EP0780628A2 - Premix burner for a heat generator - Google Patents

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EP0780628A2
EP0780628A2 EP96810786A EP96810786A EP0780628A2 EP 0780628 A2 EP0780628 A2 EP 0780628A2 EP 96810786 A EP96810786 A EP 96810786A EP 96810786 A EP96810786 A EP 96810786A EP 0780628 A2 EP0780628 A2 EP 0780628A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
premix burner
flow
fuel
partial bodies
burner according
Prior art date
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EP96810786A
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German (de)
French (fr)
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EP0780628A3 (en
EP0780628B1 (en
Inventor
Hans Peter Knöpfel
Thomas Ruck
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
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland, ABB Research Ltd Sweden filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Publication of EP0780628A2 publication Critical patent/EP0780628A2/en
Publication of EP0780628A3 publication Critical patent/EP0780628A3/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0780628B1 publication Critical patent/EP0780628B1/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • 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.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the object of the invention is to achieve flame stabilization in a premix burner of the type mentioned at the outset with maximized efficiency and minimization of pollutant emissions.
  • the essential measure of the invention relates to the position of the head-side fuel nozzle, which is upstream by a certain distance from the inflow of the combustion air is set back, this distance depends on the selected spray angle.
  • the mouth of the fuel nozzle comes to a standstill in the area of a solid casing, which means that openings can be provided radially around the nozzle mouth, through which purge air flows into the cross section induced by the fuel nozzle.
  • the flow cross-section of these openings is selected such that the air mass flow flowing through these openings in gas operation is not sufficient to shift the backflow zone further downstream.
  • the fuel spray acts practically as a jet pump, which increases the air mass flow through the openings mentioned. This causes a larger axial impulse that shifts the backflow zone further downstream.
  • Another advantage of the invention is that the fuel spray with a larger cone radius enters the main flow, that is to say into the combustion air flowing through the tangential air inlet slots, due to the setback of the fuel nozzle.
  • the fuel spray has already decayed from a film into drops in this plane and the conical surface area of this fuel spray has increased by a factor of 3 when entering the combustion air area from the tangential air inlet slots. This improves the spread of the fuel spray and does not hinder the inflow of the combustion air.
  • Another significant advantage of the invention is that by varying the opening cross-sections for the Air mass flow in the area of the fuel nozzle, the backflow zone and thus the flame position can be directly influenced during operation.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a premix burner, which is described in more detail in the following Fig. 2-5.
  • 1 is the representation of the fuel nozzle 103 placed in the middle, which is opposite the beginning 125 of the conical flow cross-section is set back upstream, the distance 126 depending on the selected spray angle 105.
  • the mouth 104 of the fuel nozzle 103 comes to rest in the region of the fixed casing 101a, 102a on the head side.
  • the fuel spray 105 resulting from the displacement of the fuel nozzle 103 enters the area covered by the main flow of the combustion air into the interior 114 of the burner with a larger cone radius, so that the fuel spray 105 no longer behaves as a solid compact body in this area.
  • radially or quasi-radially arranged openings 124 are provided in the area of the plane of the fuel spray orifice 104, through which a purge air flows into the cross section induced by the size of the fuel nozzle 103.
  • the flow cross-section of these openings 124 is selected such that, in gas operation, the air mass flow flowing through these openings is not sufficient to shift the return flow zone (see FIG. 2, item 106) further downstream.
  • the fuel spray 105 acts practically as a jet pump, which increases the air mass flow through the openings 124 mentioned. This causes a larger axial impulse, which shifts the backflow zone further downstream, which acts as a good measure against back-ignition of the flame.
  • the schematically illustrated conical partial bodies 101, 102 are discussed in more detail in FIGS. 2-5.
  • the configuration and mode of operation of the tangential air inlet slots 119, 120 are also dealt with in more detail there.
  • FIGS. 3-5 In order to better understand the structure of the burner 100, it is advantageous if the individual cuts according to FIGS. 3-5 are used simultaneously with FIG. 2. Furthermore, in order not to make FIG. 2 unnecessarily confusing, the baffles 121a, 121b shown schematically in FIGS. 3-5 have only been hinted at. In the description of FIG. 2, reference is made below to the remaining FIGS. 3-5 as required.
  • the burner 100 according to FIG. 2 is a premix burner and consists of two hollow, conical partial bodies 101, 102 which are nested one inside the other in a staggered manner.
  • the offset of the respective central axis or longitudinal symmetry axes 101b, 102b of the conical partial bodies 101, 102 to one another creates a tangential air inlet slot or channel 119, 120 on both sides, in a mirror-image arrangement (cf. in particular FIGS. 3-5), through which the Combustion air 115 flows into the interior of the burner 100, ie into the cone cavity 114.
  • the conical shape of the partial bodies 101, 102 shown in the flow direction has a specific fixed angle.
  • the partial bodies 101, 102 may have an increasing or decreasing cone inclination in the flow direction, similar to a trumpet or tulip, respectively. Diffuser or confuser.
  • 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 tapered partial bodies 101, 102 each have a cylindrical starting part 101a, 102a, which, similarly to the conical partial bodies 101, 102, also run offset from one another, so that the tangential air inlet slots 119, 120 are present over the entire length of the burner 100.
  • a nozzle 103 is accommodated, which is set back with respect to the inner cone tip, as has already been explained in more detail under FIG. 1.
  • this nozzle 103 depends on the specified parameters of the respective burner 100.
  • the burner can be made purely conical, that is to say without cylindrical starting parts 101a, 102a, from a single part body with a single tangential air inlet slot, or from more than two part bodies.
  • the tapered partial bodies 101, 102 further each have a fuel line 108, 109, which are arranged along the tangential air inlet slots 119, 120 and are provided with injection openings 117, through which a gaseous fuel 113 is preferably injected into the combustion air 115 flowing through there, such as arrows 116 symbolize this.
  • These fuel lines 108, 109 are preferably placed at the latest at the end of the tangential inflow, before entering the cone cavity 114, in order to obtain an optimal air / fuel mixture.
  • the outlet opening of the burner 100 merges into a front wall 110, in which a number of bores 110a are provided.
  • the latter bores 110a come into operation as required and ensure that dilution air or cooling air 110b is supplied to the front part of the combustion chamber 122.
  • this air supply ensures flame stabilization at the outlet of the burner 100. This flame stabilization becomes important when it comes to supporting the compactness of the flame due to a radial flattening.
  • the fuel supplied through the nozzle 103 is preferably a liquid fuel 112, a gaseous fuel not being excluded. At most, these fuels can be enriched with a recirculated exhaust gas.
  • the liquid fuel 112 from the nozzle 103 forms a pronounced conical fuel spray 105, which is enclosed by the rotating combustion air 115 flowing in tangentially. In the axial direction, the concentration of the fuel 112 is rapidly and continuously reduced to an optimal mixture by the inflowing combustion air 115, also due to the displacement of the nozzle 103 that has already been recognized.
  • the burner becomes 100 Operated with a gaseous fuel 113, this is preferably done via nozzles 117, the formation of this fuel / air mixture occurring directly at the transition of the air inlet slots 119, 120 to the cone cavity 114.
  • the injection of the fuel 112 through the nozzle 103 fulfills the function of a head stage; it usually comes into play during commissioning and part-load operation. Of course, base load operation with a liquid fuel is also possible via this head stage.
  • combustion air 115 is additionally preheated or enriched with a recirculated exhaust gas, this supports the evaporation of the liquid fuel 112 that may be used before the combustion zone is reached.
  • liquid fuels are supplied via the lines 108, 109.
  • 3-5 now shows the geometrical configuration of the guide plates 121a, 121b. They have a flow introduction function, which, depending on their length, extend the respective end of the tapered partial bodies 101, 102 in the direction of flow relative to the combustion air 115.
  • the channeling of the combustion air 115 into the cone cavity 114 can be optimized by opening or closing the guide plates 121a, 121b around a pivot point 123 located in the region of the entry of this channel into the cone cavity 114, in particular this is necessary if the original gap size of the tangential air inlet slots 119, 120 is changed.
  • these dynamic arrangements can also be provided statically, in that guide baffles as required form a fixed component with the tapered partial bodies 101, 102. Burner 100 can also be operated without baffles, or other aids can be provided for this.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pressure-Spray And Ultrasonic-Wave- Spray Burners (AREA)
  • Spray-Type Burners (AREA)

Abstract

The mixing burner has inter-stacking parts. The longitudinal axis of symmetry (101b,102b) of each of the parts (101,102) is staggered in position so that the adjacent walls of the parts in their longitudinal direction form tangential air inlet slits (119,120) for combustion air (115) to flow into the hollow conical interiors (114) of the parts. At least one fuel nozzle (103) is contained in the conical interior and is staggered in position in relation to the start of the cone (125) induced by the parts of the premixer burner (100). Further fuel nozzles (117) are near the tangential air inlet slits.

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

Wird bei drallstabilisierten Brennern, wie dieser beispielsweise aus EP-B1-0 321 809 als Vormischbrenner hervorgeht, auf der Brennerachse ein flüssiger Brennstoff eingedüst, so wirkt die sich von der Brennstoffdüse stromabwärts bildende Flüssigkeitsäule für den tangential in den Innenraum des Vormischbrenners einströmenden Verbrennungsluftstrom insbesondere im ersten Bereich stromab der Eindüsung wie ein Festkörper. Gegenüber der Strömung ohne Flüssigbrennstoffeindüsung wird die Verbrennungsluftzuströmung im Brennerkopf behindert, wodurch sich die Tangentialkomponente der sich bildenden Drallströmung verstärkt. Dies führt zu einer Aenderung der Flammenposition, welche weiter stromauf wandert. Wird entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze eine weitere Eindüsung eines Brennstoffes vorgenommen, so ist der Betrieb einer solchen Brennstoffeindüsung aufs höchste gefährdet, weil einer in diesem Bereich wirkende Flammenfront unweigerlich zu einer Rückzündung in das System führt. Des weiteren kommt es zu einer Anfettung des Flammenzentrum, welche mannigfaltig den Betrieb eines solchen Vormischbrenners benachteiligt. Bei einer solchen Betrieb lassen sich verschiedentliche Nachteile ausmachen, welche sich, nicht abschliessend aufgezählt, wie folgt erfassen lassen:

  • a) Es findet eine nicht zu unterschätzende Erhöhung der Gefahr eines Flammenrückschlages statt, wobei dies leicht zu einem Abbrennen von Teilen des Vormischbrenners führen kann. Findet eine solche statt, so entsteht ein Gefahrenpotential, insoweit, als abbröckelnde Teile eine schwerwiegende Havarie der Maschine auslösen können;
  • b) Ein Betrieb bei optimaler Flammenposition mit einem Flüssigbrennstoff darf aus Sicherheitsgründen nicht breit ausgelegt sein, womit der Vormischbrenner einen kleinen Betriebsbereich aufweist;
  • c) Das Fehlen einer integralen Durchmischung von Anbeginn zwischen dem Spraykegel und dem Verbrennungsluftstrom aus obengenannten Gründen führt unweigerlich zu einer Steigerung der NOx-Emissionen;
  • d) Die inhomogene Gemischverteilung führt darüber hinaus zu weiteren Nachteilen, welche erhöhte Schadstoff-Emissionen sowie die Entstehung von Pulsationen auslösen;
  • e) Von den optimalen Strömungsbedingungen für eine sichere und effiziente Verbrennung sind grosse Abweichungen auszumachen.
If, in the case of swirl-stabilized burners, as can be seen, for example, from EP-B1-0 321 809 as a premix burner, a liquid fuel is injected on the burner axis, the liquid column forming downstream of the fuel nozzle acts for the combustion air flow flowing tangentially into the interior of the premix burner, especially in the first area downstream of the injection like a solid. Compared to the flow without liquid fuel injection, the inflow of combustion air in the burner head is impeded, which increases the tangential component of the swirl flow that forms. This leads to a change in the flame position, which moves further upstream. If a further injection of fuel is carried out along the tangential air inlet slots, the operation of such a fuel injection is extremely endangered because a flame front acting in this area inevitably leads to re-ignition into the system. In addition, the flame center is enriched, which manifoldly disadvantages the operation of such a premix burner. At a Various disadvantages can be identified in such an operation, which, if not exhaustively listed, can be recorded as follows:
  • a) There is an increase in the risk of flashback, which should not be underestimated, and this can easily lead to parts of the premix burner burning off. If this takes place, there is a potential hazard, to the extent that crumbling parts can cause a serious damage to the machine;
  • b) For safety reasons, operation with an optimal flame position with a liquid fuel must not be broad, so that the premix burner has a small operating range;
  • c) The lack of an integral mixing from the beginning between the spray cone and the combustion air flow for the reasons mentioned above inevitably leads to an increase in NOx emissions;
  • d) The inhomogeneous mixture distribution also leads to further disadvantages which trigger increased pollutant emissions and the development of pulsations;
  • e) There are large deviations from the optimal flow conditions for safe and efficient combustion.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen geknnnzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vormischbrenner der eingangs genannten Art eine Flammenstabilisation bei maximiertem Wirkungsgrad und Minimierung der Schadstoff-Emissionen zu erzielen.The invention seeks to remedy this. The object of the invention, as it is marked in the claims, is to achieve flame stabilization in a premix burner of the type mentioned at the outset with maximized efficiency and minimization of pollutant emissions.

Die wesentliche Massnahme der Erfindung betrifft die Stellung der kopfseitigen Brennstoffdüse, welche um eine bestimmte Strecke gegenüber der Einströmung der Verbrennungsluft stromauf zurückversetzt wird, wobei diese Strecke von dem gewählten Spraywinkel abhängt. Durch diese Versetzung kommt die Mündung der Brennstoffdüse im Bereich einer festen Ummantelung zu stehen, womit hier gleichzeitig radial um die Düsenmündung Oeffnungen vorgesehen werden können, durch welche Spülluft in den von der Brennstoffdüse induzierten Querschnitt einströmt. Der Durchflussquerschnitt dieser Oeffnungen wird so gewählt, dass im Gasbetrieb der durch diese Oeffnungen strömenden Luftmassenstrom nicht ausreicht, um die Rückströmzone weiter stromab zu verschieben. Im Flüssigbrennstoffbetrieb wirkt das Brennstoffspray praktisch als Strahlpumpe, womit sich der Luftmassenstrom durch die genannten Oeffnungen erhöht. Dies bewirkt einen grösseren axialen Impuls, der die Rückströmzone weiter stromab verschiebt.The essential measure of the invention relates to the position of the head-side fuel nozzle, which is upstream by a certain distance from the inflow of the combustion air is set back, this distance depends on the selected spray angle. As a result of this displacement, the mouth of the fuel nozzle comes to a standstill in the area of a solid casing, which means that openings can be provided radially around the nozzle mouth, through which purge air flows into the cross section induced by the fuel nozzle. The flow cross-section of these openings is selected such that the air mass flow flowing through these openings in gas operation is not sufficient to shift the backflow zone further downstream. In liquid fuel mode, the fuel spray acts practically as a jet pump, which increases the air mass flow through the openings mentioned. This causes a larger axial impulse that shifts the backflow zone further downstream.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Rückversetzung der Brennstoffdüse das Brennstoffspray mit einem grösseren Kegelradius in die Hauptströmung, also in die durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze strömende Verbrennungsluft eintritt. Das Brennstoffspray ist in dieser Ebene bereits von einem Film zu Tropfen zerfallen und die Kegelmantelfläche dieses Brennstoffsprays hat sich beim Eintreten in den Bereich der Verbrennungsluft aus den tangentialen Lufteintrittsschlitze um einen Faktor 3 vergrössert. Dadurch wird die Ausbreitung des Brennstoffsprays verbessert und die Zuströmung der Verbrennungsluft nicht behindert.Another advantage of the invention is that the fuel spray with a larger cone radius enters the main flow, that is to say into the combustion air flowing through the tangential air inlet slots, due to the setback of the fuel nozzle. The fuel spray has already decayed from a film into drops in this plane and the conical surface area of this fuel spray has increased by a factor of 3 when entering the combustion air area from the tangential air inlet slots. This improves the spread of the fuel spray and does not hinder the inflow of the combustion air.

Schliesslich ist darauf hinzuweisen, dass der durch die Oeffnungen im Bereich der Brennstoffdüse angesaugte Luftmassenstrom eine Benetzung der Kegelinnenspitze verhindert, da er sich als Film zwischen Brennstoffspray und Wand legt und vor allem den Oeffnungswinkel des Brennstoffsprays definiert. Dieser bleibt über einen grossen Lastbereich konstant.Finally, it should be pointed out that the air mass flow sucked in through the openings in the area of the fuel nozzle prevents wetting of the inside cone tip, since it lies as a film between the fuel spray and the wall and, above all, defines the opening angle of the fuel spray. This remains constant over a large load range.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch varieren der Oeffnungsquerschnitte für den Luftmassenstrom im Bereich der Brennstoffdüse die Rückströmzone und somit die Flammenposition während des Betriebes direkt beinflusst werden kann.Another significant advantage of the invention is that by varying the opening cross-sections for the Air mass flow in the area of the fuel nozzle, the backflow zone and thus the flame position can be directly influenced during operation.

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 weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.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. Identical elements are provided with the same reference symbols in the various figures. The direction of flow of the media is indicated by arrows.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigt:

Fig. 1
eine schematische Darstellung eines Vormischbrenners mit Positionierung des Brennstoffsprays,
Fig. 2
einen Vormischbrenner in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,
Fig. 3-5
Ansichten durch verschiedene Schnittebenen des Vormischbrenners gemäss Fig. 2.
It shows:
Fig. 1
1 shows a schematic representation of a premix burner with positioning of the fuel spray,
Fig. 2
a premix burner in perspective, cut open accordingly,
Fig. 3-5
Views through different sectional planes of the premix burner according to FIG. 2.

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

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Vormischbrenners, der in den nachfolgenden Fig. 2-5 näher beschrieben wird. Wesentlich an Fig. 1 ist die Darstellung der mittig plazierten Brennstoffdüse 103, welche gegenüber dem Anfang 125 des kegeligen Durchflussquerschnittes stromauf zurückversetzt ist, wobei die Strecke 126 von dem gewählten Spraywinkel 105 abhängt. Durch diese Versetzung kömmt die Mündung 104 der Brennstoffdüse 103 im Bereich der kopfseitigen festen Ummantelung 101a, 102a zu stehen. Das durch die Rückversetzung der Brennstoffdüse 103 entstehende Brennstoffspray 105 tritt mit einem grösseren Kegelradius in den von der Hauptströmung der Verbrennungsluft in den Innenraum 114 des Brenners abgedeckten Bereich ein, so dass sich das Brennstoffspray 105 in diesem Bereich nicht mehr als einen festen kompakten Körper verhält, sondern bereits zu Tropfen zerfallen ist und demnach leicht vom Verbrennungsluftstrom durchdrungen werden kann. Die Zuströmung der Verbrennungsluft 115 in das Brennstoffspray 105 wird demnach durch die Kompaktheit der Brennstoff-eindüsung nicht mehr behindert, was sich auf die Mischungsqualität im positiven Sinne niederschlägt, dadurch, dass das Brennstoffspray 105 leichter durch die Verbrennungsluft durchdrungen werden kann. Darüber hinaus, im Bereich der Ebene der Brennstoffspray-Mündung 104 sind radial oder quasi-radial angeordnete Oeffnungen 124 vorgesehen, durch welche eine Spülluft in den von der Grösse der Brennstoffdüse 103 induzierten Querschnitt einströmt. Der Durchflussquerschnitt dieser Oeffnungen 124 wird so gewählt, dass im Gasbetrieb der durch diese Oeffnungen strömenden Luftmassenstrom nicht ausreicht, um die Rückströmzone (Vgl. Fig. 2, Pos. 106) weiter stromab zu verschieben. Im Flüssigbrennstoffbetrieb wirkt das Brennstoffspray 105 praktisch als Strahlpumpe, womit sich der Luftmassenstrom durch die genannten Oeffnungen 124 erhöht. Dies bewirkt einen grösseren axialen Impuls, der die Rückströmzone weiter stromab verschiebt, was als gute Massnahme gegen eine Rückzündung der Flamme wirkt. Auf die schematisch dargestellten kegelförmigen Teilkörper 101, 102 wird in Fig. 2-5 näher eingegangen. Dort werden auch Konfiguration und Wirkungsweise der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 näher behandelt.Fig. 1 shows a schematic representation of a premix burner, which is described in more detail in the following Fig. 2-5. 1 is the representation of the fuel nozzle 103 placed in the middle, which is opposite the beginning 125 of the conical flow cross-section is set back upstream, the distance 126 depending on the selected spray angle 105. As a result of this displacement, the mouth 104 of the fuel nozzle 103 comes to rest in the region of the fixed casing 101a, 102a on the head side. The fuel spray 105 resulting from the displacement of the fuel nozzle 103 enters the area covered by the main flow of the combustion air into the interior 114 of the burner with a larger cone radius, so that the fuel spray 105 no longer behaves as a solid compact body in this area. but has already broken down into drops and can therefore easily be penetrated by the combustion air flow. The inflow of the combustion air 115 into the fuel spray 105 is therefore no longer impeded by the compactness of the fuel injection, which is reflected in the mixture quality in a positive sense, in that the fuel spray 105 can be more easily penetrated by the combustion air. In addition, radially or quasi-radially arranged openings 124 are provided in the area of the plane of the fuel spray orifice 104, through which a purge air flows into the cross section induced by the size of the fuel nozzle 103. The flow cross-section of these openings 124 is selected such that, in gas operation, the air mass flow flowing through these openings is not sufficient to shift the return flow zone (see FIG. 2, item 106) further downstream. In liquid fuel operation, the fuel spray 105 acts practically as a jet pump, which increases the air mass flow through the openings 124 mentioned. This causes a larger axial impulse, which shifts the backflow zone further downstream, which acts as a good measure against back-ignition of the flame. The schematically illustrated conical partial bodies 101, 102 are discussed in more detail in FIGS. 2-5. The configuration and mode of operation of the tangential air inlet slots 119, 120 are also dealt with in more detail there.

Um den Aufbau des Brenners 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 2 die einzelnen Schnitte nach den Figuren 3-5 herangezogen werden. Des weiteren, um Fig. 2 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Figuren 3-5 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 2 nach Bedarf auf die restlichen Figuren 3-5 hingewiesen.In order to better understand the structure of the burner 100, it is advantageous if the individual cuts according to FIGS. 3-5 are used simultaneously with FIG. 2. Furthermore, in order not to make FIG. 2 unnecessarily confusing, the baffles 121a, 121b shown schematically in FIGS. 3-5 have only been hinted at. In the description of FIG. 2, reference is made below to the remaining FIGS. 3-5 as required.

Der Brenner 100 nach Fig. 2 ist ein Vormischbrenner und besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 101b, 102b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz oder Kanal 119, 120 frei (Vgl. insbesondere Fig. 3-5), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Brenners 100, d.h. in den Kegelhohlraum 114 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Trompete oder Tulpe resp. Diffusor oder Konfusor. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 101a, 102a auf, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Brenners 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 untergebracht, die gegenüber der Kegelinnenspitze zurückversetzt ist, wie bereits unter Fig. 1 näher zur Erläuterung gekommen ist. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners 100. Selbstverständlich kann der Brenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, aus einem einzigen Teilkörper mit einem einzigen tangentialen Lufteintrittsschlitz, oder aus mehr als zwei Teilkörpern ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Brennraumseitig 122 geht die Ausgangsöffnung des Brenners 100 in eine Frontwand 110 über, in welcher eine Anzahl Bohrungen 110a vorhanden sind. Die letztgenannten Bohrungen 110a treten bei Bedarf in Funktion, und sorgen dafür, dass Verdünnungsluft oder Kühlluft 110b dem vorderen Teil des Brennraumes 122 zugeführt wird. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung für eine Flammenstabilisierung am Ausgang des Brenners 100. Diese Flammenstabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht, die Kompaktheit der Flamme infolge einer radialen Verflachung zu stützen. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff handelt es sich vorzugsweise um einen flüssigen Brennstoff 112, wobei ein gasförmiger Brennstoff nicht ausgeschlossen bleibt. Diese Brennstoffe können allenfalls mit einem rückgeführten Abgas angereichert werden. Der flüssige Brennstoff 112 aus der Düse 103 bildet ein ausgeprägtes kegeliges Brennstoffspray 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 112, auch durch die bereits gewürdigten Versetzung der Düse 103, rasch und fortlaufend durch die einströmende Verbrennungsluft 115 zu einer optimalen Vermischung abgebaut. Wird der Brenner 100 mit einem gasförmigen Brennstoff 113 betrieben, so geschieht dies vorzugsweise über Düsen 117, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Uebergang der Lufteintrittsschlitze 119, 120 zum Kegelhohlraum 114 hin zustande kommt. Die Eindüsung des Brennstoffes 112 über die Düse 103 erfüllt die Funktion einer Kopfstufe; sie kommt normalerweise bei Inbetriebsetzung und bei Teillastbetrieb zum Zuge. Selbstverständlich ist über diese Kopfstufe auch ein Grundlastbetrieb mit einem flüssigen Brennstoff möglich. Am Ende des Brenners 100 stellt sich einerseits die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt, andererseits die kritische Drallzahl ein; letztgenannte führt dann im Zusammenwirken mit der dort disponierten Querschnittserweiterung zu einem Wirbelaufplatzen, gleichzeitig auch zur dortigen Bildung einer Rückströmzone 106. Die Zündung erfolgt an der Spitze dieser Rückströmzone 106. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 107 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Brenners 100, wie dies bei bekannten Vormischstrecken latent der Fall ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdampfung des allenfalls eingesetzten flüssigen Brennstoffes 112 nachhaltig, bevor die Verbrennungszone erreicht wird. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 statt gasförmige flüssige Brennstoffe zugeführt werden. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich Kegelwinkels und Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 mit der Rückströmzone 106 am Ausgang des Brenners einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die Rückströmzone 106 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung kommt. Immerhin ist festzustellen, dass die einmal fixierte Rückströmzone 106 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Kegelform des Brenners 100 zu. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Brenners 100 lässt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Die Konstruktion des Brenners 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Brenners 100 eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann. Es ist auch ohne weiteres möglich, die kegeligen Teilkörper 101, 102 spriralförmig ineinander zu verschachteln.The burner 100 according to FIG. 2 is a premix burner and consists of two hollow, conical partial bodies 101, 102 which are nested one inside the other in a staggered manner. The offset of the respective central axis or longitudinal symmetry axes 101b, 102b of the conical partial bodies 101, 102 to one another creates a tangential air inlet slot or channel 119, 120 on both sides, in a mirror-image arrangement (cf. in particular FIGS. 3-5), through which the Combustion air 115 flows into the interior of the burner 100, ie into the cone cavity 114. The conical shape of the partial bodies 101, 102 shown in the flow direction has a specific fixed angle. Of course, depending on the operational use, the partial bodies 101, 102 may have an increasing or decreasing cone inclination in the flow direction, similar to a trumpet or tulip, respectively. Diffuser or confuser. 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 tapered partial bodies 101, 102 each have a cylindrical starting part 101a, 102a, which, similarly to the conical partial bodies 101, 102, also run offset from one another, so that the tangential air inlet slots 119, 120 are present over the entire length of the burner 100. In the area of the cylindrical initial part, a nozzle 103 is accommodated, which is set back with respect to the inner cone tip, as has already been explained in more detail under FIG. 1. The injection capacity and the type of this nozzle 103 depend on the specified parameters of the respective burner 100. Of course, the burner can be made purely conical, that is to say without cylindrical starting parts 101a, 102a, from a single part body with a single tangential air inlet slot, or from more than two part bodies. The tapered partial bodies 101, 102 further each have a fuel line 108, 109, which are arranged along the tangential air inlet slots 119, 120 and are provided with injection openings 117, through which a gaseous fuel 113 is preferably injected into the combustion air 115 flowing through there, such as arrows 116 symbolize this. These fuel lines 108, 109 are preferably placed at the latest at the end of the tangential inflow, before entering the cone cavity 114, in order to obtain an optimal air / fuel mixture. On the combustion chamber side 122, the outlet opening of the burner 100 merges into a front wall 110, in which a number of bores 110a are provided. The latter bores 110a come into operation as required and ensure that dilution air or cooling air 110b is supplied to the front part of the combustion chamber 122. In addition, this air supply ensures flame stabilization at the outlet of the burner 100. This flame stabilization becomes important when it comes to supporting the compactness of the flame due to a radial flattening. The fuel supplied through the nozzle 103 is preferably a liquid fuel 112, a gaseous fuel not being excluded. At most, these fuels can be enriched with a recirculated exhaust gas. The liquid fuel 112 from the nozzle 103 forms a pronounced conical fuel spray 105, which is enclosed by the rotating combustion air 115 flowing in tangentially. In the axial direction, the concentration of the fuel 112 is rapidly and continuously reduced to an optimal mixture by the inflowing combustion air 115, also due to the displacement of the nozzle 103 that has already been recognized. If the burner becomes 100 Operated with a gaseous fuel 113, this is preferably done via nozzles 117, the formation of this fuel / air mixture occurring directly at the transition of the air inlet slots 119, 120 to the cone cavity 114. The injection of the fuel 112 through the nozzle 103 fulfills the function of a head stage; it usually comes into play during commissioning and part-load operation. Of course, base load operation with a liquid fuel is also possible via this head stage. At the end of the burner 100, on the one hand, the optimum, homogeneous fuel concentration across the cross section is established, and on the other hand the critical swirl number; the latter then, in cooperation with the cross-sectional expansion planned there, leads to a vortex burst, at the same time also to the formation of a return flow zone 106 there. The ignition takes place at the tip of this return flow zone 106. Only at this point can a stable flame front 107 arise. A flashback of the flame into the interior of the burner 100, as is latently the case with known premixing sections, while remedial measures are sought there with complicated flame holders, is not to be feared here. If the combustion air 115 is additionally preheated or enriched with a recirculated exhaust gas, this supports the evaporation of the liquid fuel 112 that may be used before the combustion zone is reached. The same considerations also apply if, instead of gaseous, liquid fuels are supplied via the lines 108, 109. When designing the conical partial bodies 101, 102 with regard to the cone angle and width of the tangential air inlet slots 119, 120, narrow limits must be observed so that the desired flow field of the combustion air 115 with the return flow zone 106 can be set at the outlet of the burner. In general, it can be said that a reduction in the tangential air inlet slots 119, 120 shifts the backflow zone 106 further upstream, but this then causes the mixture to ignite earlier. After all, it should be noted that once fixed backflow zone 106 is positionally stable because the swirl number increases in the direction of flow in the region of the cone shape of the burner 100. The axial speed within the burner 100 can be changed by a corresponding supply, not shown, of an axial combustion air flow. The design of the burner 100 is furthermore particularly suitable for changing the size of the tangential air inlet slots 119, 120, with which a relatively large operating bandwidth can be recorded without changing the overall length of the burner 100. It is also easily possible to nest the tapered partial bodies 101, 102 in a spiral shape.

Aus Fig. 3-5 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungsrichtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Oeffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 verändert wird. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmässige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Brenner 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vogesehen werden.3-5 now shows the geometrical configuration of the guide plates 121a, 121b. They have a flow introduction function, which, depending on their length, extend the respective end of the tapered partial bodies 101, 102 in the direction of flow relative to the combustion air 115. The channeling of the combustion air 115 into the cone cavity 114 can be optimized by opening or closing the guide plates 121a, 121b around a pivot point 123 located in the region of the entry of this channel into the cone cavity 114, in particular this is necessary if the original gap size of the tangential air inlet slots 119, 120 is changed. Of course, these dynamic arrangements can also be provided statically, in that guide baffles as required form a fixed component with the tapered partial bodies 101, 102. Burner 100 can also be operated without baffles, or other aids can be provided for this.

BezugszeichenlisteReference list

100100
VormischbrennerPremix burner
101, 102101, 102
TeilkörperPartial body
101a, 102b101a, 102b
Zylindrische AnfangsteileCylindrical starting parts
101b, 102b101b, 102b
LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes
103103
BrennstoffdüseFuel nozzle
104104
BrennstoffeindüsungFuel injection
105105
Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)Fuel spray (fuel injection profile)
108, 109108, 109
BrennstoffleitungenFuel lines
112112
Flüssiger BrennstoffLiquid fuel
113113
Gasförmiger BrennstoffGaseous fuel
114114
KegelhohlraumCone cavity
115115
Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)Combustion air (combustion air flow)
116116
Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen 108, 109Fuel injection from lines 108, 109
117117
BrennstoffdüsenFuel nozzles
119, 120119, 120
Tangentiale LufteintrittsschlitzeTangential air inlet slots
121a, 121b121a, 121b
LeitblecheBaffles
123123
Drehpunkt der LeitblechePivot point of the guide plates
124124
OeffnungenOpenings
125125
KegelinnenspitzeInner cone tip
126126
Versetzung der Brennstoffdüse 103 stromaufDisplacement of the fuel nozzle 103 upstream

Claims (10)

Vormischbrenner für einen Wärmeerzeuger, im wesentlichen bestehend aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörper, wobei die jeweilige Längssymmetrieachse dieser Teilkörper zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Lufteintrittsschlitze für die Durchströmung einer Verbrennungsluft in von den Teilkörpern gebildeten Kegelhohlraum bilden, und wobei im Kegelhohlraum mindestens eine Brennstoffdüse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (103) gegenüber dem durch die Teilkörper (101, 102) des Vormischbrenners (100) induzierten Kegelanfang (125) um eine Strecke (126) stromauf versetzt ist.Premix burner for a heat generator, essentially consisting of at least two hollow, conical partial bodies nested one inside the other in the flow direction, the respective longitudinal axis of symmetry of these partial bodies being offset with respect to one another in such a way that the adjacent walls of the partial bodies in their longitudinal extension are tangential air inlet slots for the flow of combustion air into the Form partial bodies formed cone cavity, and wherein at least one fuel nozzle is arranged in the cone cavity, characterized in that the fuel nozzle (103) by a distance (126) compared to the cone start (125) induced by the partial bodies (101, 102) of the premix burner (100) is upstream. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentiale Lufteintrittsschlitze (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.Premix burner according to Claim 1, characterized in that further fuel nozzles (117) are arranged in the region of the tangential air inlet slots (119, 120) in their longitudinal extension. Vormischbrenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (103) mit einem flüssigen Brennstoff (112) und die Brennstoffdüsen (117) mit einem gasförmigen Brennstoff (113) betreibbar sind.Premix burner according to claims 1 and 2, characterized in that the fuel nozzle (103) can be operated with a liquid fuel (112) and the fuel nozzles (117) with a gaseous fuel (113). Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung einen gleichmässig zunehmenden Strömungsquerschnitt bilden.Premix burner according to claim 1, characterized in that the partial bodies (101, 102) form a uniformly increasing flow cross-section in the flow direction. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen.Premix burner according to claim 1, characterized in that the partial bodies (101, 102) have an increasing taper in the direction of flow. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.Premix burner according to claim 1, characterized in that the partial bodies (101, 102) have a decreasing taper in the direction of flow. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102) spiralförmig ineinandergeschachtelt sind.Premix burner according to claim 1, characterized in that the partial bodies (101, 102) are nested in a spiral manner. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (103) auf der Brennerachse angeordnet ist.Premix burner according to claim 1, characterized in that the fuel nozzle (103) is arranged on the burner axis. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt der tangentialen Lufteintrittsschlitze (119, 120) in Längsrichtung des Brenners (100) abnimmt.Premix burner according to claim 1, characterized in that the flow cross section of the tangential air inlet slots (119, 120) decreases in the longitudinal direction of the burner (100). Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer zur Brennstoffdüse (103) gehörigen Eindüsung (104) radial oder quasi-radial angeordnete Offnungen (124) vorgesehen sind, durch welche ein Luftmassenstrom in einen stromab der Brennstoffdüse (103) gebildeten Durchflussquerschnitt einströmbar ist.Premix burner according to claim 1, characterized in that in the area of an injection (104) belonging to the fuel nozzle (103) there are radially or quasi-radially arranged openings (124) through which an air mass flow can flow into a flow cross section formed downstream of the fuel nozzle (103) is.
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