EP0916894B1 - Brenner für den Betrieb eines Wärmeerzeugers - Google Patents

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EP0916894B1
EP0916894B1 EP97810867A EP97810867A EP0916894B1 EP 0916894 B1 EP0916894 B1 EP 0916894B1 EP 97810867 A EP97810867 A EP 97810867A EP 97810867 A EP97810867 A EP 97810867A EP 0916894 B1 EP0916894 B1 EP 0916894B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
section
flow
burner according
swirl generator
burner
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97810867A
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English (en)
French (fr)
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EP0916894A1 (de
Inventor
Klaus Dr. Döbbeling
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.)
GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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Filing date
Publication date
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Priority to DE59710788T priority Critical patent/DE59710788D1/de
Priority to EP97810867A priority patent/EP0916894B1/de
Priority to US09/187,343 priority patent/US6027331A/en
Priority to JP32224098A priority patent/JP4263278B2/ja
Priority to CNB981269826A priority patent/CN1137342C/zh
Publication of EP0916894A1 publication Critical patent/EP0916894A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details
    • F23D11/40—Mixing tubes; Burner heads
    • F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/14—Special features of gas burners
    • F23D2900/14021—Premixing burners with swirling or vortices creating means for fuel or air

Definitions

  • the invention relates to a burner for the operation of a heat generator according to Preamble of claim 1.
  • the upstream side consists of a swirl generator, the flow formed therein seamlessly in a mixing section is transferred. This is done using one at the beginning of the Mixing section formed for this purpose flow geometry, which Transition channels exist, which are sectoral, according to the number of acting Partial body of the swirl generator, capture the end face of the mixing section and in Flow direction swirl.
  • the mixing section On the outflow side of these transition channels the mixing section has a number of filming holes, which one Ensure an increase in the flow velocity along the pipe wall.
  • a combustion chamber the transition between the Mixing section and the combustion chamber formed by a cross-sectional jump in whose plane a backflow zone or backflow bubble forms.
  • the Twist strength in the swirl generator is selected so that the bursting of the Vortex does not occur within the mixing section, but further downstream, as Executed above, in the area of the cross-sectional jump.
  • EP-A2-747 635 discloses a premix burner with a radial swirl generator for a gas turbine.
  • these swirl generating blades are openings available for fuel injection. This type of premixing leads to a lean one Fuel / air mixture with the advantage of combustion with low emissions.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as set out in the claims is characterized, the task is based on a burner at the beginning to propose the above-mentioned type of precautions which affect the quality of the mixture Fuel / air mixture can improve.
  • the fuel in the swirl generator is injected on both sides along the inlet channels through which the combustion air flows into the interior.
  • the main advantages of the invention can be seen in the fact that the fuel injection provided on both sides of the inlet channels achieves a better penetration depth of the fuel into the combustion stream, which leads to a better premixing between fuel and combustion air.
  • the injection levels of the two rows of fuel injectors at the transition to the interior of the Swirl generator are arranged from the tip to the exit of the swirl generator increases. This is the route until it enters the swirl generator of fuel injectors further downstream, this leads to a better premixing of the injected fuel.
  • the object according to the invention is also particularly suitable for use in the case of other burners in which the swirl generator is also the premixing section of the burner.
  • the swirl generator is also the premixing section of the burner.
  • particular reference is made to the Document EP-0 321 809 B1 pointed out, which is an integrating component This description forms.
  • Fig. 1 shows the overall structure of a burner.
  • the top of the burner is a Swirl generator 100 effective, the design of which is shown in the following FIG. 2 and 3 is shown and described in more detail.
  • It is a conical body that is tangential multiple times in the circumferential direction of one incoming combustion air flow 115 is applied, in the area the inflow of this combustion air 115 different injections 116, 116a of a gaseous and / or liquid fuel are available:
  • FIGS. 2 and 3 Another fuel injection can through a central and head-mounted fuel nozzle 103 can be accomplished.
  • operation with a liquid and / or gaseous fuel are maintained.
  • the one forming here Swirl flow is provided on the basis of a swirl generator 100 downstream Transition geometry seamlessly transferred into a transition piece 200, that no detachment areas can form in this zone.
  • the configuration this transition geometry is described in more detail in FIG. 4. outflow side this transition piece 200 becomes the transition geometry which is thereby formed extended by a mixing tube 20, both parts of the actual Form mixing section 220 of the burner.
  • the mixing section 220 consist of a single piece, i.e. then that transition piece 200 and the mixing tube 20 into a single coherent Bodies merge, keeping the characteristics of each part.
  • transition piece 200 and mixing tube 20 are made from two parts, so these are connected by a bushing ring 10, the same bushing ring 10 serves as an anchoring surface for the swirl generator 100 on the head side.
  • Such sleeve ring 10 also has the advantage that different mixing tubes can be used without affecting the basic configuration of the burner to have to change something.
  • Downstream of the mixing tube 20 is the actual combustion chamber 30 of a combustion chamber, which is here only by a Flame tube is shown.
  • the mixing section 220 largely fulfills the task that a defined distance is provided downstream of the swirl generator 100 in which achieves a perfect premixing of different types of fuel can be.
  • This mixing section that is to say, the mixing tube 20, enables furthermore a loss-free flow guidance, so that there is also an operative connection with the transition geometry initially no backflow zone or Backflow bubble can form, which over the length of the mixing section 220 on the Mixing quality can be exercised for all types of fuel.
  • This Mixing section 220 has yet another property, which consists in that the axial velocity profile has a pronounced maximum in it has the axis so that the flame reignites from the combustion chamber not possible. However, it is correct that with such a configuration this Axial velocity drops towards the wall. To reignite this too, the mixing tube 20 in the flow and circumferential direction with a number of regularly or irregularly distributed bores 21 various cross sections and directions through which an amount of air flows into the interior of the mixing tube 20, and along the wall in the sense induce an increase in flow velocity during filming. This Bores 21 can also be designed so that on the inner wall of the mixing tube 20 at least additionally sets an effusion cooling.
  • transition channels 201 Another way of increasing the speed of the mixture within To achieve the mixing tube 20 is that its flow cross-section on the outflow side of the transition channels 201, which are those already mentioned Form transition geometry, undergoes a narrowing, causing the whole Speed level within the mixing tube 20 is raised.
  • these bores 21 run at an acute angle the burner axis 60.
  • the outlet corresponds to the transition channels 201 the narrowest flow cross section of the mixing tube 20.
  • the transition channels mentioned 201 accordingly bridge the respective cross-sectional difference, without negatively influencing the flow formed. If the chosen precaution when guiding the pipe flow 40 along the mixing pipe 20 triggers an intolerable pressure loss, this can be remedied be created by not at the end of this mixing tube in the figure shown diffuser is provided.
  • combustion chamber 30 combustion chamber 30
  • Backflow zone 50 which has the properties of a flame front disembodied flame holder.
  • FIG. 2 shows a swirl generator constructed from four partial bodies 140, 141, 142, 143 100, these partial bodies having a blade profile shape, with which a targeted flow for the through the respective inlet channels 120 into the interior 114 incoming combustion air flow 115 is accomplished.
  • the Flow cross-section of the inlet channels 120 is determined by the displacement of the respective Central axes 141a, 142a, 143a, 144a of the partial body are achieved, as shown in FIG. 2 emerges particularly well.
  • the fuel 116, 116a in the swirl generator is on both sides injected along the inlet channels 120. The closer type of injection goes from the explanations under Fig. 3.
  • FIG. 3 shows a perspective illustration of a four-slot swirl generator 100.
  • the introduction of fuel 116, 116a for admixing into the combustion air flow 115 is accomplished here by means of fuel lines, which are integrated into the partial bodies 140-143, in contrast to the fuel supply according to EP-0 780 629 A2.
  • the bilateral fuel supply along the inlet channels 120 is held here in such a way that the individual opposite ones Injections are arranged axially offset from one another. In order to it is achieved that the intermediate space between two injections on the one side from the opposite offset injection on the other Page is filled. This is important as this is the fuel injected captured by the combustion air stream 115 forms a bubble spray.
  • Opposing staggered fuel bubbles are able to fill the entire cross section of the inlet channels 120, the depth of penetration of the entered Fuel is larger, which has a positive effect on the fuel / combustion air mixture formation effect.
  • Optimizing mixture formation affects the design of the injection level H of the fuel 116, 116a in the axial direction of the swirl generator 100. This increases from the tip of the swirl generator 100 to the swirl generator outlet.
  • the transition geometry is corresponding for a swirl generator 100 with four partial bodies 2 and 3, built. Accordingly, the transition geometry four transition channels as a natural extension of the upstream part 201 on, whereby the conical quarter area of said partial body is extended until it cuts the wall of the mixing tube.
  • the same reasoning also apply if the swirl generator is based on a principle other than the one below Fig. 3 is constructed.
  • the down in the flow direction running surface of the individual transition channels 201 has a flow direction spiral shape, which has a crescent shape Course describes, corresponding to the fact that the flow cross-section is present 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 that the pipe flow then up to the cross-sectional jump on Combustion chamber entry still has a sufficient distance to be perfect Premix with the injected fuel. Furthermore increased the axial speed due to 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 the axial velocity profile towards the center of the mixing tube, see above that the danger of early ignition is decisively counteracted.
  • Fig. 5 shows the tear-off edge already mentioned, which exits at the burner is formed.
  • the flow cross section of the tube 20 receives one in this area Transition radius R, the size of which basically depends on the flow within of the tube 20 depends.
  • This radius R is chosen so that the Applies flow to the wall and so the swirl number increases sharply.
  • the size of the radius R can be defined so that it is> 10% of the inside diameter d of the tube is 20.
  • the backflow bladder 50 increases enormously.
  • This radius R runs to the exit plane of the tube 20, the angle ⁇ between the beginning and end of curvature is ⁇ 90 °.
  • the tear-off edge A runs inside the tube 20 and thus forms a tear-off step S opposite the front point of the tear-off edge A, whose depth> 3 mm is.
  • this can be parallel to the exit plane of the tube 20th running edge based on a curved course back to the exit level to be brought.
  • the angle ⁇ ' which is between the tangent of the tear-off edge A and perpendicular to the exit plane of the tube 20 is the same as large as angle ⁇ .
  • Another Design of the tear-off edge for the same purpose can be done with the combustion chamber achieve toroidal notches. Including the mentioned publication the scope of protection there is, as far as the tear-off edge is concerned, an integrating one Part of this description.

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Brenner für den Betrieb eines Wärmeerzeugers gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus EP-0 780 629 A2 ist ein Brenner bekanntgeworden, der anströmungsseitig aus einem Drallerzeuger besteht, wobei die hierin gebildete Strömung nahtlos in eine Mischstrecke übergeführt wird. Dies geschieht anhand einer am Anfang der Mischstrecke zu diesem Zweck gebildeten Strömungssgeometrie, welche aus Übergangskanälen besteht, die sektoriell, entsprechend der Zahl der wirkenden Teilkörper des Drallerzeugers, die Stirnfläche der Mischstrecke erfassen und in Strömungsrichtung drallförmig verlaufen. Abströmungsseitig dieser Übergangskanäle weist die Mischstrecke eine Anzahl Filmlegungsbohrungen auf, welche eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Rohrwand gewährleisten. Anschliessend folgt eine Brennkammer, wobei der Übergang zwischen der Mischstrecke und der Brennkammer durch einen Querschnittssprung gebildet wird, in dessen Ebene sich eine Rückströmzone oder Rückströmblase bildet. Die Drallstärke im Drallerzeuger wird denmach so gewählt, dass das Aufplatzen des Wirbels nicht innerhalb der Mischstrecke, sondern weiter stromab erfolgt, wie oben ausgeführt, im Bereich des Querschnittssprunges.
Obschon dieser Brenner gegenüber denjenigen aus dem vorangegangenen Stand der Technik eine signifikante Verbesserung hinsichtlich Stärkung der Flammenstabilität, tieferer Schadstoff-Emissionen, geringerer Pulsationen, vollständigen Ausbrandes, grossen Betriebsbereichs, guter Querzündung zwischen den verschiedenen Brennern, kompakter Bauweise, verbesserter Mischung, etc., gewährleistet, zeigt es sich, dass mit den immer höher werdenden Anforderungen an die Brennertechnologie Probleme bezüglich eine genügende Vormischung zwischen dem Brennstoff und der Verbrennungsluft entstehen können, womit eine Minimierung der Schadstoff-Emissionen im erwünschten Mass nicht immer zu erreichen ist. Diesbezüglich müsste, um hier entgegenzuwirken, die Distanz zwischen dem Brennstoffeindüsungsort und der Flammenfront sehr lang sein, was aber bei einem Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers aus Platzgründen und Betriebsüberlegungen nicht möglich ist.
Die Schrift EP-A2-747 635 offenbart einen Vormischbrenner mit einem radialen Drallerzeuger für eine Gasturbine. In einem Ausführungsbeispiel dieser drallerzeugenden Schaufeln sind Öffnungen zur Eindüsung von Brennstoff vorhanden. Diese Art der Vormischung führt zu einem mageren Brennstoff/Luft-Gemisch mit dem Vorteil einer Verbrennung mit niedrigen Emissionswerten.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der eingangs genannten Art Vorkehrungen vorzuschlagen, welche die Mischungsgüte des Brennstoff/Luft-Gemisches zu verbessern vermögen.
Zum Erreichen dieses Zieles wird der Brennstoff im Drallerzeuger beidseits entlang der Eintrittskanäle, durch welche die Verbrennungsluft in den Innenraum strömt, eingedüst.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass durch die beidseits der Eintrittskanäle vorgesehene Brennstoffeindüsung eine bessere Eindringtiefe des Brennstoffes in den Verbrennungsstrom erreicht wird, was zu einer besseren Vormischung zwischen Brennstoff und Verbrennungsluft führt.
Erfindungsgemäss wird darüber hinaus vorgesehen, dass die Eindüsungsebenen der beiden Brennstoffinjektorenreihen, die am Übergang zum Innenraum des Drallerzeugers angeordnet sind, von der Spitze bis zum Austritt des Drallerzeugers hin zunimmt. Dadurch wird die Strecke bis zum Eintritt in den Drallerzeuger der weiter stromab gelegenen Brennstoffinjektoren vergrössert, dies führt zu einer besseren Vormischung des eingedüsten Brennstoffes.
Der erfindungsgemässe Gegenstand eignet sich vorzüglich auch für den Einsatz bei anderen Brennern, bei welchen der Drallerzeuger zugleich die Vormischstrekke des Brenners bildet. Insbesondere wird in diesem Zusammenhang auf die Druckschrift EP-0 321 809 B1 hingewiesen, welche einen integrierenden Bestandteil vorliegender Beschreibung bildet.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
Kurze Bezeichnung der Zeichnungen
Es zeigt:
Fig. 1
einen als Vormischbrenner ausgelegten Brenner mit einer Mischstrecke stromab eines Drallerzeugers,
Fig. 2
einen schematischen Querschnitt durch einen vierschaligen Drallerzeuger,
Fig. 3
einen vierschaligen Drallerzeuger in dreidimensionaler Ansicht,
Fig. 4
eine Ausgestaltung der Übergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und Mischstrecke und
Fig. 5
eine Abrisskante zur räumlichen Stabilisierung der Rückströmzone.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners. Kopfseitig des Brenners ist ein Drallerzeuger 100 wirksam, dessen Ausgestaltung in den nachfolgenden Fig. 2 und 3 noch näher gezeigt und beschrieben wird. Es handelt sich hierbei um einen kegelförmigen Körper, der tangential mehrfach in Umfangsrichtung von einem einströmenden Verbrennungsluftstrom 115 beaufschlagt wird, wobei im Bereich der Einströmung dieser Verbrennungsluft 115 verschiedene Eindüsungen 116, 116a eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffes disponiert sind: Hierzu wird auf die Ausführungen unter Fig. 2 und 3 verwiesen. Eine weitere Brennstoffeindüsung kann durch eine zentral und kopfseitig angeordnete Brennstoffdüse 103 bewerkstelligt werden. Auch hier kann der Betrieb mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff aufrechterhalten werden. Die sich hier bildende Drallströmung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Übergangsgeometrie nahtlos in ein Übergangsstück 200 überführt, dergestalt, dass sich in dieser Zone keine Ablösungsgebiete bilden können. Die Konfiguration dieser Übergangsgeometrie wird unter Fig. 4 näher beschrieben. Abströmungsseitig dieses Übergangsstückes 200 wird die sich dadurch bildende Übergangsgeometrie durch ein Mischrohr 20 verlängert, wobei beide Teile die eigentliche Mischstrecke 220 des Brenners bilden. Selbstverständlich kann die Mischstrecke 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d.h. dann, dass das Übergangsstück 200 und das Mischrohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Körper verschmelzen, wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Übergangsstück 200 und Mischrohr 20 aus zwei Teilen gefertigt, so werden diese durch einen Buchsenring 10 verbunden, wobei der gleiche Buchsenring 10 kopfseitig als Verankerungsfläche für den Drallerzeuger 100 dient. Ein solcher Buchsenring 10 hat darüber hinaus den Vorteil, dass verschiedene Mischrohre eingesetzt werden können, ohne an der Grundkonfiguration des Brenners etwas ändern zu müssen. Abströmungsseitig des Mischrohres 20 befindet sich der eigentliche Brennraum 30 einer Brennkammer, welche hier lediglich durch ein Flammrohr gezeigt wird. Die Mischstrecke 220 erfüllt weitgehend die Aufgabe, dass stromab des Drallerzeugers 100 eine definierte Strecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt werden kann. Diese Mischstrecke, also vordergründig das Mischrohr 20, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so dass sich auch in Wirkverbindung mit der Übergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone oder Rückströmblase bilden kann, womit über die Länge der Mischstrecke 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluss ausgeübt werden kann. Diese Mischstrecke 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, dass in ihr 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 20 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl regelmässig oder unregelmässig verteilter Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 20 strömt, und entlang der Wand im Sinne einer Filmlegung eine Erhöhung der Durchfluss-Geschwindigkeit induzieren. Diese Bohrungen 21 können auch so ausgelegt werden, dass sich an der Innenwand des Mischrohres 20 mindestens zusätzlich noch eine Effusionskühlung einstellt. Eine andere Möglichkeit eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Gemisches innerhalb des Mischrohres 20 zu erzielen, besteht darin, dass dessen Durchflussquerschnitt abströmungsseitig der Übergangskanäle 201, welche die bereits genannten Übergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 20 angehoben wird. In der Figur verlaufen diese Bohrungen 21 unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse 60. Des weiteren entspricht der Auslauf der Übergangskanäle 201 dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 20. Die genannten Übergangskanäle 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 20 einen nicht tolerierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende dieses Mischrohres ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 20 schliesst sich sodann eine Brennkammer (Brennraum 30) an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten ein durch eine Brennerfront gebildeter Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Flammenfront mit einer Rückströmzone 50, welche gegenüber der Flammenfront die Eigenschaften eines körperlosen 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. Stimseitig weist der Brennraum 30, soweit dieser Ort nicht durch andere Vorkehrungen, beispielsweise durch Pilotbrenner, belegt ist, eine Anzahl Öffnungen 31 auf, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung strömt, und dort unter anderen dazu beiträgt, dass die Ringstabilisation der Rückströmzone 50 gestärkt wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, dass die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 50 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 Öffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, dass die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge beträgt. Was die Ausgestaltung der Brennerfront 70 am Ende des Mischrohres 20 zur Stabilisierung der Rückströmzone oder Rückströmblase 50 betrifft, wird auf die Beschreibung unter Fig. 5 verwiesen.
Fig. 2 zeigt einen aus vier Teilkörpem 140, 141, 142, 143 aufgebauten Drallerzeuger 100, wobei diese Teilkörper eine Schaufelprofilform aufweisen, womit eine gezielte Strömung für die durch die jeweiligen Eintrittskanäle 120 in den Innenraum 114 einströmenden Verbrennungsluftstrom 115 bewerkstelligt wird. Der Durchflussquerschnitt der Eintrittskanäle 120 wird durch die Versetzung der jeweiligen Mittelachsen 141a, 142a, 143a, 144a der Teilkörper erzielt, wie dies aus Fig. 2 besonders gut hervorgeht. Der Brennstoff 116, 116a im Drallerzeuger wird beidseits entlang der Eintrittskanäle 120 eingedüst. Die nähere Eindüsungsart geht aus den Ausführungen unter Fig. 3 hervor.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Vierschlitz-Drallerzeugers 100. Die Heranführung des Brennstoffes 116, 116a für die Zumischung in den Verbrennungsluftstrom 115 wird hier mittels Brennstoffleitungen bewerkstelligt, welche in die Teilkörper 140-143 integriert sind, dies im Gegensatz zu der Brennstoffbereitstellung gemäss EP-0 780 629 A2. Die beidseitige Brennstoffeinbringung entlang der Eintrittskanäle 120 ist hier so gehalten, dass die einzelnen gegenüberliegenden Eindüsungen axial versetzt zueinander angeordnet sind. Damit wird erreicht, dass der intermediäre Raum zwischen zwei Eindüsungen auf der einen Seite von der gegenüberliegenden versetzten Eindüsung auf der anderen Seite aufgefüllt wird. Dies ist von Wichtigkeit, als damit der eingedüste Brennstoff vom Verbrennungsluftstrom 115 erfasst ein blasenförmiges Spray bildet. Gegenüberliegende versetzt zueiander sich bildende Brennstoffblasen vermögen den ganzen Querschnitt der Eintrittskanäle 120 aufzufüllen, die Eindringtiefe des eingegebenen Brennstoffes ist grösser, was sich positiv auf die Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemischbildung auswirkt. Die erfindungsgemässe Massnahme die Gemischbildung zu optimieren, betrifft die Gestaltung der Eindüsungsebene H des Brennstoffes 116, 116a in axialer Richtung des Drallerzeugers 100. Diese nimmt von der Spitze des Drallerzeugers 100 zum Drallerzeugeraustritt hin zu.
Dadurch wird die relative Vormischstrecke der weiter von der Drallerzeugerspitze stromab gelegenen Brennstoffeindüsungen vergrössert, was zu einer Intensivierung des Vormischungsprozesses führt. Aus dieser Figur geht die beschriebene Veränderung durch den geometrischen Verlauf 144, 145 der Eindüsungsebenen in axialer Richtung hervor. Selbstverständlich kann der Drallerzeuger im übrigen gemäss EP-0 780 629 A2 ausgebildet sein, wobei diese Druckschrift einen integrierenden Bestandteil vorliegender Beschreibung bildet. Drallerzeuger mit einer anderen Anzahl Eintrittskanäle 120 sind auch möglich.
Fig. 4 zeigt das Übergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Übergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100 mit vier Teilkörpern, entsprechend den Fig. 2 und 3, aufgebaut. Dementsprechend weist die Übergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper vier Übergangskanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche der genannten Teilkörper verlängert wird, bis sie die Wand des Mischrohres schneidet. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als den unter Fig. 3 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung verlaufende Fläche der einzelnen Übergangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, dass sich vorliegend der Durchflussquerschnitt des Übergangsstückes 200 in Strömungsrichtung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Übergangskanäle 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. Femer erhöht sich durch die oben genannten Massnahmen auch die Axialgeschwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeugers. Die Übergangsgeometrie 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.
Fig. 5 zeigt die bereits angesprochene Abrisskante, welche am Brenneraustritt gebildet ist. Der Durchflussquerschnitt des Rohres 20 erhält in diesem Bereich einen Übergangsradius 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. Die Vorteile dieser Ausbildung dieser Abrisskante gehen aus EP-0 780 629 A2 unter Dem Kapitel "Darstellung der Erfindung" hervor.Eine weitere Ausgestaltung der Abrisskante zum selben Zweck lässt sich mit brennkammerseitigen torusähnlichen Einkerbungen erreichen. Die genannte Druckschrift einschliessend des dortigen Schutzumfanges ist, was die Abrisskante betrifft, ein intergrierender Bestandteil vorliegender Beschreibung.
Bezugszeichenliste
10
Buchsenring
20
Mischrohr, Teil der Mischstrecke 220
21
Bohrungen, Öffnungen
30
Brennkammer, Brennraum
31
Öffnungen
40
Strömung, Rohrströmung im Mischrohr, Hauptströmung
50
Rückströmzone, Rückströmblase
60
Brennerachse
100
Drallerzeuger
103
Brennstoffdüse
114
Kegelhohlraum
115
Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)
116, 116a
Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen 108, 109, Gasinjektoren
140, 141, 142, 143
Schaufelprofilförmige Teilkörper
140a, 141a, 142a, 143a
Längssymmetrieachsen
H, 144, 145
Eindüsungsebenen
200
Übergangsstück, Teil der Mischstrecke 220
201
Übergangskanäle
220
Mischrohr, Mischstrecke
d
Innendurchmesser des Mischrohres
R
Übergangsradius
A
Abrisskante
T
Tangentiale der Abrisskante
S
Abrissstufe
β
Übergangswinkel von R
β'
Winkel zwischen T und A

Claims (14)

  1. Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, wobei der Brenner im wesentlichen aus einem Drallerzeuger (100) für einen Verbrennungsluftstrom, aus Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom besteht, wobei stromab des Drallerzeugers eine Mischstrecke (220) angeordnet ist, welche innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung eine Anzahl Üebergangskanäle (201) zur Überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in ein stromab dieser Übergangskanäle nachgeschaltetes Mischrohr (20) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Drallerzeuger (100) beidseits eines jeden drallerzeugenden Eintrittskanals (120) mit Brennstoffinjektoren (116, 116a) ausgestattet ist, wobei die beiden Reihen der Brennstoffinjektoren (116, 116a) eine Eindüsungsebene (H) bilden, und wobei diese Eindüsungsebene (H) von der Spitze bis zum Austritt des Drallerzeugers (100) zunimmt.
  2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beidseits wirkenden Brennstoffinjektoren (116, 116a) in axialer Richtung versetzt zueinander angeordnet sind.
  3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (140, 141, 142, 143) besteht, dass die jeweiligen Mittelachsen (140a, 141a, 142a, 143a) dieser Teilkörper zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Eintrittskanäle (120) für einen Verbrennungsluftstromes (115) bilden, und dass im von den Teilkörpern gebildeten Innenraum (114) eine Vormischstrecke wirkbar ist.
  4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass kopfseitig des Drallerzeugers (100) eine Brennstoffdüse (103) angeordnet ist.
  5. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (140, 141, 142, 143) im Querschnitt eine schaufelförmige Profilierung aufweisen.
  6. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper in Strömungsrichtung einen festen Kegelwinkel, oder eine zunehmende Kegelneigung, oder eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.
  7. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper spiralförmig ineinandergeschachtelt sind.
  8. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Übergangskanäle (201) in der Mischstrecke (220) der Anzahl der vom Drallerzeuger (100) gebildeten Teilströme entspricht.
  9. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Übergangskanälen (201) nachgeschaltete Mischrohr (20) in Strömungs- und Umfangsrichtung mit Öffnungen (21) zur Eindüsung eines Luftstromes ins Innere des Mischrohres (20) versehen ist.
  10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (21) unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse (60) des Mischrohres (20) verlaufen.
  11. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt des Mischrohres (20) stromab der Übergangskanäle (201) kleiner, gleich gross oder grösser als der Querschnitt der im Drallerzeuger (100, 100a) gebildeten Strömung (40) ist.
  12. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Mischstrecke (220) ein Brennraum (30) angeordnet ist, dass zwischen der Mischstrecke (220) und dem Brennraum (30) ein Querschnittssprung vorhanden ist, der den anfänglichen Strömungsquerschnitt des Brennraumes (30) induziert, und dass im Bereich dieses Querschnittssprunges eine Rückströmzone (50) wirkbar ist.
  13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Rückströmzone (50) ein Diffusor und/oder eine Venturistrecke vorhanden ist.
  14. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischrohr (20) brennraumseitig (30) eine Abrisskante (A) aufweist.
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