EP0740108A2

EP0740108A2 - Burner

Info

Publication number: EP0740108A2
Application number: EP96810227A
Authority: EP
Inventors: Klaus Dr. Döbbeling; Hans Peter Knöpfel; Wolfgang Dr. Polifke; Peter Dr. Senior
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 1995-04-25
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 1996-10-30
Also published as: DE19515082A1; US5738508A; CA2168638A1; DE19515082B4; CN1160143A; JP3889079B2; KR960038235A; JPH08296820A

Abstract

The swirl-inducer (3) for the combustion air is connected to the mixing tube (2), while fuel is sprayed in by a nozzle. Outlets (6,7) in the tangential direction in the inducer (3) deliver combustion air (5) from the cone interior (16) into the mixing tube. Fuel can be delivered by nozzles (12,13) at the tangential outlets, and one central nozzle at least can be at the tip of the inducer. A combustion chamber can be situated downstream of the mixing tube, while the cross-section of the join between tube and chamber alters suddenly, at which point a reverse-flow zone acts.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a burner according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Aus EP-0 321 809 ist ein aus mehreren Schalen bestehender kegelförmiger Vormischbrenner bekanntgeworden, der eine geschlossene Drallströmung im Kegelkopf erzeugt, welche aufgrund des zunehmenden Dralls entlang der Kegelspitze instabil wird und in eine annulare Drallströmung übergeht, welche, verbunden mit der dort vorgesehenen plötzlichen Querschnittserweiterung, zu einer Rückströmzone auf der Brennerachse führt. Gasförmige Brennstoffe werden hier entlang der von den einzelnen Schalen gebildeten tangentialen Kanäle, auch Lufteintrittsschlitze genannt, eingedüst und homogen mit der dort einströmenden Verbrennungsluft vermischt, bevor die Verbrennung durch Zündung am Staupunkt der Rückströmzone oder Rückströmblase, welche die Funktion eines körperlosen Flammenhalters erfüllt, einsetzt. Die letzten Düsen für diesen gasförmigen Brennstoff in Strömungsrichtung liegen indessen sehr nahe am Brenneraustritt und somit in der Nähe der Flamme. Demnach, der durch diese Düsen eingebrachte Brennstoff vermischt sich nicht optimal mit der Luft und führt tendentiell zu höheren NOx-Emissionen. Will man die Vormischstrecke verlängern um die Nox-Emissionen minimal zu halten, so bedingt dies ein kompliziertes Uebergangsstück zwischen dem Brennerkörper und dem nachfolgenden Teil. Durch das Strömungsfeld, das der Vormischbrenner stromab erzeugt, ergeben sich in einem nachfolgenden Rohr entweder am Rand oder im Zentrum Probleme wegen der tiefen axialen Geschwindigkeit. Dies führt dann zu Rückzündungen und der Vormischbrenner kann auf diese Weise in den transienten Bereichen nicht optimal betrieben werden. Flüssige Brennstoffe werden hier vorzugsweise über eine zentrale Düse am Brennerkopf eingebracht, und verdampfen dann im Kegelhohlraum. Unter gasturbinenspezifischen Bedingungen findet die Zündung dieser flüssigen Brennstoffe relativ früh, und infolgedessen immer noch in der Nähe der Brennstoffdüse statt, womit wiederum nicht zu umgehen ist, dass die NOx-Emissionen, gerade aufgrund dieser nicht optimalen Vermischung potentiell zu steigen drohen, wogegen dann als Abhilfe beispielsweise auf eine Wassereinspritzung zurückgegriffen werden muss. Weitere Probleme aus dem Betrieb mit einem flüssigen Brennstoff stehen im Zusammenhang mit dem relativ kleinen Durchflussquerschnitt und demnach mit dem daraus möglichen kleinen Kegelwinkel im Bereich des Zerstäubungswinkels der Brennstoffdüse, was immer leicht zu einer Benetzung der Kegelschalen führen kann, und somit zu schädlichen Crack-Prozessen hinsichtlich der Schadstoff-Emissionen, sobald sich beispielsweise eine Druckdifferenz einstellt. Darüber hinaus musste festgestellt werden, dass der Versuch, wasserstoffhaltige Gase (MBTU- oder LBTU-Gase) ähnlich Erdgas zu verfeuern, zu Frühzündungen an den Düsen für einen gasförmigen Brennstoff entlang der tangentialen Kanäle geführt haben. Hiergegen hat man versucht, Abhilfe zu schaffen, indem am Brenneraustritt eine spezielle Injektionsmethode für solche gasförmige Brennstoffe eingeführt worden ist, deren Resultate allerdings nicht ganz zu befriedigen vermöchten.From EP-0 321 809 a conical premix burner consisting of several shells has become known, which produces a closed swirl flow in the cone head, which becomes unstable due to the increasing swirl along the cone tip and changes into an annular swirl flow, which, combined with the sudden cross-sectional expansion provided there , leads to a backflow zone on the burner axis. Gaseous fuels are injected here along the tangential channels formed by the individual shells, also called air inlet slots, and mixed homogeneously with the combustion air flowing in there, before the combustion starts by ignition at the stagnation point of the backflow zone or backflow bubble, which fulfills the function of a disembodied flame holder. However, the last nozzles for this gaseous fuel in the direction of flow are very close to the burner outlet and thus close to the flame. Accordingly, the fuel introduced through these nozzles does not mix optimally with the air and tends to lead to higher NOx emissions. If you want to extend the premixing section in order to keep the NOx emissions to a minimum, this requires a complicated transition piece between the burner body and the following part. The flow field that the premix burner generates downstream causes problems in a subsequent pipe either at the edge or in the center because of the low axial velocity. This then leads to reignition and the premix burner cannot be operated optimally in the transient areas. Liquid fuels are preferably introduced here via a central nozzle on the burner head and then evaporate in the cone cavity. Under gas turbine-specific conditions, the ignition of these liquid fuels takes place relatively early, and consequently still takes place in the vicinity of the fuel nozzle, which in turn cannot be avoided that the NOx emissions are at risk of increasing, precisely because of this non-optimal mixing, whereas then as Remedy, for example, a water injection must be used. Other problems from the operation with a liquid fuel are related to the relatively small flow cross-section and therefore the resulting small cone angle in the area of the atomization angle of the fuel nozzle, which can always easily lead to wetting of the cone shells and thus to harmful cracking processes with regard to pollutant emissions as soon as a pressure difference arises, for example. In addition, it had to be found that the attempt to fire hydrogen-containing gases (MBTU or LBTU gases) similar to natural gas led to pre-ignition at the nozzles for a gaseous fuel along the tangential channels. An attempt has been made to remedy this by introducing a special injection method for such gaseous fuels at the burner outlet, the results of which, however, are not entirely satisfactory.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

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 Vorkehrungen vorzuschlagen, welche die obengenannten Nachteile aufzuheben vermögen.The invention seeks to remedy this. The invention, as characterized in the claims, is based on the object of proposing measures for a burner of the type mentioned at the outset which are able to overcome the disadvantages mentioned above.

Der erfindungsgemässe Vormischbrenner besteht aus einem kegelförmigen Drallerzeuger, der mit mindestens zwei tangential angeordneten Schlitzen ausgeführt ist. Die Verbrennungsluft strömt hier axial in den Drallerzeuger ein, und dann über die genannten tangentialen Schlitze oder Kanäle nach aussen, wobei dieser kegelförmige Drallerzeuger von einem vorzugsweise als Rohr ausgebildeten Körper umschlossen ist. Da die Form dieses Körpers einen grossen Einfluss auf die Strömung ausserhalb und stromab des Drallerzeugers ausübt, kann sie nach dem Drallerzeuger durch geeignete Vorkehrungen noch verändert werden. So kann der Querschnitt des dem Drallerzeuger umschliessenden Körpers in Strömungsrichtung beispielsweise durch einen Konus oder Venturi abnehmen. Die Einbringung eines gasförmigen Brennstoffs kann auch hier durch Düsen erreicht werden, welche sich im Bereich der Schlitze befinden. Wird der Brenner mit einem flüssigen Brennstoff betrieben, so wird der Brennstoff im Bereich der Spitze des kegelförmigen Drallerzeugers in den Querschnitt des umschliessenden Körpers eingegeben. Falls es zu einer Einbringung eines MTBU- oder LBTU-Gases kommt, so lässt sich die verhältnismässig grosse Menge dieses Brennstoffes direkt von aussen in den Querschnitt des umschliessenden Körpers einbringen, womit die Vermischung mit der dort vorherrschenden Drallströmung ebenfalls gewährleistet ist.The premix burner according to the invention consists of a conical swirl generator which is designed with at least two tangentially arranged slots. The combustion air flows here axially into the swirl generator, and then outwards through the tangential slots or channels mentioned, this conical swirl generator being enclosed by a body which is preferably designed as a tube. Since the shape of this body has a great influence on the flow outside and downstream of the swirl generator, it can be changed after the swirl generator by taking suitable precautions. The cross section of the body enclosing the swirl generator can decrease in the flow direction, for example, through a cone or venturi. The introduction of a gaseous fuel can also be achieved here through nozzles which are located in the area of the slots. If the burner is operated with a liquid fuel, the fuel in the area of the tip of the conical swirl generator is entered into the cross section of the enclosing body. If an MTBU or LBTU gas is introduced, the relatively large amount of this fuel can be introduced directly from the outside into the cross-section of the enclosing body, which also ensures mixing with the swirl flow prevailing there.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass das Strömungsfeld nach dem Drallerzeuger frei modulierbar ist. Des weiteren ist darauf hervorzuheben, dass die Eindüsung eines flüssigen Brennstoffes zu keiner Benetzung der Strömungswand des umschliessenden Körpers führt, denn gerade in dieser Ebene ist der Strömungsquerschnitt maximiert. Damit wird erreicht, dass dank dem grossen damit möglichen Spraywinkel eine optimale Vermischung mit der verdrallten Verbrennungsluft gelingt. Die nun mögliche lange Vormischstrecke stromab des Drallerzeugers induziert eine Minimierung der NOx-Emissionen aus der nachfolgenden Verbrennung. Auf die gute Zugänglichkeit für MBTU- oder LBTU-Gase ist oben bereits eingegangen. Es ist des weiteren zu vermerken. dass die Brennerfront des erfindungsgemässen Brenners nicht mehr gekühlt zu werden bracht. Auch Dichtungsprobleme zwischen Premix- und Kopfstufe treten hier nicht mehr auf.The main advantages of the invention are the fact that the flow field can be freely modulated after the swirl generator. It should also be emphasized that the injection of a liquid fuel does not lead to wetting of the flow wall of the enclosing body, because the flow cross section is maximized in this plane. This ensures that, thanks to the large spray angle that is possible, it is optimally mixed with the swirled combustion air. The now possible long pre-mixing section downstream of the swirl generator induces a minimization of the NOx emissions from the subsequent combustion. The good accessibility for MBTU or LBTU gases has already been discussed above. It should also be noted. that the burner front of the burner according to the invention can no longer be cooled. Sealing problems between the premix and head stages no longer occur here.

Durch die einfache Geometrie des erfindungsgemässen Brenners kann ohne grossen Aufwand Luft in die Spitze des Drallerzeugers geführt werden, welche zur Abmagerung oder zur Erzeugung eines axialen Jets auf der Brennerachse benutzt werden kann. Wird der Brenner mit einem flüssigen Brennstoff betrieben, so kann diese Luft in einfacherer Weise gegenüber dem zum Stand der Technik gehörenden Vormischbrenner auch zur Unterstützung der Zerstäubung genutzt werden. Die inverse Anordnung des erfindungsgemässen Brenners gegenüber dem genannten Stand der Technik, was die Drallerzeugung betrifft, verbessert die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes, wobei Ablagerungen im Bereich der Schalen des Drallerzeugers ausgeschlossen sind. Soll die Strömung im äusseren Bereich rein axial ausgerichtet oder abgemagert werden, so kann dies dadurch erreicht werden, dass der Drallkörper nicht den ganzen Querschnitt des umschliessenden Körpers abdeckt.Due to the simple geometry of the burner according to the invention, air can be fed into the tip of the swirl generator without great effort, which can be used to lean or to generate an axial jet on the burner axis. If the burner is operated with a liquid fuel, this air can also be used in a simpler manner than the premix burner belonging to the prior art to support atomization. The inverse arrangement of the burner according to the invention with respect to the prior art mentioned with regard to swirl generation improves the atomization of the liquid fuel, deposits being excluded in the region of the bowls of the swirl generator. If the flow in the outer area is to be aligned or leaned purely axially, this can be achieved in that the swirl body does not cover the entire cross section of the enclosing body.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient developments of the task solution according to the invention are in the others Labeled claims.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Exemplary embodiments of the invention are illustrated and explained in more detail below with reference to the drawings. All elements not necessary for the immediate understanding of the invention have been omitted. The direction of flow of the media is indicated by arrows. Identical elements are provided with the same reference symbols in the various figures.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigt:

Fig. 1: einen Vormischbrenner in axialer Sicht
Fig. 2: eine Ansicht von vorne des Vormischbrenners nach Fig. 1,
Fig. 3: einen Vormischbrenner mit einer Kopfdüse ergänzt, zur Eindüsung eines flüssigen Brennstoffes,
Fig. 4: eine Ansicht von vorne des Vormischbrenners gemäss Fig. 3,
Fig. 5: einen weiteren schematisch dargestellten Vormischbrenner mit einer axialen Randströmung,
Fig. 6: eine Ansicht von vorne des Vormischbrenners nach Fig. 5, ebenfalls schematisch dargestellt,
Fig. 7: einen weiteren Vormischbrenner mit Vorkehrungen zur Eindüsung von wasserstoffhaltige Gasen,
Fig. 8: eine Ansicht von vorne des Vormischbrenners nach Fig. 7,
Fig. 9: einen weiteren schematisch dargestellten Vormischbrenner, worin der Drallerzeuger nicht den ganzen Querschnitt des umschliessenden Körpers abdeckt und
Fig. 10: eine Ansicht von vorne des Vormischbrenners nach Fig. 9, ebenfalls schematisch dargestellt.

It shows:

Fig. 1: a premix burner in axial view
Fig. 2: 2 shows a front view of the premix burner according to FIG. 1,
Fig. 3: a premix burner supplemented with a head nozzle for the injection of a liquid fuel,
Fig. 4: 3 shows a view from the front of the premix burner according to FIG. 3,
Fig. 5: another schematically shown premix burner with an axial edge flow,
Fig. 6: 5 shows a view from the front of the premix burner according to FIG. 5, also shown schematically,
Fig. 7: another premix burner with provisions for the injection of hydrogen-containing gases,
Fig. 8: a front view of the premix burner after Fig. 7,
Fig. 9: another schematically shown premix burner, wherein the swirl generator does not cover the entire cross section of the enclosing body and
Fig. 10: a front view of the premix burner according to FIG. 9, also shown schematically.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwertbarkeitWays of carrying out the invention, commercial usability

Zum besseren Verständnis über den Aufbau der nachfolgend zur Beschreibung kommenden Vormischbrenner soll zu den einzelnen Figuren im Aufriss gleichzeitig die entsprechende Ansicht von vorne herangezogen werden.For a better understanding of the structure of the premix burners to be described below, the corresponding view from the front is to be used simultaneously for the individual figures.

Fig. 1 zeigt einen Vormischbrenner 1, welcher aus einem rohrförmigen Körper 2 und einem darin intergrierten hohlen, kegelförmigen Drallerzeuger 3 besteht. Der Drallerzeuger 3 weist in Strömungsrichtung eine kegelförmige abnehmende Kontur auf. Die in den Drallerzeuger einströmende Luft 4 strömt zunächst axial ein, um dann tangential oder quasi-tangential, wie die Pfeile 5 versinnbilchen wollen, von innen nach aussen weiter zu strömen, wobei zu diesem Zweck hier tangentiale Kanäle 6, 7 vorgesehen sind, welche durch Ineinanderschachteln von mindestens zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern 8, 9 entstehen, wobei die Mittelachsen dieser Teilkörper 8, 9 zueinander versetzt verlaufen. Es ist bei bestimmten Betriebskonstellationen nicht ausgeschlossen, dass der Drallerzeuger 3 aus einer einzigen Spirale besteht. Wie oben kurz umrissen, schafft die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachse der kegeligen Teilkörper 8, 9 zueinander bei der benachbarten Wandung jeweils die tangentialen Kanäle 6, 7, durch welche die Verbrennungsluft 5 vom Innenraum 16 des Drallerzeugers 3 in das Rohr 2 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 8, 9 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 8, 9 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, also im Sinne eines Diffusors resp. Konfusors ausgebildet sein. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 8, 9 weisen je eine Brennstoffleitung 10, 11 auf, welche entlang der tangentialen Kanäle 6, 7 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 12, 13 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 14 in die dort durchströmende Verbrennungsluft 5 eingedüst wird, wie dies aus den Pfeilen hervorgeht. Diese Brennstoffleitungen 10, 11 sind vorzugsweise im Bereich der durch die Kanäle 6, 7 vorgegebenen tangentialen Ausströmungen aus dem Drallerzeuger 3 und Einströmung in das Rohr 2 angeordnet, dies um eine optimale Luft/BrennstoffMischung 15 zu erhalten. Ist die Verbrennungsluft 5 zusätzlich vorgeheizt, oder beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas oder Abgas angereichert, so unterstützt dies allgemein nachhaltig die Verdampfung des eingesetzten Brennstoffes 14, insbesondere wenn es sich um einen flüssigen Brennstoff handelt, dessen Eindüsung auch über die genannten Brennstoffleitungen 10, 11 vorgenommen werden kann. Bei der Ausgestaltung der kegeligen Teilkörper 8, 9 hinsichtlich des Kegelwinkels und der Breite der tangentialen Kanäle 6, 7 sind an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 5 resp. des Gemisches 15 am Ausgang des Drallerzeugers 3 einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der Breite der tangentialen Kanäle 6, 7 die Bildung der kritischen Drallzahl, welche mitverantwortlich für die Bildung einer Rückströmzone ist, örtlich begünstigt, wobei gleich anzumerken ist, dass eine diesbezügliche Korrektur auch durch Einwirkung auf die Axialgeschwindigkeit im Bereich des Drallerzeugers 3 möglich ist. Näheres ausführungsmässig hierzu unter Fig. 5. Die kritische Drallzahl lässt sich auch beeinflussen, indem die Breite der tangentialen Kanäle 6, 7 in Strömungsrichtung veränderbar gestaltet ist. Nimmt die Breite der Kanäle 6, 7 in Strömungsrichtung ab, so verschiebt sich der Ort der Bildung der Rückströmzone stromabwärts. Was die Bildung der Rückströmzone wird folgendes ausgeführt: Abströmungseitig des Rohres 2 befindet sich die eigentliche Brennkammer, welche hier nicht näher gezeigt ist. Das Rohr 2 erfüllt hier die Funktion eines Mischrohres, welches stromab des Drallerzeugers 3 eine definierte Mischstrecke bereitstellt, in welcher, unabhängig des eingedüsten Brennstoffes, eine perfekte Vormischung zustande kommt. Diese Mischstrecke ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so dass sich auch in Wirkverbindung mit der sich vorliegend einstellenden Uebergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 2 einen Einfluss auf die Mischungsgüte für den jeweiligen Brennstoff ausgeübt werden kann. Dieses Mischrohr 2 weist indessen eine weitere Eigenschaft auf, welche darin besteht, dass im Mischrohr 2 selbst das Axialgeschwindigkeitsprofil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so dass eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, dass bei einer solchen Konfiguration die Axialgeschwindigkeit zur Wand hin potentiell abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, kann das Mischrohr 2 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl nicht gezeigten Bohrungen verschiedenster Querschnitte und Richtungen versehen werden, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 2 strömt, und entlang der Wand eine Erhöhung der Geschwindigkeit auslösen. Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, dass der Durchflussquerschnitt des Mischrohres 2 abströmungsseitig des Drallerzeugers 3 eine ebenfalls nicht näher gezeigte Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 2 angehoben wird. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Strömung innerhalb des Mischrohres 2 einen nicht tolerierbaren Druckverlust ergeben sollte, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende des Mischrohres 2 ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 2 schliesst sich, wie bereits oben erwähnt, die Brennkammer an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich die zentrale Rückströmzone, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters hat, der hier freilich körperlos ist. Wie bereits angedeutet, setzt die Bildung einer stabilen Rückströmzone auch eine ausreichend hohe Drallzahl im Mischrohr 2 voraus. Bildet sich während des Betriebes innerhalb des genannten Querschnittssprunges eine strömungsmässige Randzone heraus, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone selbst. Ist eine hohe Drallzahl zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zuführ kleiner verdrallter Luftströmungen am Mischrohrende, beispielsweise durch tangentiale Oeffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, dass die benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge beträgt. Die Auslegung des Drallerzeugers 3 eignet sich vorzüglich, die Breite der tangentialen Kanäle 6, 7 veränderbar zu gestalten, womit ohne Eingriff auf die Baulänge des Drallerzeugers 3 eine relativ grosse Betriebsbandbreite erfasst werden kann. Selbstverständlich sind die kegelförmigen Teilkörper 8, 9 auch in einer anderen Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Ueberlappung derselben möglich ist. Es ist des weiteren möglich, die kegelförmigen Teilkörper 8, 9 durch eine gegenläufige drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln. Somit lässt sich erreichen, dass Form, Grösse und Konfiguration der tangentialen Kanäle 6, 7 beliebig variierbar sind, womit der Drallerzeuger 3 ohne Veränderung seiner Baulänge eine breite betriebliche Verfügbarkeit aufweist.1 shows a premix burner 1, which consists of a tubular body 2 and a hollow, conical swirl generator 3 integrated therein. The swirl generator 3 has a conical, decreasing contour in the direction of flow. The air 4 flowing into the swirl generator initially flows axially in order to then continue to flow tangentially or quasi-tangentially, as the arrows 5 want to sense, from the inside to the outside, for which purpose tangential channels 6, 7 are provided here, which pass through Nesting of at least two hollow, conical partial bodies 8, 9 is produced, the central axes of these partial bodies 8, 9 being offset from one another. It is not excluded in certain operating constellations that the swirl generator 3 consists of a single spiral. As briefly outlined above, the offset of the respective central axis or longitudinal axis of symmetry of the tapered partial bodies 8, 9 to one another creates the tangential channels 6, 7 through the adjacent wall, through which the combustion air 5 flows from the interior 16 of the swirl generator 3 into the tube 2. The conical shape of the partial bodies 8, 9 shown in the flow direction has a certain fixed angle. Of course, depending on the operational use, the partial bodies 8, 9 can have an increasing or decreasing cone inclination in the direction of flow, that is, in the sense of a diffuser or. Confusors be formed. The last two forms are not included in the drawing, since they can be easily understood by a person skilled in the art. The two conical partial bodies 8, 9 each have a fuel line 10, 11, which are arranged along the tangential channels 6, 7 and are provided with injection openings 12, 13, through which a gaseous fuel 14 is preferably injected into the combustion air 5 flowing through there, as shown by the arrows. These fuel lines 10, 11 are preferably arranged in the region of the tangential outflows from the swirl generator 3 and inflow into the pipe 2, which are predetermined by the channels 6, 7, in order to obtain an optimal air / fuel mixture 15. If the combustion air 5 is additionally preheated or, for example, enriched with a recirculated flue gas or exhaust gas, this generally supports the evaporation of the fuel 14, particularly if it is a liquid fuel, the injection of which is also carried out via the fuel lines 10, 11 mentioned can be. In the design of the tapered partial body 8, 9 with respect to the cone angle and the width of the tangential channels 6, 7, strict limits per se must be observed so that the desired flow field of the combustion air 5 and. of the mixture 15 at the output of the swirl generator 3 can adjust. In general, it can be said that a reduction in the width of the tangential channels 6, 7 locally favors the formation of the critical swirl number, which is partly responsible for the formation of a return flow zone, although it should be noted that a correction in this regard can also be made by acting on the axial speed in the Area of the swirl generator 3 is possible. For more details, see Fig. 5. The critical Swirl number can also be influenced by making the width of the tangential channels 6, 7 variable in the flow direction. If the width of the channels 6, 7 decreases in the direction of flow, the location of the formation of the return flow zone shifts downstream. As for the formation of the return flow zone, the following is carried out: The actual combustion chamber, which is not shown in more detail here, is located on the outflow side of the tube 2. The tube 2 fulfills the function of a mixing tube, which provides a defined mixing section downstream of the swirl generator 3, in which a perfect premixing takes place, regardless of the fuel injected. This mixing section also enables loss-free flow guidance, so that even in operative connection with the transition geometry that is present here, no backflow zone can initially form, so that an influence on the quality of the mixture for the respective fuel can be exerted over the length of the mixing tube 2. This mixing tube 2, however, has a further property, which consists in the fact that in the mixing tube 2 itself the axial speed profile has a pronounced maximum on the axis, so that the flame cannot re-ignite from the combustion chamber. However, it is correct that with such a configuration the axial velocity potentially drops towards the wall. In order to prevent re-ignition in this area, the mixing tube 2 can be provided in the flow and circumferential direction with a number of bores of various cross-sections and directions, not shown, through which an amount of air flows into the interior of the mixing tube 2, and along the wall an increase in Trigger speed. Another possibility of achieving the same effect is that the flow cross-section of the mixing tube 2 on the downstream side of the swirl generator 3 experiences a narrowing, which is also not shown in any more detail, as a result of which the overall speed level within the mixing tube 2 is increased. If the chosen precaution when guiding the flow within the mixing tube 2 is an intolerable Should there be a pressure loss, this can be remedied by providing a diffuser (not shown in the figure) at the end of the mixing tube 2. As already mentioned above, the combustion chamber adjoins the end of the mixing tube 2, a cross-sectional jump being present between the two flow cross-sections. Only here does the central backflow zone form, which has the properties of a flame holder, which is of course disembodied here. As already indicated, the formation of a stable backflow zone also requires a sufficiently high swirl number in the mixing tube 2. If a flow-like edge zone is formed during operation within the cross-sectional jump mentioned, in which vortex detachments occur due to the prevailing negative pressure, this leads to an increased ring stabilization of the return flow zone itself. If a high swirl number is initially undesirable, stable return flow zones can be smaller by the supply swirled air flows at the end of the mixing tube, for example through tangential openings. It is assumed here that the required air volume is approximately 5-20% of the total air volume. The design of the swirl generator 3 is excellently suited to make the width of the tangential channels 6, 7 changeable, so that a relatively large operating bandwidth can be detected without interfering with the overall length of the swirl generator 3. Of course, the conical partial bodies 8, 9 can also be moved relative to one another in another plane, as a result of which an overlap of the same is even possible. It is also possible to interleave the conical partial bodies 8, 9 in a spiral manner by counter-rotating movement. It can thus be achieved that the shape, size and configuration of the tangential channels 6, 7 can be varied as desired, whereby the swirl generator 3 has a wide operational availability without changing its overall length.

Fig. 2 zeigt die Ausströmung der Verbrennungsluft 5 aus dem Innenraum 16 des Drallerzeugers 3 in das Mischrohr 2, wobei im Bereich der tangentialen Kanäle 6, 7 die Eindüsung des Brennstoffes 14 in den Verbrennungsluftstrom 5 geschieht. Vorzugsweise wird im Bereich der tangentialen Kanäle 6, 7 ein gasförmiger Brennstoff eingedüst.2 shows the outflow of the combustion air 5 from the interior 16 of the swirl generator 3 into the mixing tube 2, the fuel 14 being injected into the combustion air flow 5 in the region of the tangential channels 6, 7. A gaseous fuel is preferably injected in the region of the tangential channels 6, 7.

Fig. 3 und 4 unterscheiden sich gegenüber Fig. 1 und 2 dadurch, dass hier durch den Innenraum des Drallerzeugers 3 eine Brennstofflanze 17 durchgezogen wird, aus welcher im Bereich der Spitze des Drallerzeugers 3 die Brennstoffeindüsung 18 in das Mischrohr 2 erfolgt. Vorzugsweise wird diese Düse 19 mit einem flüssigen Brennstoff 20 betrieben, wobei nicht ausgeschlossen ist, mit einem anderen Brennstoff zu fahren. Bei der Eindüsung eines flüssigen Brennstoffs erweist sich der freie Querschnitt in dieser Ebene als Vorteil, insoweit, als der Oelspraykegel 21, wie die Figur zeigt, grosszügiger ausgelegt werden kann, ohne Gefahr zu laufen, dass die Wände des Mischrohres 2 benetzt werden. Ansonsten entspricht hier die Ausgestaltung des Vormischbrenners 1 derjenigen aus den vorangehenden Figuren.3 and 4 differ from FIGS. 1 and 2 in that a fuel lance 17 is drawn through the interior of the swirl generator 3, from which fuel injection 18 into the mixing tube 2 takes place in the region of the tip of the swirl generator 3. This nozzle 19 is preferably operated with a liquid fuel 20, although it is not excluded that a different fuel is used. When a liquid fuel is injected, the free cross section in this plane proves to be an advantage insofar as the oil spray cone 21, as the figure shows, can be designed more generously without running the risk that the walls of the mixing tube 2 are wetted. Otherwise, the design of the premix burner 1 corresponds to that of the preceding figures.

Die Fig. 5 und 6 übernehmen die Konfiguration aus den Figuren 1 und 2 mit dem Unterschied, dass der Drallerzeuger 3 zusätzlich eine annulare axiale Luftströmung 22 zulässt. Der finale Zweck einer solchen Luftströmung geht aus der Beschreibung unter Fig. 1 hervor, dort wo ausgeführt ist, dass die Bildung der kritischen Drallzahl am richtigen Ort durch eine axiale Eindüsung eines Luftstromes abgestimmt werden kann.5 and 6 adopt the configuration from FIGS. 1 and 2 with the difference that the swirl generator 3 additionally allows an annular axial air flow 22. The final purpose of such an air flow is evident from the description in FIG. 1, where it is stated that the formation of the critical swirl number at the right place can be coordinated by an axial injection of an air flow.

Fig. 7 und 8 lehnen sich an Fig. 3 und 4 an, wobei hier als Weiterbildung Mittel 23 zur Eindüsung eines MBTU- resp. LBTU-Gases 24 in das Mischrohr 2 vorgesehen sind. Diese Eindüsungsart hängt im wesentlichen von der Tatsache ab, dass die Einbringung der benötigten grossen Menge eines solchen Gases 24 schwerlich über die Eindüsungsmöglichkeiten am Drallerzeuger 3 zu erbringen ist.7 and 8 are based on FIGS. 3 and 4, with means 23 for injecting an MBTU resp. LBTU gas 24 are provided in the mixing tube 2. This type of injection essentially depends on the fact that the introduction of the required large amount of such a gas 24 is difficult to provide via the injection options on the swirl generator 3.

Der Vormischbrenner gemäss Fig. 9 und 10 weisen im wesentlichen auf die Fig. 1 und 2 hin, wobei die axiale Eintrittsöffnung 25 dieses Drallerzeugers 3 maximiert ist, d.h. der Eintrittsquerschnitt 25 des Drallerzeugers 3 entspricht dem Querschnitt des Mischrohres 2. Der erstmögliche Durchfluss des Luftstromes 5 durch die tangentialen Kanale 6, 7 liegt strömab des Eintrittsquerschnittes 25. Diese Ausführung ist insbesondere dort sinnvoll, wo die Strömung im äusseren Bereich rein axial ausgerichtet oder abgemagert werden soll.The premix burner according to FIGS. 9 and 10 essentially refer to FIGS. 1 and 2, the axial inlet opening 25 of this swirl generator 3 being maximized, i.e. the inlet cross-section 25 of the swirl generator 3 corresponds to the cross-section of the mixing tube 2. The first possible flow of the air stream 5 through the tangential channels 6, 7 is downstream of the inlet cross-section 25. This embodiment is particularly useful where the flow in the outer area is aligned or leaned purely axially shall be.

BezugszeichenlisteReference list

11: VormischbrennerPremix burner
22nd: Rohr, MischrohrTube, mixing tube
33rd: DrallerzeugerSwirl generator
44th: Einströmende LuftIncoming air
55: Tangentiale oder quasi-tangentiale Ausströmung der Verbrennungsluft, VerbrennungsluftstromTangential or quasi-tangential outflow of the combustion air, combustion air flow
6, 76, 7: Tangentiale KanäleTangential channels
8, 98, 9: Kegelförmige TeilkörperPartial conical body
10, 1110, 11: BrennstoffleitungenFuel lines
12, 1312, 13: EindüsungsöffnungenInjection openings
1414: Brennstofffuel
1515: Luft/Brennstoff-GemischAir / fuel mixture
1616: Innenraum des DrallerzeugersInterior of the swirl generator
1717th: BrennstofflanzeFuel lance
1818th: BrennstoffeindüsungFuel injection
1919th: BrennstoffdüseFuel nozzle
2020th: Brennstofffuel
2121: BrennstoffspraykegelFuel spray cone
2222: Axiale LuftströmungAxial air flow
2323: Eindüsungsmittel für gasförmigen BrennstoffInjector for gaseous fuel
2424th: Niederkalorisches BrenngasLow calorific fuel gas
2525th: Eintrittsöffnung, Eintrittsquerschnitt des DrallerzeugersInlet opening, inlet cross section of the swirl generator

Claims

Burner for a heat generator, essentially consisting of a swirl generator for combustion air, a mixing tube which is operatively connected to the swirl generator, and means for injecting a fuel, characterized in that the swirl generator (3) has a conical shape that is at least partially tapering in the direction of flow , and that the swirl generator (3) has openings (6, 7) tangential in the flow direction for the throughflow of the combustion air (5) from the cavity (16) into the mixing tube (2).

Burner according to claim 1, characterized in that the means for injecting a fuel (14) are nozzles (12, 13) which are arranged in the region of the tangential openings (6, 7).

Burner according to claim 1, characterized in that the means for injecting a fuel (20) consist of at least one nozzle (19) with a fuel injection (18) in the region of the tip of the swirl generator (3).

Burner according to claims 1-3, characterized in that the means for injecting a fuel (14, 20) Nozzles (12, 13) in the region of the tangential openings (6, 7) and consist of a central nozzle (19) in the region of the tip of the swirl generator (3).

Burner according to claim 1, characterized in that a combustion chamber is arranged downstream of the mixing tube, that a cross-sectional jump is present at the transition between the mixing tube (2) and the combustion chamber, and that a backflow zone is effective in the area of this cross-sectional jump.

Burner according to claim 1, characterized in that the swirl generator (3) consists of at least two hollow, conical partial bodies (8, 9) nested one inside the other in the flow direction, in such a way that the respective longitudinal symmetry axes of these partial bodies (8, 9) run offset from one another, in such a way that the adjacent walls of the partial bodies (8, 9) in their longitudinal extent form tangential channels (6, 7) for the flow of a combustion air stream (5).

Burner according to claim 1, characterized in that the swirl generator (3) has a conical decreasing cross section in the flow direction.

Burner according to claim 1, characterized in that the swirl generator (3) takes the form of a confuser in the direction of flow.

Burner according to claim 1, characterized in that the swirl generator (3) has the shape of a diffuser over at least one distance in the direction of flow.

Burner according to claim 1, characterized in that the mixing tube (2) is cylindrical in shape.