EP0777081A2 - Premix burner - Google Patents

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EP0777081A2
EP0777081A2 EP96810738A EP96810738A EP0777081A2 EP 0777081 A2 EP0777081 A2 EP 0777081A2 EP 96810738 A EP96810738 A EP 96810738A EP 96810738 A EP96810738 A EP 96810738A EP 0777081 A2 EP0777081 A2 EP 0777081A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
premix burner
interior
burner according
flow
fuel
Prior art date
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Granted
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EP96810738A
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German (de)
French (fr)
Other versions
EP0777081B1 (en
EP0777081A3 (en
Inventor
Klaus Dr. Döbbeling
Adnan Dr. Eroglu
Hans Peter Knöpfel
Wolfgang Dr. Polifke
Dieter Winkler
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.)
General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland, ABB Research Ltd Sweden filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Publication of EP0777081A2 publication Critical patent/EP0777081A2/en
Publication of EP0777081A3 publication Critical patent/EP0777081A3/en
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Publication of EP0777081B1 publication Critical patent/EP0777081B1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads
    • F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Definitions

  • the present invention relates to a premix burner according to the preamble of claim 1.
  • Lean premixed combustion is a common method of achieving low pollutant emissions, especially nitrogen oxide emissions, when burning fuels with a low nitrogen compound content.
  • experimental burners can further reduce nitrogen oxide emissions by improving the quality of the mixture of air and fuel, particularly when burning under high pressure, as is the case with gas turbines.
  • Conventional spin-stabilized and machine-compatible premix burners only mix the fuel into the combustion air shortly before the flame zone. Studies in this context have shown that none homogeneous mixing of air and fuel up to the flame zone can be achieved. Laying the fuel injection upstream to extend the mixing time and thus improve the quality of the mixture is not permitted due to the associated risk of reignition in a machine-compatible burner.
  • a burner has become known from WO 93/17279, which essentially consists of a cylindrical chamber which in turn has a plurality of tangentially arranged slots through which the combustion air flows into the interior of the chamber.
  • a number of fuel nozzles act in the axial direction, through which a gaseous fuel is preferably mixed with the combustion air flowing through it.
  • the interior of the chamber is further provided with a conical body which tapers in the direction of flow, further fuel nozzles for a preferably liquid fuel being provided in the region of the tip of this conical body. The combustion air is ignited downstream of the cone tip of this body.
  • the flow in the chamber itself must be subcritical, ie the number of swirls must be so small that there is no swirling.
  • the critical swirl number can be achieved in the right place by three parameters: by changing the width of the tangential slots, and on the other hand by adjusting the angle of the conical body in the interior of the chamber and by adding a central supporting air, whether it is swirled or untwisted. Due to the fuel injection in the area of the slots, their design is severely restricted.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as characterized in the claims, is based on the object of improving the mixing quality in a premix burner of the type mentioned at the outset and eliminating the risk of reignition during the entire operation.
  • the main advantage of the invention can be seen in the fact that the improvement can be applied to all swirl-stabilized premix burners, in particular to those that work using the critical swirl number to form a return flow zone and are constructed on the principle of two or more staggered partial shells, the offset partial shells form air inflow slots that run parallel, opening or closing to the burner axis.
  • the outer shell consists of a unitary body in the form of a tube, and the air flows into the interior through a number of tangentially arranged channels.
  • FIGS. 2 or 3 are also used simultaneously with FIG. 1. Furthermore, in order not to make FIG. 1 unnecessarily confusing, the feed channels 11c and 12c according to FIG. 2 or 3 have not been shown in more detail. In the description of FIG. 1, reference is made to the remaining FIGS. 2 and 3 as required.
  • the premix burner according to FIG. 1 consists of two hollow partial shells 11, 12 which are nested in one another offset from one another (cf. FIG. 2). The offset of the respective central axis or longitudinal axis of symmetry 11b, 12b (see FIG.
  • a conical inner body 13 Arranged in the interior 20 is a conical inner body 13 which tapers in the direction of flow, extends far into the interior 20 and largely tapers out.
  • the conical configuration of this inner body 13 is not limited to the shape shown: an outer shape of this inner body 13 as a diffuser or confuser is also possible.
  • the inner body 13 is traversed by at least one bore 14, through which a liquid fuel 16 is preferably conducted into the front area.
  • the injection of the liquid fuel 16 in the area of the tip of the inner body 13 forms the head stage of the premix burner 1.
  • the inner body 13 can easily be supplemented with a swirl generator, not shown in the figure, which supports the mixing of the injected fuel 16.
  • the flow cross section of the interior 20 experiences a cross-sectional jump via a front wall 17, the cross section of which then Flow cross section of the flame tube 21 forms.
  • the front wall 17 itself has a number of bores through which dilution air or cooling air 19 is fed to the front area of the combustion chamber 22 as required. Flame stabilization becomes important when it comes to supporting the compactness of the flame due to radial flattening, which is also important with regard to the fuel injection through the head stage.
  • the combustion mixture 15 consists of air and fuel (see FIG. 2).
  • the combustion mixture 15 can of course also contain portions of a recirculated exhaust gas or an amount of steam.
  • the general rule is that within the cross-sectional jump in the region of the front wall 17 a flow-like edge zone is formed, in which vortex detachments occur due to the negative pressure prevailing there, which in turn support flame stabilization.
  • the dilution air or cold air 19 already mentioned is admixed.
  • the combustion mixture 15 flowing tangentially into the interior 20 creates a swirl of the medium around the inner body 13.
  • a vortex burst occurs, a homogeneous fuel concentration depending on the formation of the tangential air inlet slots or on the installation of vortex generators in the area of the air inlet slots.
  • the ignition takes place at the top of the return flow zone 18: only at this point can a stable flame front arise.
  • a backlash of the flame into the interior 20 of the premix burner 1, as is always latent in the case of the premix sections which have become known, while remedial action is being sought there with complicated flame holders is not to be feared here for the reasons mentioned.
  • the combustion air is additionally preheated or enriched with one of the media mentioned, this supports the evaporation by the inner body 13 introduced liquid fuel 16.
  • the inner body 13 in terms of the conical configuration and the width of the tangential air inlet slots. 11a, 12a are to be observed so that the desired flow field, ie the critical swirl number, of the combustion mixture 15 can be set at the exit of the interior 20.
  • the axial speed of the combustion mixture 15 within the interior 20 of the premix burner 1 can be changed by supplying an axial combustion air flow (not shown in more detail).
  • the design of the premix burner 1 is furthermore excellently suitable for changing the size of the tangential air inlet slots 11a, 12a, with which a relatively large operating bandwidth can be recorded without changing the overall length of the premix burner 1.
  • the partial shells 11, 12 can also be moved relative to one another via this plane, ie it is easily possible to overlap them in the region of the tangential air inlet slots 11a, 12a. It is also possible to use the partial shells 11, 12 to be nested spirally in one another by a counter-rotating movement.
  • the shape and size of the tangential air inlet slots 11a., 12a can thus be varied such that the swirl generation in the premix burner 1 can be adapted to the respective conditions.
  • the tangential air inlet slots 11a, 12a each form the outlet opening of a supply duct 11c, 12c, in which the combustion mixture 15 is formed, detached from the interior 20, before it flows into this interior 20.
  • the feed channels 11c, 12c have vortex generators 11d, 12d, which integrally swirl the air 23 flowing in there.
  • a preferably gaseous fuel 24 is injected, with which the desired air / fuel mixture can then form along the remainder of the supply channels 11c, 12c before it is used as a combustion mixture 15 with an integrally identical consistency flows into the interior 20 over the entire length of the tangential air inlet slots 11a, 12a.
  • the feed channels 11c, 12c shown here have a largely cylindrical shape, the length and flow cross-section of which are designed for optimal air / fuel premixing.
  • the flow to be formed within the supply channels 11c, 12c must be designed in such a way that there is no risk of reignition from the interior 20 if the flame front is to become unstable: due to the arrangement of the vortex generators 11d, 12d shown opposite the fuel injection 24, there is no risk of reignition.
  • the displacement of the central axes 11b, 12b has already been discussed in more detail in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows, in contrast to FIG. 2, supply channels which have a venturi mixer 25a, 25b at an appropriate distance from the tangential air inlet slots 11a, 12a.
  • the fuel injection 24 is at the narrowest point performed. There is also the greatest speed, which ensures the best possible mixture formation, again with the exclusion of a risk of reignition. Otherwise, the structure of FIG. 3 corresponds to that of FIG. 2.
  • FIG. 4 largely corresponds to FIG. 1, in which case the inner body 13 is expanded centrally with a stream of supporting air 26, which serves as a further measure for establishing the critical swirl number at the correct location.
  • the number of shells they are not limited to two. A larger number can be used without further ado. If a spiral entry of the combustion mixture 15 into the interior 20 is desired, this can easily be achieved via a single tangential air inlet slot.
  • the premix burner to be formed by the shells consists of a coherent tube, then the tangential injections into the interior can be achieved through channel-like bushings through the wall thickness of this tube.

Abstract

The pre-mix burner has a vortex stabilising cavity (20), formed from offset part bodies (11,12) fitting in each other, and a conical inner body (13). Input channels (11c,12c) extend upstream of the tangential air input slits (11a,12a) formed by the offset part bodies. Each input channel has at least one device (11d,12d) to cause turbulence in the air flow (23), and a system for introducing the fuel. The fuel should preferably be introduced downstream of the turbulence causing devices.

Description

Technisches GebietTechnical field

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

Stand der TechnikState of the art

Magere vorgemischte Verbrennung ist ein verbreitetes Verfahren zum Erreichen niedriger Schadstoff-Emissionen, insbesondere Stickoxid-Emissionen, bei der Verbrennung von Brennstoffen mit geringem Gehalt an Stickstoffverbindungen. Aus Publikationen ist bekanntgeworden, dass mit Experimentalbrennern durch Verbesserung der Mischungsgüte von Luft und Brennstoff eine weitere Verringerung der Stickoxid-Emissionen, insbesondere bei der Verbrennung unter hohem Druck, wie dies bei Gasturbinen der Fall ist, möglich ist. Eine Uebertragung solcher Experimentalbrenner auf die Maschinentechnologie ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, da hier hohe Anforderungen bezüglich Flammenstabilisierung und Rückzündsicherheit bestehen. Herkömmliche drallstabilisierte und maschinentaugliche Vormischbrenner mischen den Brennstoff erst kurz vor der Flammenzone in die Verbrennungsluft ein. Untersuchungen in diesem Zusammenhang haben ergeben, dass hiermit noch keine homogene Vermischung von Luft und Brennstoff bis zur Flammenzone erreicht werden kann. Eine Verlegung der Brennstoffeindüsung stromauf zur Verlängerung der Mischungszeit und damit Verbesserung der Mischungsgüte ist wegen der damit verbundenen Rückzündungsgefahr in einem maschinentauglichen Brenner nicht zugelassen.Lean premixed combustion is a common method of achieving low pollutant emissions, especially nitrogen oxide emissions, when burning fuels with a low nitrogen compound content. From publications it has become known that experimental burners can further reduce nitrogen oxide emissions by improving the quality of the mixture of air and fuel, particularly when burning under high pressure, as is the case with gas turbines. However, it is not readily possible to transfer such experimental burners to machine technology, since there are high requirements with regard to flame stabilization and protection against reignition. Conventional spin-stabilized and machine-compatible premix burners only mix the fuel into the combustion air shortly before the flame zone. Studies in this context have shown that none homogeneous mixing of air and fuel up to the flame zone can be achieved. Laying the fuel injection upstream to extend the mixing time and thus improve the quality of the mixture is not permitted due to the associated risk of reignition in a machine-compatible burner.

Aus WO 93/17279 ist ein Brenner bekanntgeworden, der im wesentlichen aus einer zylindrischen Kammer besteht, welche ihrerseits mehrere tangential angeordnete Schlitze aufweist, durch welche die Verbrennungsluft ins Innere der Kammer strömt. Im Bereich dieser Schlitze, am Uebergang zum Innenraum der Kammer, wirken in axialer Richtung eine Reihe von Brennstoffdüsen, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff der dort durchströmenden Verbrennungsluft beigemischt wird. Der Innenraum der Kammer ist des weiteren mit einem kegelförmigen Körper versehen, der sich in Strömungsrichtung verjüngt, wobei im Bereich der Spitze dieses kegelförmigen Körpers weitere Brennstoffdüsen für einen vorzugsweise flüssigen Brennstoff vorgesehen sind. Stromab der Kegelspitze dieses Körpers wird die Verbrennungsluft zur Zündung gebracht. Um die Flamme ausserhalb der Vormischstrecke des Brenners stabil zu halten, muss die Strömung in der Kammer selbst unterkritisch sein, d.h., die Drallzahl muss hier so klein sein, dass es zu keinem Wirbelaufplatzen kommt. Die kritische Drallzahl lässt sich durch drei Parameter am richtigen Ort erreichen: Durch eine Veränderung der Breite der tangentialen Schlitze, und andererseits durch eine Anpassung des Winkels des kegeligen Körpers im Innenraum der Kammer und durch Zugabe einer zentralen Stützluft, sei sie verdrallt oder unverdrallt. Durch die Brennstoffeindüsung im Bereich der Schlitze sind diese in ihrer Auslegung aber stark eingeschränkt. Darüber hinaus lässt sich eine optimale homogene Vermischung von Luft und Brennstoff nicht unmittelbar erreichen, dies gilt insbesondere für jene Brennstoffeindüsungen, die sich am Ende des Brenners befinden, und die sich demnach im unmittelbaren Bereich der Ebene der Flammenfront befinden, womit durch diese Nähe überdies eine latente Rückzündungsgefahr besteht.A burner has become known from WO 93/17279, which essentially consists of a cylindrical chamber which in turn has a plurality of tangentially arranged slots through which the combustion air flows into the interior of the chamber. In the area of these slots, at the transition to the interior of the chamber, a number of fuel nozzles act in the axial direction, through which a gaseous fuel is preferably mixed with the combustion air flowing through it. The interior of the chamber is further provided with a conical body which tapers in the direction of flow, further fuel nozzles for a preferably liquid fuel being provided in the region of the tip of this conical body. The combustion air is ignited downstream of the cone tip of this body. In order to keep the flame stable outside the premixing section of the burner, the flow in the chamber itself must be subcritical, ie the number of swirls must be so small that there is no swirling. The critical swirl number can be achieved in the right place by three parameters: by changing the width of the tangential slots, and on the other hand by adjusting the angle of the conical body in the interior of the chamber and by adding a central supporting air, whether it is swirled or untwisted. Due to the fuel injection in the area of the slots, their design is severely restricted. In addition, optimal homogeneous mixing of air and fuel cannot be achieved directly, this applies in particular to those fuel injections which are at the end of the burner and which are accordingly are located in the immediate area of the plane of the flame front, so that there is also a latent risk of reignition due to this proximity.

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 Vormischbrenner der eingangs genannten Art die Mischungsgüte zu verbessern, und die Rückzündungsgefahr während des ganzen Betriebes zu eliminieren.The invention seeks to remedy this. The invention, as characterized in the claims, is based on the object of improving the mixing quality in a premix burner of the type mentioned at the outset and eliminating the risk of reignition during the entire operation.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass sich die Verbesserung bei allen drallstabilisierten Vormischbrennern, insbesondere bei denjenigen, die unter Inanspruchnahme der kritischen Drallzahl zur Bildung einer Rückströmzone funktionieren, anwenden lässt, die nach dem Prinzip zweier oder mehrerer versetzter Teilschalen aufgebaut sind, wobei die versetzten Teilschalen Lufteinströmungsschlitze bilden, die parallel, öffnend oder schliessend zur Brennerachse verlaufen.The main advantage of the invention can be seen in the fact that the improvement can be applied to all swirl-stabilized premix burners, in particular to those that work using the critical swirl number to form a return flow zone and are constructed on the principle of two or more staggered partial shells, the offset partial shells form air inflow slots that run parallel, opening or closing to the burner axis.

Dasselbe gilt auch für jene Brenner, bei welchen die Aussenschale aus einem einheitlichen Körper in Form eines Rohres besteht, und die Lufteinströmung ins Innere durch eine Anzahl von tangential angeordneten Kanälen geschieht.The same applies to those burners in which the outer shell consists of a unitary body in the form of a tube, and the air flows into the interior through a number of tangentially arranged channels.

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 characterized in the further claims.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen worden. 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 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 with Arrows indicated. 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 eine schematische Darstellung eines Vormischbrenners, mit versetzten Teilschalen und einem kegelförmigen Innenkörper,
  • Fig. 2 einen Schnitt durch den Vormischbrenner längs Ebene II.-II. aus Fig. 1, wobei der Vormischbrenner verlängernde Kanäle mit Wirbelerzeugern stromauf der Lufteintrittsschlitze aufweist,
  • Fig. 3 eine weitere Darstellung gemäss Fig. 2, wobei die verlängernden Kanäle mit einem Venturimischer ausgestattet sind und
  • Fig. 4 einen weiteren Vormischbrenner, im wesentlichen nach Fig. 1, jedoch mit einer zentralen Stützluft.
It shows:
  • 1 is a schematic representation of a premix burner, with offset partial shells and a conical inner body,
  • Fig. 2 shows a section through the premix burner along the plane II.-II. 1, the premix burner having channels extending with vortex generators upstream of the air inlet slots,
  • FIG. 3 shows a further illustration according to FIG. 2, the lengthening channels being equipped with a Venturi mixer and
  • Fig. 4 shows another premix burner, essentially according to Fig. 1, but with a central supporting air.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION, INDUSTRIAL APPLICABILITY

Um den Aufbau des Vormischbrenners 1 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 1 auch Fig. 2 oder 3 herangezogen werden. Des weiteren, um Fig. 1 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind die Zuführungskanäle llc und 12c gemäss Fig. 2 oder 3 nicht näher gezeigt worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 1 nach Bedarf auf die restlichen Fig. 2 und 3 hingewiesen. Der Vormischbrenner nach Fig. 1 besteht aus zwei hohlen Teilschalen 11, 12, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind (Vgl. hierzu Fig. 2). Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachse 11b, 12b (Vgl. Fig. 2) zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, je einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 11a, 12a frei, durch welche ein Verbrennungsgemisch 15 in einen von den Teilschalen 11, 12 gebildeten Innenraum 20 des Vormischbrenners 1 strömt. Auf die Ausgestaltung dieser Lufteintrittsschlitze 11a, 12a wird unten näher eingegangen. Die genannten Schalen 11, 12 verlaufen in Strömungsrichtung zylindrisch.
Der vom Innenraum 20 gebildeten Durchflussquerschnitt kann indessen in Strömungsrichtung, je nach Einsatz, regelmässig oder unregelmässig abnehmend oder zunehmend ausgestaltet sein. Als Beispiel soll hier ein in Strömungsrichtung als Venturirohr ausgebildeter Durchflussquerschnitt des Innenraumes 20 dienen. Die genannten Ausführungsmöglichkeiten sind nicht näher gezeigt, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. In dem Innenraum 20 ist ein kegelförmiger Innenkörper 13 angeordnet, der sich in Strömungsrichtung verjüngt, bis weit in den Innenraum 20 reicht und weitgehend spitzenförmig ausläuft. Die kegelige Ausgestaltung dieses Innenkörpers 13 ist nicht auf die dargestellte Form beschränkt: Eine äussere Form dieses Innenkörpers 13 als Diffusor oder Konfusor ist auch möglich. Der Innenkörper 13 ist mindestens von einer Bohrung 14 durchzogen, durch welche vorzugsweise ein flüssiger Brennstoff 16 in den vorderen Bereich geleitet wird. Die Eindüsung des flüssigen Brennstoffes 16 im Bereich der Spitze des Innenkörpers 13 bildet die Kopfstufe des Vormischbrenners 1. In diesem Bereich lässt sich der Innenkörper 13 ohne weiteres mit einem in der Figur nicht gezeigten Drallerzeuger ergänzen, der die Vermischung des eingedüsten Brennstoffes 16 unterstützt. Brennraumseitig 22 erfährt der Durchflussquerschnitt des Innenraumes 20 über eine Frontwand 17 einen Querschnittssprung, dessen Querschnitt dann den Durchflussquerschnitt des Flammenrohres 21 bildet. In dieser Ebene bildet sich auch die Rückströmzone oder Rückströmblase 18, welche die Flammenstabilisierung induziert. Die Frontwand 17 selbst weist eine Anzahl Bohrungen auf, durch welche nach Bedarf Verdünnungsluft oder Kühlluft 19 dem vorderen Bereich des Brennraumes 22 zugeführt wird. Die Flammenstabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht, die Kompaktheit der Flamme infolge einer radialen Verflachung zu stützen, was auch im Hinblick auf die Brennstoffeindüsung durch die Kopfstufe wichtig ist. Das Verbrennungsgemisch 15 besteht aus Luft und Brennstoff (Vgl. Fig. 2). Selbstverständlich kann das Verbrennungsgemisch 15 auch Anteile eines rückgeführten Abgases oder eine Dampfmenge enthalten. Allgemein gilt, dass sich innerhalb des Querschnittssprunges im Bereich der Frontwand 17 eine strömungsmässige Randzone bildet, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, welche dann ihrerseits die Flammenstabilisierung unterstützen. Je nach Grad der Unterstützung wird die bereits erwähnte Verdünnungsluft oder Kaltluft 19 zugemischt. Durch das tangential in den Innenraum 20 einströmende Verbrennungsgemisch 15 entsteht um den Innenkörper 13 herum eine Verdrallung des Mediums. Im Bereich der Ebene der Frontwand 17 bildet sich aufgrund der dort entstehenden überkritischen Drallströmung ein Wirbelaufplatzen, wobei eine homogene Brennstoffkonzentration von der Ausbildung der tangentialen Lufteintrittsschlitze oder vom Einbau von Wirbelerzeugern im Bereich der Lufteintrittsschlitze abhängt. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 18: Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront entstehen. Ein Rückschlag der Flamme in den Innenraum 20 des Vormischbrenners 1, wie dies bei den bekanntgewordenen Vormischstrecken stets latent gegeben ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier aus genannten Gründen nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft zusätzlich vorgeheizt oder mit einem der erwähnten Medien angereichert, so unterstützt dies die Verdampfung des durch den Innenkörper 13 herangeführten flüssigen Brennstoff 16. Bei der Gestaltung des Innenkörpers 13 hinsichtlich der kegeligen Konfiguration und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze. 11a, 12a sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld, d.h. die kritische Drallzahl, des Verbrennungsgemisches 15 am Ausgang des Innenraumes 20 einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung des Durchflussquerschnittes der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a die Rückströmzone 18 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann das Gemisch früher zur Zündung kommt, was hier die Gefahr einer Kollision mit der Spitze des Innenkörpers 13 auslösen kann, wenn dieser zu weit in den Innenraum 20 reicht. Immerhin kann festgehalten werden, dass die einmal fixierte Rückströmzone 18 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Kegelform des Innenkörpers 13 zu. Selbstverständlich kann der Durchflussquerschnitt der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a in Strömungsrichtung veränderbar gestaltet werden, beispielsweise in Strömungsrichtung abnehmend, dies um die Rückströmzone 18 am Ausgang des Innenraumes 20 stabiler zu gestalten. Die Axialgeschwindigkeit des Verbrennungsgemisches 15 innerhalb des Innenraumes 20 des Vormischbrenners 1 lässt sich durch eine nicht näher gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Die Konstruktion des Vormischbrenners 1 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze lla, 12a zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Vormischbrenners 1 eine relativ grosse Betriebsbandbreite erfasst werden kann.In order to better understand the structure of the premix burner 1, it is advantageous if FIGS. 2 or 3 are also used simultaneously with FIG. 1. Furthermore, in order not to make FIG. 1 unnecessarily confusing, the feed channels 11c and 12c according to FIG. 2 or 3 have not been shown in more detail. In the description of FIG. 1, reference is made to the remaining FIGS. 2 and 3 as required. The premix burner according to FIG. 1 consists of two hollow partial shells 11, 12 which are nested in one another offset from one another (cf. FIG. 2). The offset of the respective central axis or longitudinal axis of symmetry 11b, 12b (see FIG. 2) to one another creates a tangential air inlet slot 11a, 12a on both sides, in a mirror-image arrangement, through which a combustion mixture 15 is formed in one of the partial shells 11, 12 Interior 20 of the premix burner 1 flows. The configuration of these air inlet slots 11a, 12a is discussed in more detail below. The shells 11, 12 mentioned are cylindrical in the direction of flow.
The flow cross section formed by the interior 20 can, however, be designed to decrease or increase in the flow direction, depending on the application, regularly or irregularly. A flow cross-section of the interior 20 designed as a Venturi tube in the flow direction is to serve as an example here. The design options mentioned are not shown in any more detail, since they are readily apparent to the person skilled in the art. Arranged in the interior 20 is a conical inner body 13 which tapers in the direction of flow, extends far into the interior 20 and largely tapers out. The conical configuration of this inner body 13 is not limited to the shape shown: an outer shape of this inner body 13 as a diffuser or confuser is also possible. The inner body 13 is traversed by at least one bore 14, through which a liquid fuel 16 is preferably conducted into the front area. The injection of the liquid fuel 16 in the area of the tip of the inner body 13 forms the head stage of the premix burner 1. In this area, the inner body 13 can easily be supplemented with a swirl generator, not shown in the figure, which supports the mixing of the injected fuel 16. On the combustion chamber side 22, the flow cross section of the interior 20 experiences a cross-sectional jump via a front wall 17, the cross section of which then Flow cross section of the flame tube 21 forms. The backflow zone or backflow bubble 18, which induces flame stabilization, also forms in this plane. The front wall 17 itself has a number of bores through which dilution air or cooling air 19 is fed to the front area of the combustion chamber 22 as required. Flame stabilization becomes important when it comes to supporting the compactness of the flame due to radial flattening, which is also important with regard to the fuel injection through the head stage. The combustion mixture 15 consists of air and fuel (see FIG. 2). The combustion mixture 15 can of course also contain portions of a recirculated exhaust gas or an amount of steam. The general rule is that within the cross-sectional jump in the region of the front wall 17 a flow-like edge zone is formed, in which vortex detachments occur due to the negative pressure prevailing there, which in turn support flame stabilization. Depending on the degree of support, the dilution air or cold air 19 already mentioned is admixed. The combustion mixture 15 flowing tangentially into the interior 20 creates a swirl of the medium around the inner body 13. In the area of the plane of the front wall 17, due to the supercritical swirl flow occurring there, a vortex burst occurs, a homogeneous fuel concentration depending on the formation of the tangential air inlet slots or on the installation of vortex generators in the area of the air inlet slots. The ignition takes place at the top of the return flow zone 18: only at this point can a stable flame front arise. A backlash of the flame into the interior 20 of the premix burner 1, as is always latent in the case of the premix sections which have become known, while remedial action is being sought there with complicated flame holders is not to be feared here for the reasons mentioned. If the combustion air is additionally preheated or enriched with one of the media mentioned, this supports the evaporation by the inner body 13 introduced liquid fuel 16. In the design of the inner body 13 in terms of the conical configuration and the width of the tangential air inlet slots. 11a, 12a are to be observed so that the desired flow field, ie the critical swirl number, of the combustion mixture 15 can be set at the exit of the interior 20. In general, it can be said that a reduction in the flow cross section of the tangential air inlet slots 11a, 12a shifts the return flow zone 18 further upstream, as a result of which the mixture then comes to ignition earlier, which here can trigger the risk of a collision with the tip of the inner body 13 if it closes extends far into the interior 20. At least it can be stated that the backflow zone 18, once fixed, is positionally stable, because the number of swirls increases in the direction of flow in the region of the cone shape of the inner body 13. Of course, the flow cross section of the tangential air inlet slots 11a, 12a can be made changeable in the flow direction, for example decreasing in the flow direction, in order to make the return flow zone 18 at the outlet of the interior 20 more stable. The axial speed of the combustion mixture 15 within the interior 20 of the premix burner 1 can be changed by supplying an axial combustion air flow (not shown in more detail). The design of the premix burner 1 is furthermore excellently suitable for changing the size of the tangential air inlet slots 11a, 12a, with which a relatively large operating bandwidth can be recorded without changing the overall length of the premix burner 1.

Fig. 2 zeigt die Konfiguration der ineinandergeschachtelten Teilschalen 11, 12. Selbstverständlich sind die Teilschalen 11, 12 auch über diese Ebene zueinander verschiebbar, d.h., es ist ohne weiteres möglich, eine Ueberlappung derselben im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a zu bewerkstelligen. Es ist des weiteren auch möglich, die Teilschalen 11, 12 durch eine gegenläufige drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln. Somit lassen sich Form und Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a., 12a so varieren, dass die Drallerzeugung im Vormischbrenner 1 den jeweiligen Verhältnissen angepasst werden kann. Die tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a bilden jeweils die Austrittsöffnung eines Zuführungskanals 11c, 12c, in welchem weit losgelöst vom Innenraum 20 das Verbrennungsgemisch 15 gebildet wird, bevor es in diesen Innenraum 20 strömt. In genügendem Abstand stromauf der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a weisen die Zuführungskanäle llc, 12c Wirbelerzeuger 11d, 12d auf, welche die dort einströmende Luft 23 integral verdrallen. In angemessenem Abstand stromabwärts dieser Wirbelerzeuger 11d, 12d wird die Eindüsung eines vorzugsweise gasförmigen Brennstoffes 24 vorgenommen, womit sich dann entlang der restlichen Strecke der Zuführungskanäle llc, 12c das angestrebte Luft/Brennstoff-Gemisch bilden kann, bevor dieses als Verbrennungsgemisch 15 in integral gleicher Konsistenz über die ganze Länge der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a in den Innenraum 20 strömt. Die hier gezeigten Zuführungskanäle 11c, 12c weisen eine weitgehend zylindrische Form auf, deren Länge und Durchflussquerschnitt auf eine optimale Luft/Brennstoff-Vorvermischung ausgelegt sind. Die innerhalb der Zuführungskanäle 11c, 12c zu bildende Strömung muss so ausgelegt sein, dass vom Innenraum 20 her, falls eine Unstabilität der Flammenfront entstehen sollte, keine Rückzündungsgefahr aufkommt: Durch die gezeigte Anordnung der Wirbelerzeuger 11d, 12d gegenüber der Brennstoffeindüsung 24 besteht keine Rückzündungsgefahr. Auf die Versetzung der Mittelachsen llb, 12b wurde bereits unter Fig. 1 näher eingegangen.2 shows the configuration of the nested partial shells 11, 12. Of course, the partial shells 11, 12 can also be moved relative to one another via this plane, ie it is easily possible to overlap them in the region of the tangential air inlet slots 11a, 12a. It is also possible to use the partial shells 11, 12 to be nested spirally in one another by a counter-rotating movement. The shape and size of the tangential air inlet slots 11a., 12a can thus be varied such that the swirl generation in the premix burner 1 can be adapted to the respective conditions. The tangential air inlet slots 11a, 12a each form the outlet opening of a supply duct 11c, 12c, in which the combustion mixture 15 is formed, detached from the interior 20, before it flows into this interior 20. At a sufficient distance upstream of the tangential air inlet slots 11a, 12a, the feed channels 11c, 12c have vortex generators 11d, 12d, which integrally swirl the air 23 flowing in there. At a suitable distance downstream of these vortex generators 11d, 12d, a preferably gaseous fuel 24 is injected, with which the desired air / fuel mixture can then form along the remainder of the supply channels 11c, 12c before it is used as a combustion mixture 15 with an integrally identical consistency flows into the interior 20 over the entire length of the tangential air inlet slots 11a, 12a. The feed channels 11c, 12c shown here have a largely cylindrical shape, the length and flow cross-section of which are designed for optimal air / fuel premixing. The flow to be formed within the supply channels 11c, 12c must be designed in such a way that there is no risk of reignition from the interior 20 if the flame front is to become unstable: due to the arrangement of the vortex generators 11d, 12d shown opposite the fuel injection 24, there is no risk of reignition. The displacement of the central axes 11b, 12b has already been discussed in more detail in FIG. 1.

Fig. 3 zeigt, im Unterschied zu Fig. 2, Zuführungskanäle, welche in angemessenem Abstand zu den tangentialen Lufteintrittsschlitzen 11a, 12a ein Venturimischer 25a, 25b aufweisen. Die Brennstoffeindüsung 24 wird an der engsten Stelle vorgenommen. Dort herrscht auch die grösste Geschwindigkeit vor, womit eine bestmögliche Gemischbildung sichergestellt ist, wiederum unter Ausschaltung einer Rückzündungsgefahr. Ansonsten entspricht der Aufbau von Fig. 3 demjenigen von Fig. 2.3 shows, in contrast to FIG. 2, supply channels which have a venturi mixer 25a, 25b at an appropriate distance from the tangential air inlet slots 11a, 12a. The fuel injection 24 is at the narrowest point performed. There is also the greatest speed, which ensures the best possible mixture formation, again with the exclusion of a risk of reignition. Otherwise, the structure of FIG. 3 corresponds to that of FIG. 2.

Fig. 4 entspricht weitgehend Fig. 1, wobei hier der Innenkörper 13 zentral mit einem Strom von Stützluft 26 erweitert ist, welche als weitere Massnahme zur Erstellung der kritischen Drallzahl am richtigen Ort dient.FIG. 4 largely corresponds to FIG. 1, in which case the inner body 13 is expanded centrally with a stream of supporting air 26, which serves as a further measure for establishing the critical swirl number at the correct location.

Was die Anzahl Schalen betrifft, so sind sie nicht auf zwei beschränkt. Eine grössere Anzahl ist ohne weiteres einsetzbar. Wird ein spiralförmiger Einlauf des Verbrennungsgemi-sches 15 in den Innenraum 20 angestrebt, so lässt sich dies ohne weiteres über einen einzigen tangentialen Lufteintritts-schlitz erreichen.As for the number of shells, they are not limited to two. A larger number can be used without further ado. If a spiral entry of the combustion mixture 15 into the interior 20 is desired, this can easily be achieved via a single tangential air inlet slot.

Besteht der von den Schalen zu bildende Vormischbrenner aus einem zusammenhängenden Rohr, so lassen sich die tangentialen Eindüsungen in den Innenraum durch kanalartige Durchführungen durch die Wanddicke ebendieses Rohres erreichen.If the premix burner to be formed by the shells consists of a coherent tube, then the tangential injections into the interior can be achieved through channel-like bushings through the wall thickness of this tube.

BezugszeichenlisteReference list

11
VormischbrennerPremix burner
1111
SchaleBowl
11a11a
Tangentialer LufteintrittsschlitzTangential air inlet slot
11b11b
Mittelachse, LängssymmetrieachseCentral axis, longitudinal axis of symmetry
11c11c
ZuführungskanalFeed channel
11d11d
WirbelerzeugerVortex generator
1212th
SchaleBowl
12a12a
Tangentialer LufteintrittsschlitzTangential air inlet slot
12b12b
Mittelachse, LängssymmetrieachseCentral axis, longitudinal axis of symmetry
12c12c
ZuführungskanalFeed channel
12d12d
WirbelerzeugerVortex generator
1313
InnenkörperInner body
1414
Leitung für Brennstoffzuführung durch Innenkörper 13Line for fuel supply through inner body 13
1515
Verbrennungsgemisch aus Luft und BrennstoffCombustion mixture from air and fuel
1616
Brennstoff, flüssiger BrennstoffFuel, liquid fuel
1717th
FrontwandFront wall
1818th
Rückströmzone, RückströmblaseBackflow zone, backflow bubble
1919th
Verdünnungsluft, KaltluftDilution air, cold air
2020th
Innenraum des VormischbrennersInterior of the premix burner
2121
Flammrohr, Durchflussquerschnitt des Brennraumes 22Flame tube, flow cross section of the combustion chamber 22
2222
BrennraumCombustion chamber
2323
Luftair
2424th
Brennstoff, gasförmiger BrennstoffFuel, gaseous fuel
25a25a
VenturimischerVenturi mixer
25b25b
VenturimischerVenturi mixer
2626
Zentrale StützluftCentral support air

Claims (13)

Vormischbrenner mit einem drallstabilisierenden Innenraum (20), der mit einem in Strömungsrichtung des Innenraumes (20) kegelförmig verlaufenden Innenkörper (13) bestückt ist, wobei die Ummantelung des Innenraumes (20) durch mindestens einen in Längserstreckung tangential angeordneten Lufteintrittsschlitz (11a, 12a) für die Durchströmung eines Verbrennungs-mediums (15) in den Innenraum (20) durchbrochen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromauf des tangentialen Luftein-trittsschlitzes (11a, 12a) ein Zuführungskanal (11c, 12c) erstreckt, der mindestens mit Mitteln zur Verwirbelung eines Luftstromes (23) und zur Einbringung eines Brennstoffes (24) bestückt ist.Premix burner with a swirl-stabilizing interior (20), which is equipped with an inner body (13) which is tapered in the direction of flow of the interior (20), the casing of the interior (20) being provided with at least one air inlet slot (11a, 12a) arranged tangentially in the longitudinal direction the flow of a combustion medium (15) into the interior (20) is interrupted, characterized in that upstream of the tangential air inlet slot (11a, 12a) extends a feed channel (11c, 12c) which at least has means for swirling a Air flow (23) and for introducing a fuel (24) is equipped. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Ummantelung des Innenraumes (20) gebildete Durchflussquerschnitt in Strömungsrichtung zylindrisch verläuft.Premix burner according to claim 1, characterized in that the flow cross-section formed by the casing of the interior (20) is cylindrical in the direction of flow. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Ummantelung des Innenraumes (20) gebildete Durchflussquerschnitt in Strömungsrichtung die Form einer Venturistrecke aufweist.Premix burner according to claim 1, characterized in that the flow cross-section formed by the casing of the interior (20) has the shape of a venturi section in the flow direction. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung des Innenraumes (20) aus mindestens zwei versetzt zueinander ineinandergeschachtelten Teilschalen (11, 12) besteht, und dass die benachbarten Wandungen der Teilschalen in deren Längserstreckung tangentiale Lufteintrittsschlitze (11a, 12a) für die Durchströmung des Verbrennungsmediums (15) in den Innenraum bilden.Premix burner according to claim 1, characterized in that the casing of the interior (20) consists of at least two partial shells (11, 12) nested in one another offset from one another, and in that the adjacent walls of the partial shells form tangential air inlet slots (11a, 12a) in the longitudinal extension for the flow of the combustion medium (15) into the interior. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Optimierung der Mischungsgüte zwischen Luft (23) und Brennstoff (24) innerhalb des Zuführungskanals (11c, 12c) Wirbelerzeuger (11d, 12d) sind, und dass die Einbringung des Brennstoffes (24) stromab dieser Wirbelerzeuger (11d, 12d) stattfindet.Premix burner according to claim 1, characterized in that the means for optimizing the quality of the mixture between air (23) and fuel (24) within the feed channel (11c, 12c) are vortex generators (11d, 12d), and that the introduction of the fuel (24) downstream of this vortex generator (11d, 12d) takes place. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (24) an engster Stelle eines im Zuführungskanal (11c, 12c) gebildeten Venturimischers (25a, 25b) einführbar ist.Premix burner according to claim 1, characterized in that the fuel (24) can be introduced at the narrowest point of a venturi mixer (25a, 25b) formed in the feed channel (11c, 12c). Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Innenraumes (20) ein Brennraum (22) angeordnet ist, dass zwischen Innenraum und Brennraum über eine Frontwand (17) ein Querschnittssprung (21) vorhanden ist, und dass im Bereich der Ebene dieses Querschnittssprunges (21) eine Rückströmzone (18) wirkbar ist.Premix burner according to claim 1, characterized in that a combustion chamber (22) is arranged downstream of the interior (20), that a cross-sectional jump (21) is present between the interior and the combustion chamber via a front wall (17), and that in the area of the plane of this cross-sectional jump (21) a backflow zone (18) is effective. Vormischbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontwand (17) mit einer Anzahl Oeffnungen zur Zuführung eines Luftstromes (19) in den Brennraum (22) versehen ist.Premix burner according to claim 7, characterized in that the front wall (17) is provided with a number of openings for supplying an air flow (19) into the combustion chamber (22). Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkörper (13) mit mindestens einer Brennstoffleitung (14) versehen ist, durch welche ein Brennstoff (16) und/oder eine Stützluft (26) in den Innenraum (20) zuführbar ist.Premix burner according to claim 1, characterized in that the inner body (13) is provided with at least one fuel line (14) through which a fuel (16) and / or supporting air (26) can be fed into the interior (20). Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkörper (13) im Bereich seiner Spitze mit mindestens einem Drallerzeuger bestückt ist.Premix burner according to Claim 1, characterized in that the inner body (13) is equipped with at least one swirl generator in the region of its tip. Vormischbrenner nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze (11a, 12a) in Längsrichtung des Vormischbrenners (1) einen abnehmenden Durchflussquerschnitt aufweisen.Premix burner according to claims 1 and 4, characterized in that the tangential air inlet slots (11a, 12a) have a decreasing flow cross-section in the longitudinal direction of the premix burner (1). Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelförmig verlaufende Innenkörper (13) die Form eines Diffusors einnimmt.Premix burner according to claim 1, characterized in that the tapered inner body (13) takes the form of a diffuser. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennnzeichnet, dass der kegelförmig verlaufende Innenkörper (13) die Form eines Konfusors einnimmt.Premix burner according to claim 1, characterized in that the conical inner body (13) takes the form of a confuser.
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