EP0911582A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Vormischbrenners - Google Patents

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EP0911582A1
EP0911582A1 EP97810801A EP97810801A EP0911582A1 EP 0911582 A1 EP0911582 A1 EP 0911582A1 EP 97810801 A EP97810801 A EP 97810801A EP 97810801 A EP97810801 A EP 97810801A EP 0911582 A1 EP0911582 A1 EP 0911582A1
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EP
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liquid fuel
water
mixing zone
opening
fuel
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Adnam Eroglu
Robin Mcmillan
Jens Policke
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General Electric Switzerland GmbH
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for operating a premix burner, according to the preamble of claim 1.
  • Combustion chambers have long been available for stationary gas turbines in power plants with pre-mix burners designed as so-called double-cone burners proven, where the fuel from the outside by insertable fuel lances is fed.
  • the lance is usually designed as a two-fuel lance, i.e. optionally gaseous fuel, e.g. Pilot gas, and / or more liquid Fuel, for example an oil-water emulsion, are supplied.
  • a liquid fuel pipe an atomizing air pipe and a pilot gas pipe arranged concentrically.
  • the tubes each form a channel for the Liquid fuel, the atomizing air and the pilot gas, which in at the lance head end of a fuel nozzle.
  • the fuel lance is inserted with its lance head a corresponding inner tube of the double-cone burner, so that the emerging Fuel through the fuel nozzle into the one connected to the inner tube Interior of the burner arrives (see DE 43 06 956 A1).
  • a double cone burner is also known from EP 03 21 809 B1, which is used for intended for use in a combustion chamber connected to a gas turbine is.
  • This burner consists of two hollow, complementary to the double cone burner Partial cone bodies that are arranged radially offset from each other. He owns a hollow cone-shaped interior that increases in the direction of flow with tangential air inlet slots.
  • the fuel supply for the double-cone burner takes place from the outside via the plug-in fuel lance, which opens into a liquid fuel nozzle.
  • the latter forms one in the interior of the burner hollow cone-shaped fuel spray consisting of liquid fuel and air from where most fuel droplets are at the outer end of the conical Spray pattern are concentrated. Because of the large spray angle of approx.
  • the invention tries to avoid all of these disadvantages. You have the task based, a method and an apparatus for operating a premix burner to create, which improve the fuel supply in certain operating modes.
  • this is achieved in that in a method according to the preamble of claim 1, the liquid fuel and the water separately is directed to the liquid fuel nozzle and only in the liquid fuel nozzle Mixing takes place.
  • the resulting liquid fuel-water mixture will then in a full jet, with an injection angle ⁇ of less than 10 °, injected into the interior of the premix burner.
  • This is the liquid fuel nozzle equipped with a simple injection opening. Upstream of the injection opening a mixing zone is arranged, in which both a liquid fuel line as well as a water supply line.
  • the liquid fuel line and the water supply line are arranged together in a fuel lance, the latter having an end piece forming the liquid fuel nozzle. Both the injection opening and the mixing zone are in this end piece Fuel lance arranged.
  • the liquid fuel remains due to the pressure loss in the end piece of the fuel lance and the water and its corresponding supply lines to the mixing zone, i.e. until shortly before the formation of the liquid fuel-water mixture from one another Cut.
  • This ensures good flow control and almost the entire available pressure loss can be used to inject the fluids involved be used by the liquid fuel nozzle.
  • the Liquid fuel at a high speed and regardless of the injection of the water sprayed in, which enables better atomization.
  • the liquid fuel-water mixture formed in the mixing zone not upstream in the liquid fuel line or water supply line penetrate, which prevents the flame from striking back.
  • the water is in the liquid fuel initiated.
  • the water supply line is located radially outside the liquid fuel line as well as coaxial to the latter.
  • the mixing zone is by means of a plate separated from the liquid fuel line, the plate at least an axial connection opening between the liquid fuel line and the mixing zone and the water supply line has at least one radial through opening Mixing zone.
  • the mixing zone advantageously has a funnel-shaped design Transition piece to the injection opening, which ensures a streamlined feed the liquid fuel-water mixture to the injection opening can be. It is particularly useful if the water is vertical is introduced into the liquid fuel. Thus, in a relatively short mixing zone a largely homogeneous mixture can be formed.
  • it is therefore used for reprocessing the liquid fuel-water mixture either the water in the Liquid fuel or the liquid fuel introduced into the water.
  • a pressure loss at the transition to the mixing zone can thus be prevented and thus the total available pressure loss through the injection port for injecting the Liquid fuel-water mixture used in the interior of the premix burner become.
  • With a high speed injection of the Liquid fuel and water in the mixing zone create great turbulence there, which promote a quick and good mixing of both fluids.
  • the injection opening has a guide length l and a diameter d, with a ratio of guide length to diameter of 2 ⁇ l / d ⁇ 20 is observed. With such a ratio, a particularly good atomization can the fuel mixture can be achieved.
  • the premix burner consists of at least two hollow partial cone bodies arranged radially offset from each other, with tangential air inlet slots and an enlarging in the direction of flow, hollow cone-shaped interior.
  • the liquid fuel nozzle is also connected to a fuel lance serving the fuel supply.
  • this method provides a form of liquid spray with a small injection angle, which with the small opening angle of the premix burner interacts optimally. This creates ideal conditions for the Combustion of liquid fuel by means of a premix burner designed in this way created.
  • the gas turbine system for example, does not show the compressor and the gas turbine.
  • the direction of flow of the work equipment is indicated by arrows.
  • the gas turbine system consists of a compressor, one Gas turbine and a combustion chamber 1.
  • the combustion chamber 1 there are several both for operation with liquid fuel 2 as well as with gaseous fuel 3 suitable and designed as a double-cone pre-mix burner 4.
  • the double cone burners 4 each consist of two half, hollow partial cone bodies 5, 6, each with an inner wall 7, 8. Close both inner walls 7, 8 a hollow cone-shaped interior 9 that increases in the flow direction a (Fig. 1).
  • the partial cone bodies 5, 6 each have an offset to the other arranged central axis 10, 11 (Fig. 2). This means that they are radially offset from one another, on each other and form a tangential on both sides of the double-cone burner 4 Air inlet slot 12, 13 through which combustion air 14 in the Interior 9 flows.
  • Both partial cone bodies 5, 6 each have a cylindrical one Initial part 15, 16.
  • the initial parts 15, 16 are analogous to the partial cone bodies 5, 6 staggered (Fig. 1).
  • In the beginning parts 15, 16 and in the interior 9 protrudes as a central liquid fuel nozzle 17 End piece of one serving the fuel supply of the double cone burner 4
  • Fuel lance 18 arranged.
  • the liquid fuel nozzle 17 has one circular injection opening 19 on (Fig. 2).
  • the fuel lance 18 consists of a central liquid fuel line 20 and one radially outside of this and coaxial to the water supply line 21 arranged upstream of the injection opening 19 a mixing zone 22 is formed and by means of a vertically arranged, circular plate 23 separated from the liquid fuel line 20.
  • Plate 23 has a plurality of axial connection openings 24 between the liquid fuel line 20 and the mixing zone 22 and the water supply line 21 several radial Through openings 25 to the mixing zone 22.
  • the mixing zone 22 has one funnel-shaped transition piece 26 to the injection opening 19.
  • the latter has a guide length l and a diameter d and a ratio of the guide length to diameter from 4 to (Fig. 3).
  • the double-cone burner 4 is also used as liquid fuel via the liquid fuel line 20 2 used fuel oil and the water supply line 21 with water 27 supplied.
  • the fuel oil 2 and the water 27 are separate Liquid fuel nozzle 17 transported. Mixing takes place only in the mixing zone 22 of fuel oil 2 and water 27, by injecting the water vertically 27 into the fuel oil 2. Since in this case fuel oil is the liquid fuel 2 is used, it does not form a proper mixture, but to a liquid fuel-water emulsion 28.
  • the liquid fuel-water emulsion 28 is through the central injection opening 19, with an injection angle ⁇ of less than 10 °, injected into the interior 9 (Fig. 1).
  • the full jet 29 spreads in the interior 9 of the double-cone burner 4 in the direction of flow evenly and ultimately takes on a conical shape Shape.
  • the resulting fuel mixture is ignited in the area of the burner orifice, whereby a flame front 30 forms, which in turn in the area the burner mouth is stabilized by a backflow zone 31.
  • the liquid fuel line 20 is arranged axially and the water supply line 21 opens conically into the mixing zone 22 (FIG. 4).
  • the water 27 is introduced obliquely into the liquid fuel 2, so that a pressure loss at the transition to the mixing zone 22 can be prevented.
  • the entire available pressure loss via the injection opening 19 is used to inject the liquid fuel-water emulsion 28 into the interior 9 of the premix burner 4, which results in a small injection angle and thus a full jet 29. All other processes take place analogously to the first embodiment.
  • an alternative solution is essentially same effects shown in the compared to the second embodiment only the arrangement of the liquid fuel line 20 and the Water supply line 21 are interchanged in the fuel lance 18 (Fig. 5). So that can better atomization can be achieved when operating without water 27.
  • the injection opening 19 can correspond to the specific operating conditions the double cone burner 4 also another suitable shape and the quotient of guide length l and diameter d another amount, about 2 to 20.
  • the double-cone burner 4 purely conical, i.e. without the cylindrical starting parts 15, 16 are formed.

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Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Vormischbrenners zu schaffen, welche die Brennstoffzufuhr bei bestimmten Betriebsarten verbessern. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Flüssigbrennstoff (2) und das Wasser (27) separat zur Flüssigbrennstoffdüse (17) transportiert, erst dort eine Flüssigbrennstoff-Wasser-Mischung (28) erzeugt und diese anschliessend in einem Vollstrahl (29), mit einem Einspritzwinkel α von kleiner als 10°, in den Innenraum (9) des Vormischbrenners (4) eingedüst wird. Dazu ist die zentral in den Innenraum (9) mündende Flüssigbrennstoffdüse (17) mit einer einfachen Einspritzöffnung (19) ausgebildet. Stromauf der Einspritzöffnung (19) ist eine Mischzone (22) angeordnet, in welche eine Flüssigbrennstoffleitung (20) und eine Wasserzuleitung (21) münden. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Vormischbrenners, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Für stationäre Gasturbinen in Kraftwerken haben sich seit längerem Brennkammern mit als sogenannte Doppelkegelbrenner ausgebildeten Vormischbrennern bewährt, bei denen der Brennstoff von aussen durch einsteckbare Brennstofflanzen zugeführt wird. Die Lanze ist dabei meist als Zwei-Brennstoff-Lanze ausgelegt, d.h. es kann wahlweise gasförmiger Brennstoff, z.B. Pilotgas, und/oder flüssiger Brennstoff, beispielsweise eine Öl-Wasser-Emulsion, zugeführt werden. Dazu sind in der Lanze ein Flüssigbrennstoffrohr, ein Zerstäuberluftrohr und ein Pilotgasrohr konzentrisch angeordnet. Die Rohre bilden jeweils einen Kanal für den Flüssigbrennstoff, die Zerstäuberluft und das Pilotgas, welche am Lanzenkopf in einer Brennstoffdüse enden. Die Brennstofflanze steckt mit ihrem Lanzenkopf in einem entsprechenden Innenrohr des Doppelkegelbrenners, so dass der austretende Brennstoff über die Brennstoffdüse in den an das Innenrohr anschliessenden Innenraum des Brenners gelangt (s. DE 43 06 956 A1).
Aus dem EP 03 21 809 B1 ist ebenfalls ein Doppelkegelbrenner bekannt, der für den Einsatz in einer mit einer Gasturbine verbundenen Brennkammer vorgesehen ist. Dieser Brenner besteht aus zwei hohlen, sich zum Doppelkegelbrenner ergänzenden Teilkegelkörpern, die radial versetzt zueinander angeordnet sind. Er besitzt einen sich in Strömungsrichtung vergrössernden, hohlkegelförmigen Innenraum mit tangentialen Lufteintrittschlitzen. Die Brennstoffversorgung des Doppelkegelbrenners erfolgt von aussen über die einsteckbare Brennstofflanze, welche in eine Flüssigbrennstoffdüse mündet. Letztere bildet im Brennerinnenraum einen hohlkegelförmigen, aus Flüssigbrennstoff und Luft bestehenden Brennstoffspray aus, bei dem die meisten Brennstoff-Tröpfchen am äusseren Ende des konischen Spraymusters konzentriert sind. Wegen des grossen Sprühwinkels von ca. 30° und dem Fehlen eines axialen Impulses im Zentrum, sind diese Sprays sehr anfällig auf Zentrifugalkräfte, die durch die Wirbelströmung im Brennerinneren erzeugt werden. Dadurch werden die Brennstoff-Tröpfchen relativ schnell zentrifugal nach aussen getragen, was bei bestimmten Betriebsbedingungen den Aufprall einer nicht unbedeutenden Menge des Flüssigbrennstoffs an den Brennerwänden zur Folge haben kann.
Aus dem Lehrbuch "Atomization and sprays", von A. Lefebvre, West Lafayette, Indiana 1989, S. 106/107, 238-240 sind zur Zerstäubung von flüssigen Brennstoffen sogenannte Vollstrahlzerstäuber (plain jet orifice) bekannt. Bei solchen Zerstäuberdüse wird der flüssige Brennstoff aus einer Vorkammer durch zumindest eine kreisförmige Einspritzöffnung bestimmter Führungslänge unter hohem Druck und mit einen Kegelwinkel von 5 bis 15° ausgestossen. Die Auflösung des Brennstoffstrahls in einzelne Tropfen wird bei erhöhter Fliessgeschwindigkeit gefördert, weil dadurch sowohl das Niveau der Verwirbelungen im ausströmenden Strahl als auch die vom umgebenden Medium ausgeübten aerodynamischen Zugkräfte ansteigen. Der beschriebene Vollstrahlzerstäuber realisiert die Eindüsung des Flüssigbrennstoffes ebenfalls gemeinsam mit dem Wasser, so dass die genannten Probleme bei der Brennstoffverteilung gleichfalls auftreten können.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Vormischbrenners zu schaffen, welche die Brennstoffzufuhr bei bestimmten Betriebsarten verbessern.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der Flüssigbrennstoff und das Wasser separat zur Flüssigbrennstoffdüse geleitet wird und erst in der Flüssigbrennstoffdüse eine Vermischung erfolgt. Die entstandene Flüssigbrennstoff-Wasser-Mischung wird anschliessend in einem Vollstrahl, mit einem Einspritzwinkel α von kleiner als 10°, in den Innenraum des Vormischbrenners eingedüst. Dazu ist die Flüssigbrennstoffdüse mit einer einfachen Einspritzöffnung ausgestattet. Stromauf der Einspritzöffnung ist eine Mischzone angeordnet, in welche sowohl eine Flüssigbrennstoffleitung als auch eine Wasserzuleitung einmünden. Die Flüssigbrennstoffleitung sowie die Wasserzuleitung sind gemeinsam in einer Brennstofflanze angeordnet, wobei letztere ein die Flüssigbrennstoffdüse bildendes Endstück aufweist. Sowohl die Einspritzöffnung als auch die Mischzone sind in diesem Endstück der Brennstofflanze angeordnet.
Durch den Druckverlust im Endstück der Brennstofflanze bleiben der Flüssigbrennstoff und das Wasser sowie ihre entsprechenden Zuleitungen bis zur Mischzone, d.h. bis kurz vor der Bildung der Flüssigbrennstoff-Wasser-Mischung voneinander getrennt. Dadurch ist eine gute Durchflussregelung gewährleistet und fast der gesamte verfügbare Druckverlust kann zum Eindüsen der beteiligten Fluide durch die Flüssigbrennstoffdüse verwendet werden. Auf diese Weise wird der Flüssigbrennstoff mit einer grossen Geschwindigkeit und unabhängig von der Injektion des Wassers eingedüst, wodurch eine bessere Zerstäubung möglich ist. Ausserdem kann die in der Mischzone gebildete Flüssigbrennstoff-Wasser-Mischung nicht stromauf in die Flüssigbrennstoffleitung oder die Wasserzuleitung eindringen, womit einem Zurückschlagen der Flamme vorgebeugt ist.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird das Wasser in den Flüssigbrennstoff eingeleitet. Dazu ist die Wasserzuleitung radial ausserhalb der Flüssigbrennstoffleitung sowie koaxial zu letzterer ausgebildet. Die Mischzone ist mittels einer Platte von der Flüssigbrennstoffleitung getrennt, wobei die Platte zumindest eine axiale Verbindungsöffnung zwischen Flüssigbrennstoffleitung sowie Mischzone und die Wasserzuleitung zumindest eine radiale Durchgangsöffnung zur Mischzone aufweist. Die Mischzone besitzt vorteilhaft ein trichterförmig ausgebildetes Übergangsstück zur Einspritzöffnung, wodurch eine strömungsgünstige Zuführung der Flüssigbrennstoff-Wasser-Mischung zur Einspritzöffnung realisiert werden kann. Dabei ist es besonders zweckmässig, wenn das Wasser senkrecht in den Flüssigbrennstoff eingeleitet wird. Somit kann in einer relativ kurzen Mischzone eine weitgehend homogene Mischung gebildet werden.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind alternativ entweder die Flüssigbrennstoffleitung axial und die Wasserzuleitung kegelförmig oder die Wasserzuleitung axial und die Flüssigbrennstoffleitung kegelförmig in die Mischzone einmündend angeordnet. Je nach Auslegung der Brennstofflanze wird daher zur Aufbereitung der Flüssigbrennstoff-Wasser-Mischung entweder das Wasser in den Flüssigbrennstoff oder der Flüssigbrennstoff in das Wasser eingeleitet. Auf diese Weise kann ein Druckverlust beim Übergang zur Mischzone verhindert und somit der gesamte verfügbare Druckverlust über die Einspritzöffnung zur Injektion der Flüssigbrennstoff-Wasser-Mischung in den Innenraum des Vormischbrenners genutzt werden. Bei einer mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Eindüsung des Flüssigbrennstoffs und des Wassers in die Mischzone entstehen dort grosse Turbulenzen, welche eine schnelle und gute Vermischung beider Fluide fördern.
Schliesslich weist die Einspritzöffnung eine Führungslänge l sowie einen Durchmesser d auf, wobei ein Verhältnis Führungslänge zu Durchmesser von 2 ≤ l/d ≤ 20 eingehalten wird. Bei einem solchen Verhältnis kann eine besonders gute Zerstäubung der Brennstoffmischung erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung wird der sich im Innenraum des Vormischbrenners, in Strömungsrichtung ausbreitende und aus der Flüssigbrennstoff-Wasser-Mischung bestehende Vollstrahl von einem tangential in den Brenner einströmenden, rotierenden Verbrennungsluftstrom umschlossen. Die Zündung des sich einstellenden Verbrennungsgemisches findet im Bereich der Brennermündung statt, wobei die Flammenfront in diesem Bereich durch eine Rückströmzone stabilisiert wird. Dazu besteht der Vormischbrenner aus zumindest zwei hohlen, radial versetzt zueinander angeordneten Teilkegelkörpern, mit tangentialen Lufteintrittschlitzen und einem sich in Strömungsrichtung vergrössernden, hohlkegelförmigen Innenraum. Die Flüssigbrennstoffdüse ist ebenfalls mit einer der Brennstoffversorgung dienenden Brennstofflanze verbunden.
Insbesondere liefert dieses Verfahren eine Form von Flüssigkeitsspray mit einem kleinen Einspritzwinkel, welcher mit dem kleinen Öffnungswinkel des Vormischbrenners optimal zusammenwirkt. Dadurch sind ideale Voraussetzungen für die Verbrennung von Flüssigbrennstoff mittels eines derart ausgebildeten Vormischbrenners geschaffen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines in der Brennkammer einer Gasturbinenanlage eingesetzten Vormischbrenners mit einer erfindungsgemässen Flüssigbrennstoffdüse dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1
einen Vormischbrenner im Längsschnitt;
Fig. 2
einen Schnitt durch den Vormischbrenner entlang der Pfeile II-II in Fig. 1;
Fig. 3
einen vergrösserten Ausschnitt der Fig. 1, im Bereich der Flüssigbrennstoffdüse;
Fig. 4
eine Darstellung gemäss Fig. 3, jedoch in einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5
eine Darstellung des Vormischbrenners entsprechend Fig. 4, jedoch gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Gasturbinenanlage beispielsweise der Verdichter und die Gasturbine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die nicht dargestellte Gasturbinenanlage besteht aus einem Verdichter, einer Gasturbine und einer Brennkammer 1. In der Brennkammer 1 sind mehrere sowohl zum Betrieb mit Flüssigbrennstoff 2 als auch mit gasförmigem Brennstoff 3 geeignete und als Doppelkegelbrenner ausgebildete Vormischbrenner 4 angeordnet. Die Doppelkegelbrenner 4 bestehen jeweils aus zwei halben, hohlen Teilkegelkörpern 5, 6 mit je einer Innenwand 7, 8. Beide Innenwände 7, 8 schliessen einen sich in Strömungsrichtung vergrössernden, hohlkegelförmigen Innenraum 9 ein (Fig. 1). Die Teilkegelkörper 5, 6 besitzen jeweils eine versetzt zur anderen angeordnete Mittelachse 10, 11 (Fig. 2). Dadurch liegen sie radial versetzt zueinander, aufeinander und bilden beidseitig des Doppelkegelbrenners 4 einen tangentialen Lufteintrittschlitz 12, 13 aus, durch welchen Verbrennungsluft 14 in den Innenraum 9 einströmt. Beide Teilkegelkörper 5, 6 haben je einen zylindrischen Anfangsteil 15, 16. Die Anfangsteile 15, 16 sind analog den Teilkegelkörpern 5, 6 versetzt zueinander angeordnet (Fig. 1). In die Anfangsteile 15, 16 und in den Innenraum 9 hineinragend ist ein als eine zentrale Flüssigbrennstoffdüse 17 ausgebildetes Endstück einer der Brennstoffversorgung des Doppelkegelbrenners 4 dienenden Brennstofflanze 18 angeordnet. Die Flüssigbrennstoffdüse 17 weist eine kreisrunde Einspritzöffnung 19 auf (Fig. 2).
In einem ersten Ausführungsbeispiel besteht die Brennstofflanze 18 aus einer zentralen Flüssigbrennstoffleitung 20 und einer radial ausserhalb dieser und koaxial zu ihr angeordneten Wasserzuleitung 21. Stromauf der Einspritzöffnung 19 ist eine Mischzone 22 ausgebildet und mittels einer senkrecht angeordneten, kreisrunden Platte 23 von der Flüssigbrennstoffleitung 20 getrennt. Die Platte 23 weist mehrere axiale Verbindungsöffnungen 24 zwischen der Flüssigbrennstoffleitung 20 sowie der Mischzone 22 und die Wasserzuleitung 21 mehrere radiale Durchgangsöffnungen 25 zur Mischzone 22 auf. Die Mischzone 22 besitzt ein trichterartig ausgebildetes Übergangsstück 26 zur Einspritzöffnung 19. Letztere weist eine Führungslänge l sowie einen Durchmesser d und ein Verhältnis Führungslänge zu Durchmesser von 4 auf (Fig. 3).
Der Doppelkegelbrenner 4 wird über die Flüssigbrennstoffleitung 20 mit als Flüssigbrennstoff 2 eingesetztem Brennöl und über die Wasserzuleitung 21 mit Wasser 27 versorgt. Dabei werden das Brennöl 2 und das Wasser 27 separat zur Flüssigbrennstoffdüse 17 transportiert. Erst in der Mischzone 22 erfolgt die Vermischung von Brennöl 2 und Wasser 27, durch senkrechtes Eindüsen des Wassers 27 in das Brennöl 2. Da in diesem Fall jedoch Brennöl als Flüssigbrennstoff 2 verwendet wird, kommt es nicht zur Ausbildung einer regelrechten Mischung, sondern zu einer Flüssigbrennstoff-Wasser-Emulsion 28. Die Flüssigbrennstoff-Wasser-Emulsion 28 wird durch die zentrale Einspritzöffnung 19, mit einem Einspritzwinkel α von weniger als 10°, in den Innenraum 9 eingedüst (Fig. 1). Aufgrund dieses engen Einspritzwinkels entsteht im Innenraum 9 des Doppelkegelbrenners 4 ein zunächst sehr kompakter Vollstrahl 29, der erst stromab öffnet und bei dem die Brennstofftröpfchen gleichmässig über den gesamten Querschnitt verteilt sind. Im Gegensatz zu dem im Stand der Technik bei Doppelkegelbrennern genutzten, hohlkegelförmigen Brennstoffspray weist ein solcher Vollstrahl 29 in seinem Zentrum jedoch ausreichend axiale Impulse auf, so dass die Brennstofftröpfchen nicht an die Innenwände 7, 8 der Teilkegelkörper 5, 6 getragen werden. Zudem kann diese Wirkung durch eine relative hohe Eindüsgeschwindigkeit des Brennöls 2 und des Wassers 27 noch verstärkt werden. Bei der natürlich ebenfalls möglichen Verwendung eines mit Wasser 27 mischbaren Flüssigbrennstoffs 2 entsteht in der Mischzone 22 keine Emulsion aus Flüssigbrennstoff 2 und Wasser 27, sondern eine entsprechende Flüssigbrennstoff-Wasser-Mischung 28.
Der Vollstrahl 29 breitet sich im Innenraum 9 des Doppelkegelbrenners 4 in Strömungsrichtung gleichmässig aus und nimmt somit schliesslich eine kegelförmige Gestalt an. Dabei wird der Vollstrahl 29 von der durch die tangentialen Lufteintrittschlitze 12, 13 einströmenden, rotierenden Verbrennungsluft 14 umschlossen. Die Zündung des entstehenden Brennstoffgemisches erfolgt im Bereich der Brennermündung, wobei sich eine Flammenfront 30 ausbildet, die ihrerseits im Bereich der Brennermündung durch eine Rückströmzone 31 stabilisiert wird.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Quotient von der Führungslänge zum Durchmesser der Einspritzöffnung von l/d = 10 erreicht, wodurch die der Flüssigbrennstoff-Wasser-Emulsion 28 innewohnende Turbulenz beruhigt wird. Zudem sind die Flüssigbrennstoffleitung 20 axial und die Wasserzuleitung 21 kegelförmig in die Mischzone 22 einmündend angeordnet (Fig. 4). Dadurch wird das Wasser 27 schräg in den Flüssigbrennstoff 2 eingeleitet so dass ein Druckverlust beim Übergang zur Mischzone 22 verhindert werden kann. Demnach wird der gesamte verfügbare Druckverlust über die Einspritzöffnung 19 zur Injektion der Flüssigbrennstoff-Wasser-Emulsion 28 in den Innenraum 9 des Vormischbrenners 4 genutzt, was einen kleinen Einspritzwinkel und damit einen Vollstrahl 29 zur Folge hat. Alle weiteren Abläufe erfolgen analog dem ersten Ausführungsbeispiel.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine alternative Lösung mit im wesentlichen gleichen Wirkungen dargestellt, bei der gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel lediglich die Anordnung der Flüssigbrennstoffleitung 20 und der Wasserzuleitung 21 in der Brennstofflanze 18 vertauscht sind (Fig. 5). Damit kann beim Betrieb ohne Wasser 27 eine bessere Zerstäubung erreicht werden.
Natürlich kann die Einspritzöffnung 19 entsprechend den konkreten Einsatzbedingungen des Doppelkegelbrenners 4 auch eine andere geeignete Form und der genannte Quotient von Führungslänge l und Durchmesser d einen anderen Betrag, etwa von 2 bis 20 haben. Selbstverständlich kann der Doppelkegelbrenner 4 rein kegelig, d.h. ohne die zylindrischen Anfangsteile 15, 16 ausgebildet werden.
Bezugszeichenliste
1
Brennkammer
2
Flüssigbrennstoff, Brennöl
3
gasförmiger Brennstoff
4
Vormischbrenner, Doppelkegelbrenner
5
Teilkegelkörper
6
Teilkegelkörper
7
Innenwand
8
Innenwand
9
Innenraum
10
Mittelachse
11
Mittelachse
12
Lufteintrittschlitz
13
Lufteintrittschlitz
14
Verbrennungsluft, Verbrennungsluftstrom
15
Anfangsteil, zylindrisch
16
Anfangsteil, zylindrisch
17
Flüssigbrennstoffdüse, Endstück
18
Brennstofflanze
19
Einspritzöffnung
20
Flüssigbrennstoffleitung
21
Wasserzuleitung
22
Mischzone
23
Platte
24
Verbindungsöffnung
25
Durchgangsöffnung
26
Übergangsstück
27
Wasser
28
Flüssigbrennstoff-Wasser-Mischung, Flüssigbrennstoff-Wasser-Emulsion
29
Vollstrahl
30
Flammenfront
31
Rückströmzone
l
Führungslänge
d
Durchmesser

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners mit Flüssigbrennstoff (2) und Wasser (27), wobei der Vormischbrenner (4) einen Innenraum (9) und eine zentral in letzteren mündende Flüssigbrennstoffdüse (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigbrennstoff (2) und das Wasser (27) separat zur Flüssigbrennstoffdüse (19) transportiert, dort zu einer Flüssigbrennstoff-Wasser-Mischung (28) vermischt und letztere anschliessend in einem Vollstrahl (29), mit einem Einspritzwinkel α von kleiner als 10°, in den Innenraum (9) des Vormischbrenners (4) eingedüst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser (27) in den Flüssigbrennstoff (2) eingeleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung des Wassers (27) in den Flüssigbrennstoff (2) senkrecht erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigbrennstoff (2) in das Wasser (27) eingeleitet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der sich im Innenraum (9) des Vormischbrenners (4) in Strömungsrichtung ausbreitende Vollstrahl (29) von einem tangential in den Vormischbrenner (4) einströmenden, rotierenden Verbrennungsluftstrom (14) umschlossen wird, die Zündung des Gemisches im Bereich der Brennermündung stattfindet und die Flammenfront (30) in diesem Bereich durch eine Rückströmzone (31) stabilisiert wird.
  6. Vorrichtung zum Betrieb eines Vormischbrenners mit Flüssigbrennstoff (2) und Wasser (27), nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) die zentral in den Innenraum (9) mündende Flüssigbrennstoffdüse (17) mit einer einfachen Einspritzöffnung (19) ausgestattet ist,
    b) stromauf der Einspritzöffnung (19) eine Mischzone (22) ausgebildet ist,
    c) eine Flüssigbrennstoffleitung (20) und eine Wasserzuleitung (21) in die Mischzone (22) münden.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigbrennstoffleitung (20) sowie die Wasserzuleitung (21) gemeinsam in einer Brennstofflanze (18) angeordnet sind, die Brennstofflanze (18) ein als Flüssigbrennstoffdüse (17) ausgebildetes Endstück aufweist und die Einspritzöffnung (19) sowie die Mischzone (22) in diesem Endstück angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzuleitung (21) radial ausserhalb der Flüssigbrennstoffleitung (20) sowie koaxial zu letzterer ausgebildet und die Mischzone (22) mittels einer Platte (23) von der Flüssigbrennstoffleitung (20) getrennt ist, wobei die Platte (23) zumindest eine axiale Verbindungsöffnung (24) zwischen Flüssigbrennstoffleitung (20) sowie Mischzone (22) und die Wasserzuleitung (21) zumindest eine radiale Durchgangsöffnung (25) zur Mischzone (22) aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischzone (22) ein trichterartig ausgebildetes Übergangsstück (26) zur Einspritzöffnung (19) besitzt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigbrennstoffleitung (20) axial und die Wasserzuleitung (21) kegelförmig in die Mischzone (22) einmündend angeordnet sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzuleitung (21) axial und die Flüssigbrennstoffleitung (20) kegelförmig in die Mischzone (22) einmündend angeordnet sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzöffnung (19) eine Führungslänge (l) sowie einen Durchmesser (d) aufweist, welche in einem Verhältnis von 2 ≤ l/d ≤ 20 ausgebildet sind.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (4) aus zumindest zwei hohlen, radial versetzt zueinander angeordneten Teilkegelkörpern (5, 6) mit einem sich in Strömungsrichtung vergrössernden, hohlkegelförmigen Innenraum (9) besteht, tangentialen Lufteintrittschlitze (12, 13) aufweist und die Flüssigbrennstoffdüse (17) mit einer der Brennstoffversorgung dienenden Brennstofflanze (18) verbunden ist.
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