brennstoffsprays mit der Verbrennungsluft sind die NOx-Emissionen sehr gering.
    Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Hochdruckzerstäubungsdüse eine turbulenzunterstützte Hochdruckdüse mit einer vor den Düsenbohrungen angeordneten Turbulenzkammer ist, wobei die Turbulenzkammer begrenzt wird von einem Rohr, einem kegeligen Deckel des Rohres, in welchem die Düsenbohrungen angeordnet sind, und von einem Füllstück mit mindestens einer Zufuhröffnung, welche vorzugsweise mittig im Füllstück angeordnet ist. Durch die vor der Düsenbohrung erzeugte Turbulenz werden ein rascher Zerfall des Flüssigkeitstrahles und ein besonders feines Tropfenspray erzielt. Das entstehende Tropfenspray zeichnet sich ausserdem durch kleine Ausbreitungswinkel aus.
    Schliesslich wird mit Vorteil als Hochdruckzerstäubungsdüse eine Hochdruck-Blendendüse verwendet, welche aus einem Rohr und einem kegeligen Deckel des Rohres, in welchem die Düsenöffnungen angeordnet sind, besteht. In diesem Falle wird ein sehr hoher Brennstoffimpuls erreicht, der ein tiefes Eindringen des Brennstoffsprays in die Verbrennungsluft ermöglicht.
    Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Düsenbohrungen im äusseren Drittel des kegeligen Deckel nahe der Wand des Rohres angeordnet sind. Dann werden sehr gute Zerstäubungsqualitäten erreicht.
    Kurze Beschreibung der Zeichnung
    In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines Doppelkegelbrenners zum Betrieb einer Gasturbine dargestellt.
    Es zeigen:
    Fig. 1
    eine schematische Ansicht eines Doppelkegelbrenners;
    Fig. 2
    einen Brenner gemäss Fig. 1 in perspektivischer Darstellung;
    Fig. 3
    einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene III-III gemäss Fig. 2;
    Fig. 4
    einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene IV-IV gemäss Fig. 2;
    Fig. 5
    einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene V-V gemäss Fig. 2;
    Fig. 6
    einen Längsschnitt der turbulenzunterstützten Hochdruckzerstäubungsdüse in der Ebene der Düsenbohrungen;
    Fig. 7
    einen Längsschnitt der Hochdruck-Blendendüse in der Ebene der Düsenbohrungen;
    Fig. 8
    ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Tropfengrösse vom Druck einer Hochdruckzerstäubungsdüse gemäss Fig. 6 bzw. 7;
    Fig. 9
    ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Nox-Emissionen von der Flammentemperatur des Doppelkegelbrenners für verschiedene Düsen.
    Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.
    Weg zur Ausführung der Erfindung
    Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 9 näher erläutert.
    Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Vormischbrenner, der im wesentlichen aus zwei Teilkegelkörpern 1, 2 besteht und dessen prinzipieller Aufbau in EP 0 321 809 B1 beschrieben ist. Zum besseren Verständnis des Brenneraufbaus ist es vorteilhaft, wenn gleichzeitig Fig. 2 und die darin ersichtlichen Schnitte nach den Fig. 3 bis 5 herangezogen werden.
    Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung den Doppelkegelbrenner mit integrierter Vormischzone. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 sind bezüglich ihrer Längssymmetrieachsen 1b, 2b radial versetzt zueinander angeordnet. Dadurch entstehen auf beiden Seiten der Teilkegelkörper 1, 2 in entgegengesetzter Einströmungsanordnung jeweils tangentiale Lufteintrittsschlitze 19, 20, durch welche die Verbrennungsluft 15 in den Innenraum 14 des Brenners, d.h. in den von den beiden Teilkegelkörpern 1, 2 gebildeten Kegelhohlraum strömt. Die Teilkegelkörper 1, 2 erweitern sich geradlinig in Strömungsrichtung, d.h. sie weisen einen konstanten Winkel α mit der Brennerachse 5 auf. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 haben je einen zylindrischen Anfangsteil la, 2a, welche ebenfalls versetzt verlaufen. In diesem zylindrischen Anfangsteil la, 2a befindet sich eine Hochdruckzerstäubungsdüse 3 mit mindestens zwei Düsenöffnungen 11, welche etwa im engsten Querschnitt des kegelförmigen Innenraums 14 des Brenners angeordnet sind. Selbstverständlich kann der Brenner auch ohne zylindrischen Anfangsteil, also rein kegelig ausgeführt sein.
    Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 weisen längs der Lufteintrittsschlitze 19, 20 je eine Brennstoffzuleitung 8, 9 auf, welche längsseitig mit Öffnungen 17 versehen sind, durch welche ein weiterer Brennstoff 13 (gasförmig oder flüssig) strömt. Dieser Brennstoff 13 wird der durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 in den Brennerinnenraum strömenden Verbrennungsluft 15 zugemischt, was durch die Pfeile 16 dargestellt wird. Ein Mischbetrieb des Brenners über die Düse 3 und die Brennstoffzuführungen 8, 9 ist möglich.
    Brennraumseitig ist eine Frontplatte 10 angeordnet mit Öffnungen 11, durch welche bei Bedarf Verdünnungsluft oder Kühlluft dem Brennraum 22 zugeführt werden. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung dafür, dass eine Flammenstabilisierung am Ausgang des Brenners stattfindet. Dort stellt sich eine stabile Flammenfront 7 mit einer Rückströmzone 6 ein.
    Aus den Fig. 3 bis 5 ist die Anordnung von Leitblechen 21 a, 21 b zu entnehmen. Diese können beispielsweise um einen Drehpunkt 23 geöffnet oder geschlossen werden, so dass dadurch die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 verändert wird. Selbstverständlich kann der Brenner auch ohne diese Leitbleche 21a, 21b betrieben werden.
    In Fig. 6 ist eine turbulenzunterstütze Hochdruckzerstäubungsdüse 3 abgebildet, welche wie in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellt ist, in der Kegelspitze des Brenners angeordnet ist. Sie besteht aus einem Rohr 26, das einen Zufuhrkanal 24 und eine Turbulenzkammer 25 umgibt. Das Rohr 26 wird von einem kegeligen Deckel 27 abgeschlossen, in welchem im äusseren Drittel nahe der Rohrwand zwei Düsenbohrungen 18 vorhanden sind. Diese Düsenbohrungen 18 stellen die Verbindung her zwischen der sich im Rohr 26 befindenden Turbulenzkammer 25 und dem Innenraum 14 (Kegelhohlraum) des Brenners. Die Turbulenzkammer 25 wird neben dem Rohr 26 begrenzt durch ein Füllstück 28 und den Deckel 27 des Rohres 26. Im Füllstück 28 ist mittig eine Zuführöffnung 29 für den zu zerstäubenden Brennstoff 12 angeordnet. Diese Öffnung kann selbst selbstverständlich auch aussermittig angeordnet sein bzw. können mehrere Zufuhröffnungen 29 vorhanden sein. Günstig ist, wenn die Zufuhröffnung 29 einen sich in Strömungsrichtung verengenden Querschnitt aufweist, wie in Fig. 6 dargestellt ist.
    Der zu zerstäubende Brennstoff 12 strömt unter einem Druck von grösser 100 bar über die Zufuhrleitung 24 und die Öffnung 29 in die Turbulenzkammer 25, welche einen sich stossartig erweiternden Querschnitt gegenüber der Zufuhröffnung 29 aufweist. Der Brennstoffstrahl trifft auf die Kegelspitze des kegeligen Deckels 27. Durch intensive Scherungen und das Zurückprallen der Strahlen von der Oberfläche des Deckels wird ein hohes Turbulenzniveau erzeugt, welches auf dem kurzen Weg bis zum Austritt aus der Düse nicht abklingt. Der Flüssigkeitsstrahl wird durch die vor den beiden Düsenbohrungen 18 erzeugte Turbulenz im Brennerinnenraum 14 zum raschen Zerfall gebracht, wobei sich sehr kleine Ausbreitungswinkel ergeben.
    Der Brennstoff 12 wird durch den hohen Impuls und die dadurch hohe Relativgeschwindigkeit zur Luft gut zerstäubt. Er hat eine hohe Eindringtiefe und führt somit zu einer hohen Einmischqualität.
    Die Ausrichtung der Düsenbohrungen 18 auf die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20, also auf Zonen sehr hoher Luftgeschwindigkeit, führt zu einer direkten Einmischung des in Form eines fein verteilten Tropfensprays 4 vorliegenden Brennstoffes 12. Entlang der Brennerwand verteilt sich der Brennstoff sehr gut im Verbrennungsluftstrom 15. Er mischt sich sehr gut entlang des Kegels in den frischen Luftstrom am Ende des Brenners ein, so dass ein hervorragende Vormischung erzielt wird, was sich günstig auf einen niedrigen Wert der Schadstoffemissionen auswirkt.
    Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Hier ist die Hochdruckzerstäubungsdüse 3 eine Mehrloch-Hochdruck-Blendendüse, die in ihrem Aufbau der o.g. turbulenzunterstützten Düse entspricht, wobei natürlich bei der Blendendüse keine Turbulenzkammer vorhanden ist. Das bedeutet, dass in diesem Falle die erzielbare Brennstofftropfengrösse unter vergleichbaren Bedingungen zum ersten Ausführungsbeispiel zwar etwas grösser ist (s. Fig. 8), dafür kann aber ein hoher Brennstoffimpuls erreicht werden, der durch das gezielte Einspritzen in Zonen hoher Luftgeschwindigkeit ebenfalls zu den o.g. Vorteilen führt.
    Der Querschnitt der Düse 3, ihre Position und die Eindüsungsrichtung ergibt sich aus dem gewünschten Durchsatz (in Abhängigkeit von Vordruck) unter Berücksichtigung genügend hoher Reynoldszahlen in den Düsenbohrungen 18.
    Das in Fig. 8 dargestellte Diagramm veranschaulicht für eine turbulenzunterstützte Druckzerstäubungsdüse die Abhängigkeit des Tropfendurchmessers dT vom Vordruck p für verschiedene Grenzdurchmesser der Tropfenmassenverteilung. Dx bezeichnet den Grenzdurchmesser, den x Massen% aller Teilchen unterschreiten. SMD ist der Sauterdurchmesser, also der Durchmesser eines Tröpfchens, das dasselbe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen besitzt wie der Gesamtstrahl. Die dem Diagramm zugrunde liegende Hochdruckzerstäubungsdüse wurde dabei mit Wasser beaufschlagt und hatte folgende Kenngrössen:
    Durchmesser der Düse 10,0 mm
    Durchmesser des Zuführkanals 8,0 mm
    Durchmesser der Zuführöffnung im Füllstück 1,8 mm
    Durchmesser der Düsenbohrungen 0,6 mm
    Länge der Turbulenzkammer 7,0 mm.
    Fig. 9 zeigt die Abhängigkeit der atmosphärischen NOx-Emissionswerte von der Flammentemperatur und dem eingesetzten Düsentyp zur Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes. Es wurden turbulenzunterstützte Zweiloch-Hochdruckdüsen mit unterschiedlichen Winkeln β zwischen Brennstoffeindüsung und Brennerachse untersucht (11 °, 15 °, 20 °). Der Kegelhalbwinkel α des Brenners betrug jeweils 10,95 °. Im Vergleich zu Druckzerstäubungsdüsen (Dralldüsen) werden beim Einsatz der erfindungsgemässen Hochdruckzerstäubungsdüsen 3 mit zwei auf die Lufteintrittsschlitze 19, 20 gerichteten Düsenbohrungen 18 in Vormischbrennern der Doppelkegelbauart wesentlich geringere NOx-Emissionswerte erreicht.
    Bezugszeichenliste
    1, 2
    Teilkegelkörper
    1a, 2a
    zylindrischer Ansfangsteil
    1b, 2b
    Mittelachse der Teilkegelkörper
    3
    Hochdruckzerstäubungsdüse
    4
    Brennstofftropfenspray
    5
    Brennerachse
    6
    Rückströmzone (vortex breakdown)
    7
    Flammenfront
    8, 9
    Brennstoffzuleitung
    10
    Frontplatte
    11
    Öffnungen in der Frontplatte
    12
    flüssiger Brennstoff
    13
    weiterer Brennstoff (flüssig oder gasförmig)
    14
    Innenraum des Brenners
    15
    Verbrennungsluftstrom
    16
    Eindüsung Brennstoff
    17
    Öffnungen
    18
    Düsenbohrung
    19, 20
    tangentialer Lufteintrittsschlitz
    21a,21b
    Leitblech
    22
    Brennraum abströmseitig des Brenners
    23
    Drehpunkt
    24
    Zuführkanal
    25
    Turbulenzkammer
    26
    Rohr
    27
    Deckel des Rohres
    28
    Füllstück
    29
    Zufuhröffnung im Füllstück
    α
    Kegelhalbwinkel
    β
    Winkel zwischen Tropfenspray und Längsachse des Brenners
    dT
    Tropfendurchmesser
    p
    Druck
    Dx
    Grenzdurchmesser, den x Massen% aller Teilchen unterschreiten
    SMD
    Sauterdurchmesser

    Claims (5)

    1. Vormischbrenner der Doppelkegelbauart zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder Feuerungsanlage, wobei der Brenner im wesentlichen aus mindestens zwei in Strömungsrichtung aufeinander positionierten, hohlen kegelförmigen Teilkörpern (1, 2) mit einem in Strömungsrichtung konstanten Kegelhalbwinkel (α) besteht, deren Längssymmetrieachsen (1a, 1b) zueinander radial versetzt verlaufen, wodurch strömungsmässig entgegengesetzte tangentiale Lufteintrittsschlitze (19, 20) für einen Verbrennungsluftstrom (15) entstehen, wobei im engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper (1, 2) gebildeten Kegelhohlraumes (14) eine Düse (3) zur Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffes (12) angeordnet ist und die Brennstoffeindüsung mit der Längsachse des Brenners (5) einen spitzen Winkel (β) bildet, und wobei im Bereich der Lufteintrittsschlitze (19, 20) die kegeligen Teilkörper (1, 2) mit oder ohne Mittel (8, 9, 17) zur Beibringung eines weiteren flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes (13) ergänzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse eine Hochdruckzerstäubungsdüse (3) ist, welche aus einem Düsenkörper besteht, in dem mindestens ein Zufuhrkanal (24) für den zu zerstäubenden und unter einem Druck von grösser 100 bar zuführbaren flüssigen Brennstoff (12) angeordnet ist und dieser Zufuhrkanal (24) mit oder ohne dazwischen angeordneter Turbulenzkammer (25) über mindestens zwei Düsenbohrungen (18) mit dem Innenraum (14) des Brenners in Verbindung steht, dass die Düsenbohrungen (18) auf die Lufteintrittsschlitze (19, 20) gerichtet sind und der Winkel (β) zwischen dem aus den Düsenbohrungen (18) austretenden Brennstofftropfenspray (4) und der Längsachse (5) des Brenners mindestens so gross ist wie der Kegelhalbwinkel (α) zwischen den Teilkegelkörpern (1, 2) und der Längsachse (5) des Brenners.
    2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckzerstäubungsdüse (3) eine turbulenzunterstützte Hochdruckdüse mit einer in Strömungsrichtung vor den Düsenbohrungen (18) angeordneten Turbulenzkammer (25) ist, wobei die Turbulenzkammer (25) begrenzt wird von einem Rohr (26), einem kegeligen Deckel (27) des Rohres (26), in welchem die Düsenbohrungen (18) angeordnet sind, und von einem Füllstück (28) mit mindestens einer Zufuhröffnung (29).
    3. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckzerstäubungsdüse (3) eine Hochdruck-Blendendüse ist, welche aus einem Rohr (26) und einem kegeligen Deckel (27) des Rohres (26), in welchem die Düsenöffnungen (18) angeordnet sind, besteht.
    4. Vormischbrenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenbohrungen (18) im äusseren Drittel des kegeligen Deckels (27) nahe der Wand des Rohres (26) angeordnet sind.
    5. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhröffnung (29) mittig im Füllstück (28) angeordnet ist.
    EP95810671A 1994-11-12 1995-10-30 Vormischbrenner Expired - Lifetime EP0711953B1 (de)

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