EP0780630B1 - Burner for a heat generator - Google Patents

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EP0780630B1
EP0780630B1 EP96810827A EP96810827A EP0780630B1 EP 0780630 B1 EP0780630 B1 EP 0780630B1 EP 96810827 A EP96810827 A EP 96810827A EP 96810827 A EP96810827 A EP 96810827A EP 0780630 B1 EP0780630 B1 EP 0780630B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner according
flow
fuel
swirl generator
burner
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP96810827A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0780630A2 (en
EP0780630A3 (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.)
ALSTROM (SCHWEIZ) AG
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Schweiz AG
Publication of EP0780630A2 publication Critical patent/EP0780630A2/en
Publication of EP0780630A3 publication Critical patent/EP0780630A3/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0780630B1 publication Critical patent/EP0780630B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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

Definitions

  • the present invention relates to a burner according to the preamble of claim 1.
  • a swirl-stabilized burner is known from JP 07 190 308, in which a mixing tube is connected downstream of the swirl generator.
  • JP 07 190 308 in which a mixing tube is connected downstream of the swirl generator.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention how it is marked in the claims, the task lies the basis for a premix burner of the type mentioned kind of a flame stabilization with maximized efficiency and to minimize pollutant emissions.
  • the essential measure of the invention relates to the position the head-side fuel nozzle, which by a certain Distance upstream from the inflow of combustion air is reset, this distance from the selected Spray angle depends.
  • Mouth of the fuel nozzle in the area of a solid casing to stand which means at the same time radially around the nozzle mouth Openings can be provided through which Purge air in the cross section induced by the fuel nozzle flows in.
  • the flow cross section of these openings is selected so that in gas operation through these openings flowing air mass flow is not sufficient to the To move the backflow zone further downstream.
  • the fuel spray acts practically as a jet pump, with which the air mass flow through the named Openings increased. This causes a larger axial momentum which moves the backflow zone further downstream.
  • Another advantage of the invention is that by the reset of the fuel nozzle with the fuel spray a larger cone radius in the main flow, i.e. in the Combustion air flowing through the tangential air inlet slots entry.
  • the fuel spray is in this Layer already decayed from a film into drops and the conical surface this fuel spray has entered into the area of the combustion air from the tangential Air inlet slots enlarged by a factor of 3. Thereby the spread of the fuel spray is improved and the Combustion air inflow not impeded.
  • Air mass flow sucked in in the area of the fuel nozzle prevents wetting of the inside of the cone because it lays out as a film between the fuel spray and the wall everything defines the opening angle of the spray. This remains constant over a wide load range.
  • Another important advantage of the invention is that see that by varying the opening cross sections for the Air mass flow in the area of the fuel nozzle the return flow zone and thus the flame position directly during operation can be influenced.
  • Fig. 1 shows the overall structure of a burner.
  • a swirl generator 100a effective, the design of which in the following Fig. 2-5 shown and described in more detail becomes.
  • This swirl generator 100a is a conical structure, the tangential multiple of a tangential inflowing combustion air flow 115 is applied becomes.
  • the flow that forms here is based on a transition geometry provided downstream of the swirl generator 100a transitioned seamlessly into a transition piece 200, in such a way that no detachment areas occur there can.
  • the configuration of this transition geometry is under Fig. 6 described in more detail.
  • This transition piece is 200 downstream of the transition geometry through a pipe 20 extended, both parts of the actual mixing tube 220, also called mixing section, form the burner.
  • the mixing tube 220 may consist of a single piece, i.e. then that the transition piece 200 and pipe 20 merged into a single coherent structure with the characteristics of each part preserved stay. Become transition piece 200 and tube 20 from two parts created, they are connected by a socket ring 10, the same bushing ring 10 on the head side as the anchoring surface serves for the swirl generator 100a. Such a Socket ring 10 also has the advantage that different Mixing tubes can be used. Outflow side of the tube 20 is the actual combustion chamber 30, which only symbolizes here through the flame tube is.
  • the mixing tube 220 meets the condition that downstream of the swirl generator 100a provided a defined mixing section in which a perfect premix of Different types of fuel is achieved.
  • This mixing section so the mixing tube 220, further enables one lossless flow control, so that even in operative connection initially no backflow zone with the transition geometry can form, thus over the length of the mixing tube 220 influence on the quality of the mixture for all types of fuel can be.
  • This mixing tube 220 has another other property, which is that in the mixing tube 220 even the axial speed profile is a pronounced one Possesses maximum on the axis, so that a reignition of the Flame from the combustion chamber is not possible. However it is correct that with such a configuration this axial speed drops to the wall.
  • the mixing tube 220 in Flow and circumferential direction with a number regularly or irregularly distributed holes 21 of the most varied Provide cross sections and directions through which an amount of air flows into the interior of the mixing tube 220, and along the wall in the sense of a filming an increase in speed induce.
  • Another way the same To achieve effect is that the flow cross section of the mixing tube 220 on the outflow side of the transition channels 201, which has the transition geometry already mentioned form, narrowing, causing the whole Speed level increased within the mixing tube 220 becomes.
  • these bores 21 run under one acute angle with respect to the burner axis 60.
  • the outlet of the transition channels 201 corresponds to the narrowest Flow cross section of the mixing tube 220.
  • the above Transition channels 201 therefore bridge the respective cross-sectional difference, without making the flow negative to influence. If the precaution chosen by the Guiding the pipe flow 40 along the mixing pipe 220 triggers intolerable pressure loss, can counter this Remedial action can be taken by placing one at the end of the mixing tube Diffuser not shown in the figure is provided. At the A combustion chamber 30 closes at the end of the mixing tube 220 , with a between the two flow cross-sections Cross-sectional jump is present. Only here does one form central backflow zone 50, which has the properties of a Has flame holder.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a swirl generator 100a, which is described in more detail in the following FIGS. 3-5 becomes.
  • 1 is the representation of the center placed fuel nozzle 103, which is opposite the beginning 125 of the conical flow cross section set back upstream is, distance 126 from the selected spray angle 105 depends.
  • the mouth 104 comes through this displacement the fuel nozzle 103 in the area of the head-side fixed casing 101a, 102a. That through the relocation of the fuel nozzle 103 arising fuel spray 105 occurs with a larger cone radius in that of the main flow of the combustion air in the interior 114 of the burner Area so that the fuel spray 105 in this area no more than a solid compact body behaves, but has already crumbled into drops and therefore is easy to penetrate.
  • the inflow of combustion air 115 in the fuel spray 105 is no longer hindered what is reflected in the mix quality in a positive sense, in that the fuel spray 105 passes through more easily the combustion air can be penetrated. Furthermore, in the area of the level of the fuel spray orifice 104 radially or quasi-radially arranged openings 124 are provided, through which a purge air in the size of the Inflows cross section induced fuel nozzle 103. The Flow cross-section of these openings 124 is selected so that in gas operation of those flowing through these openings Air mass flow is not sufficient to the backflow zone (cf. Fig. 1) to move further downstream.
  • the fuel spray 105 acts practically as a jet pump, with which the air mass flow through the named Openings 124 increased. This causes a larger axial Impulse that shifts the backflow zone further downstream what acts as a good measure to prevent the flame from reigniting.
  • conical partial body 101, 102 is discussed in greater detail in FIGS. 2-5. There too Configuration and mode of operation of the tangential air inlet slots 119, 120 discussed in more detail.
  • FIG. 2 Fig. 3 In order to better understand the structure of the swirl generator 100a, it is advantageous if at least at the same time as FIG. 2 Fig. 3 is used. Furthermore, around this Fig. 2 not to make it unnecessarily confusing are the after the baffles 121a, 121b shown schematically in FIG. 3 only have been hinted at. In the following, the Description of Fig. 2 as required on the figures mentioned pointed out.
  • the first part of the burner according to FIG. 1 forms the one according to FIG. 2 shown swirl generator 100a.
  • This consists of two hollows conical partial bodies 101, 102 which are offset from one another are nested.
  • the number of conical Partial body can of course be larger than two, such as Figures 4 and 5 show; this depends on how each further will be explained in more detail below, depending on the type of debt collection of the whole burner. It is with certain operating constellations not excluded one from one single spiral existing swirl generator.
  • the Offset of the respective central axis or longitudinal symmetry axes 201b, 202b of the tapered partial bodies 101, 102 to one another creates a mirror image of the neighboring wall Arrangement, each a tangential channel, i.e.
  • the cone shape of the one shown Partial body 101, 102 has a flow direction certain fixed angle. Of course, depending on the operational use, can the partial body 101, 102 in the direction of flow have an increasing or decreasing taper similar to a trumpet or Tulip. The latter two Shapes are not included in the drawing as they are for the expert can be easily understood.
  • the two tapered partial bodies 101, 102 each have a cylindrical Initial part 101a, 102a, which also, analogous to the tapered Partial bodies 101, 102, offset from one another, so that the tangential air inlet slots 119, 120 via the entire length of the swirl generator 100a are present.
  • a nozzle 103 is preferred for a liquid fuel 112, the injection 104 approximately with the narrowest cross section of the formed by the conical part body 101, 102 cone cavity 114 coincides.
  • the injection capacity and the type this nozzle 103 depends on the specified parameters of the respective burner.
  • the swirl generator can 100a purely conical, i.e. without cylindrical starting parts 101a, 102a.
  • the tapered body 101, 102 also each have a fuel line 108, 109 on which along the tangential air inlet slots 119, 120 arranged and provided with injection openings 117 are, by which preferably a gaseous fuel 113 injected into the combustion air 115 flowing through there is how the arrows 116 symbolize this.
  • This Fuel lines 108, 109 are preferably at the latest End of tangential inflow, before entering the cone cavity 114, placed, this for an optimal Obtain air / fuel mixture.
  • fuel introduced 112 normally a liquid fuel, whereby a mixture formation with another medium without any problems is possible. This fuel 112 will tip under one Angle injected into the cone cavity 114.
  • the construction of the swirl generator 100a is also particularly suitable, the Size of the tangential air inlet slots 119, 120 to change, without changing the length of the swirl generator 100a covers a relatively large operational bandwidth can be.
  • the partial bodies 101, 102 can also be shifted relative to one another in another plane, thereby even overlapping them can. It is also possible to use the partial bodies 101, 102 by a counter-rotating movement in a spiral to nest.
  • it is possible to shape the Size and configuration of the tangential air inlet slots 119, 120 to vary arbitrarily, with which the swirl generator 100a can be used universally without changing its overall length is.
  • FIG Baffles 121a, 121b The geometric configuration of FIG Baffles 121a, 121b. They have a flow initiation function these, according to their length, the respective End of the tapered partial body 101, 102 in the direction of flow extend towards the combustion air 115.
  • the Channeling the combustion air 115 into the cone cavity 114 can by opening or closing the guide plates 121a, 121b by one in the area of the entry of this channel into the Cone cavity 114 placed pivot point 123 can be optimized, this is particularly necessary if the original gap size of the tangential air inlet slots 119, 120 dynamic should be changed.
  • you can dynamic arrangements can also be provided statically by required guide plates with a fixed component form the tapered partial bodies 101, 102.
  • the can also Swirl generator 100a can also be operated without baffles, or other aids can be provided for this.
  • FIG. 5 shows that the swirl generator 100a now made up of four partial bodies 130, 131, 132, 133 is.
  • the associated longitudinal symmetry axes for each partial body are marked with the letter a.
  • This configuration can be said that because of the generated lower twist strength and in cooperation with one suitably suitably enlarged slot width, the bursting of the vortex flow on the downstream side of the To prevent swirl in the mixing tube, making the mixing tube can best fulfill the role intended for him.
  • Fig. 6 differs from Fig. 5 in so far as here the partial bodies 140, 141, 142, 143 have a blade profile shape, which is intended to provide a certain flow becomes. Otherwise, the mode of operation of the swirl generator stayed the same.
  • the admixture of fuel 116 in the combustion air flow 115 happens from the inside the blade profiles out, i.e. the fuel line 108 is now integrated in the individual blades. Also here are the longitudinal axes of symmetry to the individual partial bodies marked with the letter a.
  • the transition geometry is for a swirl generator 100a with four partial bodies, corresponding to FIG. 4 or 5, built up. Accordingly, the transition geometry points as natural extension of the upstream parts four transition channels 201 on, making up the cone quarter area the partial body mentioned is extended until it hits the wall of the tube 20 respectively. of the mixing tube 220 cuts.
  • the same Considerations also apply when the swirl generator is off another principle than that described under Fig. 2, is constructed.
  • the one running downward in the direction of flow The area of the individual transition channels 201 has an in Flow direction on a spiral shape, which describes a crescent shape, corresponding to the The fact that the flow cross section of the Transition piece 200 flared in the direction of flow.
  • the swirl angle of the transition channels 201 in the flow direction is selected so that the pipe flow then up to A cross-sectional jump at the combustion chamber inlet is still sufficient large distance remains to make a perfect premix with to manage the injected fuel. Further increases the axial speed is also affected by the above-mentioned measures on the mixing tube wall downstream of the swirl generator.
  • the transition geometry and the measures in the area of the mixing tube cause a significant increase in the axial speed profile towards the center of the mixing tube, so that the danger of early ignition is decisively counteracted becomes.
  • Fig. 8 shows the tear-off edge already mentioned, which on Burner outlet is formed.
  • the flow cross section of the Tube 20 is given a transition radius R in this area, whose size basically depends on the flow within the Tube 20 depends.
  • This radius R is chosen so that the flow applies to the wall and so the swirl number strong can rise.
  • the size of the radius can be quantified Define R so that it is> 10% of the inner diameter d of the tube is 20. Opposite a flow without a radius Now the backflow bladder 50 increases enormously.
  • This Radius R extends to the exit plane of the tube 20, wherein the angle ⁇ between the beginning and end of the curvature is ⁇ 90 °.

Description

Technisches GebietTechnical field

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

Stand der TechnikState of the art

Wird bei drallstabilisierten Brennern, wie ein solcher 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 auf 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, such as a premix burner, for example from EP-B1-0 321 809, a liquid fuel is injected on the burner axis, the liquid column which forms downstream from the fuel nozzle has a particular effect on the combustion air flow flowing tangentially into the interior of the premix burner like a solid in the first area downstream of the injection. 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 at risk because a flame front acting in this area inevitably leads to a re-ignition into the system. Furthermore, the flame center is enriched, which manifoldly disadvantages the operation of such a premix burner. In such an operation, various disadvantages can be identified, 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, insofar as 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 broadly designed, which means 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.
  • Aus der JP 07 190 308 ist ein drallstabilisierter Brenner bekannt, bei dem sich stromab des Drallerzeugers ein Mischrohr anschliert. Jedoch kann ohne weiteres unter stellt werden, dass hier, gerade was die Problematik des Flammen rückschlags angeht, sehr ähnliche Eigenschaften inhärent sind.A swirl-stabilized burner is known from JP 07 190 308, in which a mixing tube is connected downstream of the swirl generator. However, it can be easily assumed that very similar properties are inherent here, particularly with regard to the flame retardation problem.

    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 invention how it is marked in the claims, the task lies the basis for a premix burner of the type mentioned Kind of a flame stabilization with maximized efficiency and to minimize 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 strömende 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 the head-side fuel nozzle, which by a certain Distance upstream from the inflow of combustion air is reset, this distance from the selected Spray angle depends. With this transfer comes Mouth of the fuel nozzle in the area of a solid casing to stand, which means at the same time radially around the nozzle mouth Openings can be provided through which Purge air in the cross section induced by the fuel nozzle flows in. The flow cross section of these openings is selected so that in gas operation through these openings flowing air mass flow is not sufficient to the To move the backflow zone further downstream. In liquid fuel mode the fuel spray acts practically as a jet pump, with which the air mass flow through the named Openings increased. This causes a larger axial momentum which moves 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 by the reset of the fuel nozzle with the fuel spray a larger cone radius in the main flow, i.e. in the Combustion air flowing through the tangential air inlet slots entry. The fuel spray is in this Layer already decayed from a film into drops and the conical surface this fuel spray has entered into the area of the combustion air from the tangential Air inlet slots enlarged by a factor of 3. Thereby the spread of the fuel spray is improved and the Combustion air inflow not impeded.

    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 Sprays definiert. Dieser bleibt über einen grossen Lastbereich konstant. Finally, it should be noted that through the openings Air mass flow sucked in in the area of the fuel nozzle prevents wetting of the inside of the cone because it lays out as a film between the fuel spray and the wall everything defines the opening angle of the spray. This remains constant over a wide 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 important advantage of the invention is that see that by varying the opening cross sections for the Air mass flow in the area of the fuel nozzle the return flow zone and thus the flame position directly during operation can be influenced.

    Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient developments of the inventive Task solutions are characterized in the other 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.In the following, exemplary embodiments will be described with reference to the drawings the invention explained in more detail. All for immediate understanding are not necessary elements of the invention been left out. The same elements are in the different Figures with the same reference numerals. The The direction of flow of the media is indicated by arrows.

    Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

    Es zeigt:

    Fig. 1
    einen als Vormischbrenner ausgelegten Brenner mit einer Mischstrecke stromab eines Drallerzeugers,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung des Drallerzeugers mit Positionierung der Brennstoffeindüsung,
    Fig. 3
    einen Drallerzeuger als Bestandteil des Vormischbrenners nach Fig. 1, in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,
    Fig. 4
    eine Schnittebene durch den als zweischalig ausgebildeten Drallerzeuger nach Fig. 3,
    Fig. 5
    eine Schnittebene durch einen vierschaligen Drallerzeuger,
    Fig. 6
    eine Schnittebene durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind,
    Fig. 7
    eine Darstellung der Form der Uebergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und nachgeschalteter Mischstrecke und
    Fig. 8
    eine Abrisskante zur räumlichen Stabilisierung der Rückströmzone.
    It shows:
    Fig. 1
    a burner designed as a premix burner with a mixing section downstream of a swirl generator,
    Fig. 2
    1 shows a schematic representation of the swirl generator with the fuel injection positioned,
    Fig. 3
    1, a swirl generator as part of the premix burner according to FIG. 1, in a perspective view, correspondingly cut open,
    Fig. 4
    4 shows a sectional plane through the swirl generator designed as a double-shell according to FIG. 3,
    Fig. 5
    a cutting plane through a four-shell swirl generator,
    Fig. 6
    a cutting plane through a swirl generator, the shells of which are profiled in the shape of a blade
    Fig. 7
    a representation of the shape of the transition geometry between the swirl generator and the downstream mixing section and
    Fig. 8
    a tear-off edge for spatial stabilization of the backflow zone.

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

    Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100a wirksam, dessen Ausgestaltung in den nachfolgenden Fig. 2-5 noch näher gezeigt und beschrieben wird. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100a um ein kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von einem tangential einströmenden Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich hierein bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100a vorgesehenen Uebergangsgeometrie nahtlos in ein Uebergangsstück 200 übergeleitet, dergestalt, dass dort keine Ablösungsgebiete auftreten können. Die Konfiguration dieser Uebergangsgeometrie wird unter Fig. 6 näher beschrieben. Dieses Uebergangsstück 200 ist abströmungsseitig der Uebergangsgeometrie durch ein Rohr 20 verlängert, wobei beide Teile das eigentliche Mischrohr 220, auch Mischstrecke genannt, des Brenners bilden. Selbstverständlich kann das Mischrohr 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d.h. dann, dass das Uebergangsstück 200 und Rohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmolzen sind, wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Uebergangsstück 200 und Rohr 20 aus zwei Teilen erstellt, so sind diese durch einen Buchsenring 10 verbunden, wobei der gleiche Buchsenring 10 kopfseitig als Verankerungsfläche für den Drallerzeuger 100a dient. Ein solcher Buchsenring 10 hat darüber hinaus den Vorteil, dass verschiedene Mischrohre eingesetzt werden können. Abströmungsseitig des Rohres 20 befindet sich die eigentliche Brennkammer 30, welche hier lediglich durch das Flammrohr versinnbildlicht ist. Das Mischrohr 220 erfüllt die Bedingung, dass stromab des Drallerzeugers 100a eine definierte Mischstrecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 220, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so dass sich auch in Wirkverbindung mit der Uebergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluss ausgeübt werden kann. Dieses Mischrohres 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, dass im Mischrohr 220 selbst das Axialgeschwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so dass eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, dass bei einer solchen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr 220 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl regelmässig oder unregelmässig verteilten Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 220 strömt, und entlang der Wand im Sinne einer Filmlegung eine Erhöhung der Geschwindigkeit induzieren. Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, dass der Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220 abströmungsseitig der Uebergangskanäle 201, welche die bereits genannten Uebergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 220 angehoben wird. In der Figur verlaufen diese Bohrungen 21 unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse 60. Des weiteren entspricht der Auslauf der Uebergangskanäle 201 dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220. Die genannten Uebergangskanäle 201 überbrücken demnach den jeweiligen Querschnittsunterschied, ohne dabei die gebildete Strömung negativ zu beeinflussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung 40 entlang des Mischrohres 220 einen nicht tolerierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende des Mischrohres ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 220 schliesst sich eine Brennkammer 30 an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone 50, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmässige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone 50. Stirnseitig weist die Brennkammer 30 eine Anzahl Oeffnungen 31 auf, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung strömt, und dort unteren anderen dazu beiträgt, dass die Ringstabilisation der Rückströmzone 50 gestärkt wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, dass die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 50 auch eine ausreichend hohe Drallzahl in einem Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen am Rohrende, beispielsweise durch tangentiale Oeffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, dass die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge beträgt. Was die Ausgestaltung der Abrisskante am Ende des Mischrohres 220 betrifft, wird auf die Beschreibung unter Fig. 8 verwiesen.Fig. 1 shows the overall structure of a burner. Is initially a swirl generator 100a effective, the design of which in the following Fig. 2-5 shown and described in more detail becomes. This swirl generator 100a is a conical structure, the tangential multiple of a tangential inflowing combustion air flow 115 is applied becomes. The flow that forms here is based on a transition geometry provided downstream of the swirl generator 100a transitioned seamlessly into a transition piece 200, in such a way that no detachment areas occur there can. The configuration of this transition geometry is under Fig. 6 described in more detail. This transition piece is 200 downstream of the transition geometry through a pipe 20 extended, both parts of the actual mixing tube 220, also called mixing section, form the burner. Of course the mixing tube 220 may consist of a single piece, i.e. then that the transition piece 200 and pipe 20 merged into a single coherent structure with the characteristics of each part preserved stay. Become transition piece 200 and tube 20 from two parts created, they are connected by a socket ring 10, the same bushing ring 10 on the head side as the anchoring surface serves for the swirl generator 100a. Such a Socket ring 10 also has the advantage that different Mixing tubes can be used. Outflow side of the tube 20 is the actual combustion chamber 30, which only symbolizes here through the flame tube is. The mixing tube 220 meets the condition that downstream of the swirl generator 100a provided a defined mixing section in which a perfect premix of Different types of fuel is achieved. This mixing section, so the mixing tube 220, further enables one lossless flow control, so that even in operative connection initially no backflow zone with the transition geometry can form, thus over the length of the mixing tube 220 influence on the quality of the mixture for all types of fuel can be. This mixing tube 220 has another other property, which is that in the mixing tube 220 even the axial speed profile is a pronounced one Possesses maximum on the axis, so that a reignition of the Flame from the combustion chamber is not possible. However it is correct that with such a configuration this axial speed drops to the wall. To reignite also in To prevent this area, the mixing tube 220 in Flow and circumferential direction with a number regularly or irregularly distributed holes 21 of the most varied Provide cross sections and directions through which an amount of air flows into the interior of the mixing tube 220, and along the wall in the sense of a filming an increase in speed induce. Another way the same To achieve effect is that the flow cross section of the mixing tube 220 on the outflow side of the transition channels 201, which has the transition geometry already mentioned form, narrowing, causing the whole Speed level increased within the mixing tube 220 becomes. In the figure, these bores 21 run under one acute angle with respect to the burner axis 60. Furthermore the outlet of the transition channels 201 corresponds to the narrowest Flow cross section of the mixing tube 220. The above Transition channels 201 therefore bridge the respective cross-sectional difference, without making the flow negative to influence. If the precaution chosen by the Guiding the pipe flow 40 along the mixing pipe 220 triggers intolerable pressure loss, can counter this Remedial action can be taken by placing one at the end of the mixing tube Diffuser not shown in the figure is provided. At the A combustion chamber 30 closes at the end of the mixing tube 220 , with a between the two flow cross-sections Cross-sectional jump is present. Only here does one form central backflow zone 50, which has the properties of a Has flame holder. Forms within this cross-sectional jump a flow during operation Edge zone, in which by the prevailing negative pressure Vertebral detachments occur, so this leads to an increased Ring stabilization of the backflow zone 50 the combustion chamber 30 has a number of openings 31 through it which an amount of air directly into the cross-sectional jump streams, and there lower others help that Ring stabilization of the backflow zone 50 is strengthened. Besides It should not go unmentioned that the generation of a stable Backflow zone 50 also has a sufficiently high swirl number in a pipe requires. If this is initially undesirable, so stable return flow zones can be made smaller by the supply strongly swirled air flows at the pipe end, for example through tangential openings. Here you go here assume that the amount of air required for this is approximately 5-20% of the total air volume. As for the design of the Tear edge at the end of the mixing tube 220 is concerned the description referenced in FIG. 8.

    Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Drallerzeugers 100a, der in den nachfolgenden Fig. 3-5 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 durchdringbar ist. Die Zuströmung der Verbrennungsluft 115 in das Brennstoffspray 105 wird 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. 1) 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. 2 shows a schematic representation of a swirl generator 100a, which is described in more detail in the following FIGS. 3-5 becomes. 1 is the representation of the center placed fuel nozzle 103, which is opposite the beginning 125 of the conical flow cross section set back upstream is, distance 126 from the selected spray angle 105 depends. The mouth 104 comes through this displacement the fuel nozzle 103 in the area of the head-side fixed casing 101a, 102a. That through the relocation of the fuel nozzle 103 arising fuel spray 105 occurs with a larger cone radius in that of the main flow of the combustion air in the interior 114 of the burner Area so that the fuel spray 105 in this area no more than a solid compact body behaves, but has already crumbled into drops and therefore is easy to penetrate. The inflow of combustion air 115 in the fuel spray 105 is no longer hindered what is reflected in the mix quality in a positive sense, in that the fuel spray 105 passes through more easily the combustion air can be penetrated. Furthermore, in the area of the level of the fuel spray orifice 104 radially or quasi-radially arranged openings 124 are provided, through which a purge air in the size of the Inflows cross section induced fuel nozzle 103. The Flow cross-section of these openings 124 is selected so that in gas operation of those flowing through these openings Air mass flow is not sufficient to the backflow zone (cf. Fig. 1) to move further downstream. In liquid fuel mode the fuel spray 105 acts practically as a jet pump, with which the air mass flow through the named Openings 124 increased. This causes a larger axial Impulse that shifts the backflow zone further downstream what acts as a good measure to prevent the flame from reigniting. On the schematically shown conical partial body 101, 102 is discussed in greater detail in FIGS. 2-5. There too Configuration and mode of operation of the tangential air inlet slots 119, 120 discussed in more detail.

    Um den Aufbau des Drallerzeugers 100a besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 2 mindestens Fig. 3 herangezogen wird. Des weiteren, um diese Fig. 2 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Figur 3 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 2 nach Bedarf auf die genannten Figuren hingewiesen.In order to better understand the structure of the swirl generator 100a, it is advantageous if at least at the same time as FIG. 2 Fig. 3 is used. Furthermore, around this Fig. 2 not to make it unnecessarily confusing are the after the baffles 121a, 121b shown schematically in FIG. 3 only have been hinted at. In the following, the Description of Fig. 2 as required on the figures mentioned pointed out.

    Der erste Teil des Brenners nach Fig. 1 bildet den nach Fig. 2 gezeigten Drallerzeuger 100a. Dieser besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Anzahl der kegelförmigen Teilkörper kann selbstverständlich grösser als zwei sein, wie die Figuren 4 und 5 zeigen; dies hängt jeweils, wie weiter unten noch näher zur Erläuterung kommen wird, von der Betreibungsart des ganzen Brenners ab. Es ist bei bestimmten Betriebskonstellationen nicht ausgeschlossen, einen aus einer einzigen Spirale bestehenden Drallerzeuger vorzusehen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 201b, 202b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Kanal, d.h. einen Lufteintrittsschlitz 119, 120 (Fig. 3), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Drallerzeugers 100a, d.h. in den Kegelhohlraum 114 desselben 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 resp. Tulpe. 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, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Drallerzeugers 100a vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 vorzugsweise für einen flüssigen Brennstoff 112 untergebracht, deren Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraumes 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. Selbstverständlich kann der Drallerzeuger 100a rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoff leitung 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. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff 112 handelt es sich, wie erwähnt, im Normalfall um einen flüssigen Brennstoff, wobei eine Gemischbildung mit einem anderen Medium ohne weiteres möglich ist. Dieser Brennstoff 112 wird unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffspray 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer Vermischung Richtung Verdampfung abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 113 über die Oeffnungsdüsen 117 eingebracht, geschieht die Bildung des Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 119, 120. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt, oder beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas oder Abgas angereichert, so unterstützt dies nachhaltig die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112, bevor dieses Gemisch in die nachgeschaltete Stufe strömt. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 flüssige Brennstoffe zugeführt werden sollten. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich des Kegelwinkels und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 am Ausgang des Drallerzeugers 100a einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die schnellere Bildung einer Rückströmzone bereits im Bereich des Drallerzeugers begünstigt. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Drallerzeugers 100a lässt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Eine entsprechende Drallerzeugung verhindert die Bildung von Strömungsablösungen innerhalb des dem Drallerzeuger 100a nachgeschalteten Mischrohr. Die Konstruktion des Drallerzeugers 100a eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Drallerzeugers 100a eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 101, 102 auch in einer anderen Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Ueberlappung derselben vorgesehen werden kann. Es ist des weiteren möglich, die Teilkörper 101, 102 durch eine gegenläufig drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln. Somit ist es möglich, die Form, die Grösse und die Konfiguration der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 beliebig zu variieren, womit der Drallerzeuger 100a ohne Veränderung seiner Baulänge universell einsetzbar ist.The first part of the burner according to FIG. 1 forms the one according to FIG. 2 shown swirl generator 100a. This consists of two hollows conical partial bodies 101, 102 which are offset from one another are nested. The number of conical Partial body can of course be larger than two, such as Figures 4 and 5 show; this depends on how each further will be explained in more detail below, depending on the type of debt collection of the whole burner. It is with certain operating constellations not excluded one from one single spiral existing swirl generator. The Offset of the respective central axis or longitudinal symmetry axes 201b, 202b of the tapered partial bodies 101, 102 to one another creates a mirror image of the neighboring wall Arrangement, each a tangential channel, i.e. an air inlet slot 119, 120 (Fig. 3) through which the combustion air 115 inside the swirl generator 100a, i.e. in flows through the cone cavity 114 thereof. The cone shape of the one shown Partial body 101, 102 has a flow direction certain fixed angle. Of course, depending on the operational use, can the partial body 101, 102 in the direction of flow have an increasing or decreasing taper similar to a trumpet or Tulip. The latter two Shapes are not included in the drawing as they are for the expert can be easily understood. The two tapered partial bodies 101, 102 each have a cylindrical Initial part 101a, 102a, which also, analogous to the tapered Partial bodies 101, 102, offset from one another, so that the tangential air inlet slots 119, 120 via the entire length of the swirl generator 100a are present. In the area of the cylindrical initial part, a nozzle 103 is preferred for a liquid fuel 112, the injection 104 approximately with the narrowest cross section of the formed by the conical part body 101, 102 cone cavity 114 coincides. The injection capacity and the type this nozzle 103 depends on the specified parameters of the respective burner. Of course, the swirl generator can 100a purely conical, i.e. without cylindrical starting parts 101a, 102a. The tapered body 101, 102 also each have a fuel line 108, 109 on which along the tangential air inlet slots 119, 120 arranged and provided with injection openings 117 are, by which preferably a gaseous fuel 113 injected into the combustion air 115 flowing through there is how the arrows 116 symbolize this. This Fuel lines 108, 109 are preferably at the latest End of tangential inflow, before entering the cone cavity 114, placed, this for an optimal Obtain air / fuel mixture. At that through the nozzle 103 fuel introduced 112, as mentioned, normally a liquid fuel, whereby a mixture formation with another medium without any problems is possible. This fuel 112 will tip under one Angle injected into the cone cavity 114. From the nozzle 103 A conical fuel spray 105 is thus formed, which by the rotating combustion air 115 flowing in tangentially is enclosed. In the axial direction, the concentration of the injected fuel 112 continuously through the inflowing Combustion air 115 to mix direction Evaporation reduced. If a gaseous fuel 113 Formed through the opening nozzles 117, the formation occurs of the fuel / air mixture directly at the end of the air inlet slots 119, 120. Is the combustion air 115 additional preheated, or for example with a recirculated This enriches flue gas or exhaust gas sustained evaporation of the liquid fuel 112, before this mixture flows into the downstream stage. The The same considerations also apply when using the lines 108, 109 liquid fuels should be supplied. At the design of the tapered partial body 101, 102 with respect the cone angle and the width of the tangential air inlet slots 119, 120 are strict limits to be observed, so that the desired flow field of the combustion air Set 115 at the output of swirl generator 100a can. Generally speaking, a downsizing of the tangential air inlet slots 119, 120 the faster Formation of a backflow zone already in the area of the swirl generator favored. The axial speed within the Swirl generator 100a cannot be replaced by a corresponding one change the supply of an axial combustion air flow shown. Appropriate swirl generation prevents formation of flow separation within the swirl generator 100a downstream mixing pipe. The construction of the swirl generator 100a is also particularly suitable, the Size of the tangential air inlet slots 119, 120 to change, without changing the length of the swirl generator 100a covers a relatively large operational bandwidth can be. Of course, the partial bodies 101, 102 can also be shifted relative to one another in another plane, thereby even overlapping them can. It is also possible to use the partial bodies 101, 102 by a counter-rotating movement in a spiral to nest. Thus, it is possible to shape the Size and configuration of the tangential air inlet slots 119, 120 to vary arbitrarily, with which the swirl generator 100a can be used universally without changing its overall length is.

    Aus Fig. 4 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 dynamisch verändert werden soll. 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 Drallerzeuger 100a auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vogesehen werden.The geometric configuration of FIG Baffles 121a, 121b. They have a flow initiation function these, according to their length, the respective End of the tapered partial body 101, 102 in the direction of flow extend towards the combustion air 115. The Channeling the combustion air 115 into the cone cavity 114 can by opening or closing the guide plates 121a, 121b by one in the area of the entry of this channel into the Cone cavity 114 placed pivot point 123 can be optimized, this is particularly necessary if the original gap size of the tangential air inlet slots 119, 120 dynamic should be changed. Of course you can dynamic arrangements can also be provided statically by required guide plates with a fixed component form the tapered partial bodies 101, 102. The can also Swirl generator 100a can also be operated without baffles, or other aids can be provided for this.

    Fig. 5 zeigt gegenüber Fig. 4, dass der Drallerzeuger 100a nunmehr aus vier Teilkörpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen zu jedem Teilkörper sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Konfiguration ist zu sagen, dass sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringeren Drallstärke und im Zusammenwirken mit einer entsprechend vergrösserten Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungsseitig des Drallerzeugers im Mischrohr zu verhindern, womit das Mischrohr die ihm zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.5 shows that the swirl generator 100a now made up of four partial bodies 130, 131, 132, 133 is. The associated longitudinal symmetry axes for each partial body are marked with the letter a. About this configuration can be said that because of the generated lower twist strength and in cooperation with one suitably suitably enlarged slot width, the bursting of the vortex flow on the downstream side of the To prevent swirl in the mixing tube, making the mixing tube can best fulfill the role intended for him.

    Fig. 6 unterscheidet sich gegenüber Fig. 5 insoweit, als hier die Teilkörper 140, 141, 142, 143 eine Schaufelprofilform haben, welche zur Bereitstellung einer gewissen Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Drallerzeugers die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Verbrennungsluftstromes 115 geschieht aus dem Innern der Schaufelprofile heraus, d.h. die Brennstoffleitung 108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert. Auch hier sind die Längssymmetrieachsen zu den einzelnen Teilkörpern mit der Buchstabe a gekennzeichnet.Fig. 6 differs from Fig. 5 in so far as here the partial bodies 140, 141, 142, 143 have a blade profile shape, which is intended to provide a certain flow becomes. Otherwise, the mode of operation of the swirl generator stayed the same. The admixture of fuel 116 in the combustion air flow 115 happens from the inside the blade profiles out, i.e. the fuel line 108 is now integrated in the individual blades. Also here are the longitudinal axes of symmetry to the individual partial bodies marked with the letter a.

    Fig. 7 zeigt das Uebergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Uebergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100a mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 4 oder 5, aufgebaut. Dementsprechend weist die Uebergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper vier Uebergangskanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche der genannten Teilkörper verlängert wird, bis sie die Wand des Rohres 20 resp. des Mischrohres 220 schneidet. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als den unter Fig. 2 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung verlaufende Fläche der einzelnen Uebergangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, dass sich vorliegend der Durchflussquerschnitt des Uebergangsstückes 200 in Strömungsrichtung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Uebergangskanäle 201 in Strömungsrichtung ist so gewählt, dass der Rohrströmung anschliessend bis zum Querschnittssprung am Brennkammereintritt noch eine genügend grosse Strecke verbleibt, um eine perfekte Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerkstelligen. Ferner erhöht sich durch die oben genannten Massnahmen auch die Axialgeschwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeugers. Die Uebergangsgeometrie und die Massnahmen im Bereich des Mischrohres bewirken eine deutliche Steigerung des Axialgeschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt des Mischrohres hin, so dass der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegengewirkt wird.7 shows the transition piece 200 in a three-dimensional view. The transition geometry is for a swirl generator 100a with four partial bodies, corresponding to FIG. 4 or 5, built up. Accordingly, the transition geometry points as natural extension of the upstream parts four transition channels 201 on, making up the cone quarter area the partial body mentioned is extended until it hits the wall of the tube 20 respectively. of the mixing tube 220 cuts. The same Considerations also apply when the swirl generator is off another principle than that described under Fig. 2, is constructed. The one running downward in the direction of flow The area of the individual transition channels 201 has an in Flow direction on a spiral shape, which describes a crescent shape, corresponding to the The fact that the flow cross section of the Transition piece 200 flared in the direction of flow. The swirl angle of the transition channels 201 in the flow direction is selected so that the pipe flow then up to A cross-sectional jump at the combustion chamber inlet is still sufficient large distance remains to make a perfect premix with to manage the injected fuel. Further increases the axial speed is also affected by the above-mentioned measures on the mixing tube wall downstream of the swirl generator. The transition geometry and the measures in the area of the mixing tube cause a significant increase in the axial speed profile towards the center of the mixing tube, so that the danger of early ignition is decisively counteracted becomes.

    Fig. 8 zeigt die bereits angesprochene Abrisskante, welche am Brenneraustritt gebildet ist. Der Durchflussquerschnitt des Rohres 20 erhält in diesem Bereich einen Uebergangsradius R, dessen Grösse grundsätzlich von der Strömung innerhalb des Rohres 20 abhängt. Dieser Radius R wird so gewählt, dass sich die Strömung an die Wand anlegt und so die Drallzahl stark ansteigen lässt. Quantitativ lässt sich die Grösse des Radius R so definieren, dass dieser > 10% des Innendurchmessers d des Rohres 20 beträgt. Gegenüber einer Strömung ohne Radius vergrössert sich nun die Rückströmblase 50 gewaltig. Dieser Radius R verläuft bis zur Austrittsebene des Rohres 20, wobei der Winkel β zwischen Anfang und Ende der Krümmung < 90° beträgt. Entlang des einen Schenkels des Winkels β verläuft die Abrisskante A ins Innere des Rohres 20 und bildet somit eine Abrissstufe S gegenüber dem vorderen Punkt der Abrisskante A, deren Tiefe > 3 mm beträgt. Selbstverständlich kann die hier parallel zur Austrittsebene des Rohres 20 verlaufende Kante anhand eines gekrümmten Verlaufs wieder auf Stufe Austrittsebene gebracht werden. Der Winkel β', der sich zwischen Tangente der Abrisskante A und Senkrechte zur Austrittsebene des Rohres 20 ausbreitet, ist gleich gross wie Winkel β. Auf die Vorteile dieser Ausbildung ist bereits oben unter dem Kapitel "Darstellung der Erfindung" näher eingegangen.Fig. 8 shows the tear-off edge already mentioned, which on Burner outlet is formed. The flow cross section of the Tube 20 is given a transition radius R in this area, whose size basically depends on the flow within the Tube 20 depends. This radius R is chosen so that the flow applies to the wall and so the swirl number strong can rise. The size of the radius can be quantified Define R so that it is> 10% of the inner diameter d of the tube is 20. Opposite a flow without a radius Now the backflow bladder 50 increases enormously. This Radius R extends to the exit plane of the tube 20, wherein the angle β between the beginning and end of the curvature is <90 °. The runs along one leg of the angle β Tear-off edge A into the interior of the tube 20 and thus forms one Tear-off step S opposite the front point of the tear-off edge A, whose depth is> 3 mm. Of course, here Edge running parallel to the exit plane of the tube 20 based on a curved course back to the exit level to be brought. The angle β 'that is between tangent the trailing edge A and perpendicular to the exit plane of the Tube 20 spreads is the same size as angle β. On the Advantages of this training is already under the chapter "Presentation of the invention" discussed in more detail.

    BezugszeichenlisteReference list

    1010th
    BuchenringBeech ring
    2020th
    Rohrpipe
    2121
    Bohrungen, OeffnungenHoles, openings
    3030th
    BrennkammerCombustion chamber
    3131
    OeffnungenOpenings
    4040
    Strömung, Rohrströmung im MischrohrFlow, pipe flow in the mixing pipe
    5050
    Rückströmzone, RückströmblaseBackflow zone, backflow bubble
    6060
    BrennerachseBurner axis
    100a100a
    DrallerzeugerSwirl generator
    101, 102101, 102
    TeilkörperPartial body
    101a, 102b101a, 102b
    Zylindrische AnfangsteileCylindrical starting parts
    101b, 102b101b, 102b
    LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes
    103103
    Brennstoffdüse Fuel 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 (VerbrennungsluftstromCombustion 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 stromauf gegenüber 125Displacement of fuel nozzle 103 upstream from 125
    130, 131, 132, 133130, 131, 132, 133
    TeilkörperPartial body
    131a, 131a, 132a, 133a131a, 131a, 132a, 133a
    LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes
    140, 141, 142, 143140, 141, 142, 143
    Schaufelprofilförmige TeilkörperVane-shaped partial body
    140a, 141a, 142a, 143a140a, 141a, 142a, 143a
    LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes
    200200
    UebergangsstückTransition piece
    201201
    UebergangskanäleTransition channels
    220220
    MischrohrMixing tube
    dd
    Innendurchmesser des Rohres 20Inner diameter of the tube 20
    RR
    UebergangsradiusTransition radius
    TT
    Tangentiale der AbrisskanteTangent line of the tear-off edge
    AA
    AbrisskanteTear-off edge
    SS
    AbrissstufeDemolition level
    ββ
    Uebergangswinkel von RTransition angle from R
    β'β '
    Winkel zwischen T und AAngle between T and A

    Claims (18)

    1. Burner for a heat generator, essentially consisting of a swirl generator for a combustion air stream and of means for injecting a fuel into the combustion air stream, wherein there is arranged downstream of the swirl generator (100a) a mixing stage (220), characterized in that [lacuna] has, within a first stage part (200), transition channels (201), running in the direction of flow, for transferring a flow (40), formed in the swirl generator (100a), into a tube (20) located downstream of the transition channels (201), and in that there serves as a means for injecting a fuel a nozzle (103) which is offset upstream by a distance (126) relative to an upstream end of the swirl generator (100a).
    2. Burner according to Claim 1, characterized in that the swirl generator has a number of combustion air inlets distributed around the circumference in such a manner that a plurality of combustion air part-streams are formed, and in that the number of transition channels (201) in the mixing stage (220) corresponds to the number of part-streams formed by the swirl generator (100a).
    3. Burner according to Claim 1, characterized in that the outlet plane of the tube (20) is designed with a breakaway edge (A) for stabilizing and enlarging a backflow zone (50) which forms downstream.
    4. Burner according to Claim 3, characterized in that the breakaway edge (A) consists of a transition radius (R) in the region of the outlet plane of the tube (20) and of a breakaway step (S) offset from this outlet plane.
    5. Burner according to Claim 4, characterized in that the transition radius (R) is > 10% of the inside diameter of the tube (20), and in that the breakaway step (S) has a depth of > 3 mm.
    6. Burner according to Claim 3, characterized in that a diffuser and/or a Venturi stage is/are arranged upstream of the breakaway edge (A).
    7. Burner according to Claim 1, characterized in that the tube (20) located downstream of the transition channels (201) is provided in the direction of flow and in the circumferential direction with orifices (21) for injecting an air stream into the interior of the tube.
    8. Burner according to Claim 7, characterized in that the orifices (21) run at an acute angle relative to the burner axis (60).
    9. Burner according to Claim 1, characterized in that the throughflow cross section of the tube (20) downstream of the transition channels (201) is smaller than, equal to or larger than the cross section of the flow (40) formed in the swirl generator (100a).
    10. Burner according to Claim 1, characterized in that a combustion chamber (30) is arranged downstream of the mixing stage (220), in that, between the mixing stage (220) and the combustion chamber (30), there is a jump in cross section which induces the initial flow cross section of the combustion chamber (30), and in that a backflow zone (50) can take effect in the region of this jump in cross section.
    11. Burner according to Claim 1, characterized in that the swirl generator (100a) consists of at least two hollow conical part-bodies (101, 102; 130, 131, 132, 133; 140, 141, 142, 143) fitted one in the other in the direction of flow, in that the respective longitudinal axes of symmetry (101b, 102b; 130a, 131a, 132a, 133a; 140a, 141a, 142a, 143a) of these part-bodies are offset relative to one another in such a way that the adjacent walls of the part-bodies form channels (119, 120) for the combustion air stream (115) which are tangential along their longitudinal extent, and in that the fuel nozzle (103) is arranged, on the head side, upstream of the cone start induced by the swirl generator (100a).
    12. Burner according to Claim 11, characterized in that the fuel nozzle (103) is arranged on the burner axis (60).
    13. Burner according to Claims 11 and 12, characterized in that the fuel nozzle (103) can be operated with a liquid fuel (112) and further fuel nozzles (117) can be operated with a gaseous fuel (113).
    14. Burner according to Claim 13, characterized in that the further fuel nozzles (117) are arranged in the region of the tangential channels (119, 120) along their longitudinal extent.
    15. Burner according to Claim 11, characterized in that the part-bodies (140, 141, 142, 143) have a blade-shaped profiling in cross section.
    16. Burner according to Claim 11, characterized in that the part-bodies have, in the direction of flow, a fixed cone angle or an increasing cone taper or a decreasing cone taper.
    17. Burner according to Claim 11, characterized in that the part-bodies are fitted one in the other spirally.
    18. Burner according to Claim 11, characterized in that the throughflow cross section of the tangential air inlet slits (119, 120) decreases in the longitudinal direction of the burner.
    EP96810827A 1995-12-21 1996-11-27 Burner for a heat generator Expired - Lifetime EP0780630B1 (en)

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    EP0780630A3 EP0780630A3 (en) 1998-07-29
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