EP0918191A1

EP0918191A1 - Brenner für den Betrieb eines Wärmeerzeugers

Info

Publication number: EP0918191A1
Application number: EP97810894A
Authority: EP
Inventors: Klaus Dr. Döbbeling; Hans Peter Knöpfel; Thomas Ruck
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 1999-05-26
Anticipated expiration: 2017-11-21
Also published as: US6155820A; DE59710380D1; JP4130716B2; ATE244380T1; JPH11223306A; EP0918191B1

Abstract

Bein einem Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, der im wesentlichen aus einem Drallerzeuger (100), einem dem Drallerzeuger nachgeschalteten Uebergangsstück (200) und einem Mischrohr (20) besteht, bilden Uebergangsstück (200) und Mischrohr (20) die Mischstrecke des Brenners, wobei diese Mischstrekke stromauf eines Brennraumes (30) angeordnet ist. Im Bereich der tangentialen verbrennungsluftführenden Einströmungskanäle (101b-104b) erstrecken sich entlang des Drallerzeugers (100) brennstofführende Kanäle (121-124), deren Strömungsquerschnitt für einen niederkalorischen Brennstoff (117) ausgelegt sind. Die brennstofführenden Kanäle (121-124) enden um eine Strecke stromauf des Ueberganges der tangentialen Einströmungskanäle (101b-104b) in einen Innenraum des Drallerzeugers (100), womit eine Teilvermischung zwischen den beiden Medien (115,117) stattfindet, bevor das Gemisch in den Innenraum (118) einströmt. Danebst ensteht durch diese Zurückversetzung genügend Platz für andere brennstofführende Leitungen (111-114) in diesem Bereich. <IMAGE> <IMAGE>

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 Uebergangskanälen besteht, die sektoriell, entsprechend der Zahl der wirkenden Teilkörper des Drallerzeugers, die Stirnfläche der Mischstrecke erfassen und in Strömungsrichtung drallförmig verlaufen. Abströmungsseitig dieser Uebergangskanäle weist die Mischstrecke eine Anzahl Filmlegungsbohrungen auf, welche eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Rohrwand gewährleisten. Anschliessend folgt eine Brennkammer, wobei der Uebergang 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. Der Drallerzeuger erfüllt hier die Funktion einer Vormischstrecke. Dieser besteht aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern, wobei die jeweiligen Längssymmetrieachsen der einzelnen Teilkörper zueinander vesetzt verlaufen. Dadurch bilden die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Einströmungskanäle für einen Verbrennungsluftstrom, wobei im von den Teilkörpern gebildeten Innenraum mindestens eine Brennstoffdüse wirkt.

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 bei der Eindüsung von Brennstoffen mit einem tieferen Heizwert, sogenannte niederkalorische Brennstoffe, nämlich MBTU- und LBTU-Gase, durch die Brennstoffdüsen entlang der Lufteintrittskanäle der Gasvordruck stark ansteigt, was sich in einem tieferen Wirkungsgrad der Anlage, hier einer Gasturbine, niederschlägt. Darüber hinaus, da diese Brennstoffe hohe H₂- und CO-Anteile aufweisen, steigt die Flammengeschwindigkeit stark an, womit die Gefahr besteht, dass die Flamme in den Brenner zurückschlägt. Bei einer solchen Konstellation geht der Brenner in einen Diffusionsmode über, was dann unweigerlich zu hohen NO_x-Emissionen führt. Daneben besteht dann die immanente Gefahr, dass der Brenner zu überhitzen droht oder sogar Teile davon abbrennen können. Bei zum Stand der Technik gehörenden Brennern wird der Brennstoff daher möglichst weit stromab eingedüst, damit die Flamme nicht stromauf zurückschlagen kann. Vielfach wird hier der Brennstoff mit Wasserdampf oder mit Stickstoff verdünnt, wobei dann aber in beiden Fällen eine Verminderung des Wirkungsgrades resultiert.

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 eine gute Vermischung beim Einsatz eines niederkalorischen Brennstoffes, bei minimierten Schadstoff-Emissionen und maximiertem Wirkungsgrad gewährleisten.

Zu diesem Zweck erhält der Drallerzeuger neben den Lufteintrittskanälen eine zweite unabhängige Brennstofführung, vorzugsweise als Kanal ausgebildet, durch welche der niederkalorische Brennstoff herangeführt wird. Dieser wird dann in adäquater Weise dem Verbrennungsluftstrom zugemischt, und zwar so, dass es zu einer Teilvermischung der beiden Medien kommt, bevor diese in den weiteren Innenraum des Drallerzeugers strömen.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass ein solcher Brenner nunmehr für jeden Brennstoff eingesetzt werden kann. wird der erfindungemässen Brenner beispielsweise mit einem flüssigen Brennstoff betrieben, so kommt vorzugsweise die kopfseitig angeordnete Düse zum Einsatz, deren Betriebsweise aus der eingangs genannten Druckschrift hervorgeht. Bei einem Betrieb mit einem gasförmigen Brennstoff höheren Heizwertes kommen die Brennstoffdüsen zum Einsatz, welche entlang der tangentialen Einströmungskanäle am uebergang zum Innenraum angeordnet sind. Und beim Einsatz eines Brennstoffes niederen Heizwertes kommt die erfindungsgemässe Erweiterung zum Zuge. Diese Erweiterung des Betriebes des Brenners mit einem niederkalorischen Brennstoff ist möglich, weil dessen Eindüsung in die Verbrennungsluft um eine Strecke stromauf des Uebergangs zum Innenraum des Drallerzeugers geschieht.

Erfindungsgemäss ist eine gute Teilvermischung zwischen dem niederkalorischen Brennstoff und der Verbrennungsluft gewährleistet.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Brennstoff isokinetisch eingedüst werden kann, womit hohe Turbulenzen zwischen dem eingedüsten Brennstoff und dem Verbrennungsluftstrom verhindert wird, womit ein Rückschlagen der Flamme nachhaltig unterdrückt wird.

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 Schnitt durch die Ebene II-II des Drallerzeugers, mit einer zusätzlichen stilisierten Ansicht zwecks Anbringung der Positionen,
Fig. 3: eine Ausgestaltung der Uebergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und Mischstrecke,
Fig. 4: eine Abrisskante zur räumlichen Stabilisierung der Rückströmzone und
Fig. 5: eine schematische Darstellung des Brenners gemäss Fig. 1 mit zusätzlichen Brennstoff-Injektoren.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100 wirksam, dessen Ausgestaltung im Zusammenhang mit Fig. 2 näher ersichtlich ist. Die sich in diesem Drallerzeuger 100 bildende Drallströmung wird anhand einer stromab desselben vorgesehenen Uebergangsgeometrie nahtlos in ein Uebergangsstück 200 überführt, dergestalt, dass sich in dieser Zone keine Ablösungsgebiete bilden können. Die Konfiguration dieser Uebergangsgeometrie wird unter Fig. 3 näher beschrieben.

Der Drallerzeuger 100 wird nachfolgend unter Heranziehung von Fig. 2 beschrieben. Dieser besteht aus vier hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, 103, 104 (Vgl. Fig. 2), die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse 101a-104a (Vgl. Fig. 2) zueinander schafft auf jeder Seite einen tangentialen Einströmungskanal 101b-104b (Vgl. Fig. 2), durch welche eine Verbrennungsluft 115 in Innenraum 118 des Drallererzeugers 100 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101-104 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 101-104 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 Teilkörper 101-104 weisen einen zylindrischen Anfangsteil auf, dessen Ausgestaltung unter Fig. 5 näher beschrieben wird. Selbstverständlich kann der Drallerzeuger 100 rein kegelig, also ohne den zylindrischen Anfangsteil ausgebildet sein. Die Teilkörper 101-104 weisen je einen nach innen versetzten und ebenfalls tangential geführten Kanal 121, 122, 123, 124 (Vgl. auch Fig. 2) auf, durch welche ein gasförmiger Brennstoff 117 herangeführt wird, welcher jeweils über einen axial verlaufenden Einströmungsschlitz 131, der sich parallel oder quasi-parallel zum Verlauf der Teilkörper 101-104 erstreckt, in die tangentialen verbrennungsluftführenden Einströmungskanäle 101b-104b eingedüst wird. Der Strömungsquerschnitt und der Verlauf dieses Einströmungsschlitzes 131 ist dem Druck und der Menge des einzubringenden Brennstoffes 117 angepasst. Die beiden Ströme, nämlich die Verbrennungsluft 115 und der gasförmige Brennstoff 117, werden bis zu ihrer ersten Vermischung, die vor der Einströmung derselben in den Innenraum 118 geschieht, eigenständig geführt. Der Brennstoff 117 wird dabei der Verbrennungsluft 115 um eine Strecke stromauf des Uebergangs der tangentialen Einströmungskanäle 101b-104b in den Innenraum 118 zugemischt. Dadurch wird erreicht, dass sich die beiden Medien bis zum Eintritt in den Innenraum 118 bereits vorvermischt haben. Konstruktiv lässt sich dies erreichen, indem die brennstofführenden Kanäle 121-124 dem jeweiligen Teilkörper 101-104 als eigenständige Führungen aufgesetzt sind. Die Durchflussöffnungen der beiden Medien 115, 117 bis zur Ebene ihrer Vermischung sind so gestaltet, dass sie die Durchströmung eines ungefähr gleichen Massenstromes zulassen, der immer notwendig ist, wenn der Brenner mit einem LBTU- oder MBTU-Gas betrieben wird. Vorliegend strömt der gasförmige Brennstoff 117 aus den gasführenden Kanälen 121-124, wie bereits erwähnt, über die Einströmungsschlitze 131 auf der Innenseite des Verbrennungsluftstromes 115. Die Vermischungsebene liegt wie erwähnt um eine Strecke stromauf des Uebergangs der tangentialen Einströmungskanäle 101b-104b in den Innenraum 118. In den Innenraum 118 strömt damit ein vorvermischtes Gemisch 130 ein. Selbstverständlich kann die Strömungsführung der Medien 115, 117 zueinander vertauscht angeordnet sein. Die Vermischung dieser beiden Medien vor Eintritt in den Innenraum 118 erfolgt durch die sich dort wechselseitig bildenden Scherkräfte, was eine recht intensive Teilvermischung ergibt. Die weitere Vormischstrecke in den Drallerzeuger 100 sorgt dann für die endgültige Bereitstellung eines optimalen homogenen Gemisches zwischen den beiden Medien 115, 117. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so unterstützt dies den Vermischungsgrad der beiden Medien nachhaltig. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101-104 hinsichtlich des Kegelwinkels und der Breite der tangentialen Einströmungskanäle sind an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Gemisches am Ausgang des Drallerzeugers 100 einstellen kann.

Der Drallerzeuger 100 ist des weiteren mit einer zentalen Brennstoffdüse 105 versehen, welche als Kopfstufe wirkt. Vorzugsweise wird diese Brennstoffdüse mit einem flüssigen Brennstoff 106 betrieben. Es ist indessen auch möglich, diese Düse mit einem gasförmigen Brennstoff zu betreiben. Bei der Einbringung eines flüssigen Brennstoffs 106 über die Düse 105 bildet sich im Kegelhohlraum 118 ein kegeliges Brennstoffprofil 107, das von der tangential und unter Drall einströmenden Verbrennungsluft 115 ummantelt wird. Die hier einströmende Verbrennungsluft 115 kann durch das oben beschrieben Gemisch 115/117 ersetzt sein.In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 106 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einem Gemisch abgebaut. Selbst beim Einsatz eines flüssigen Brennstoffs 106 über die genannte Düse 105 wird am Ende des Drallerzeugers 100 die optimale, homogene Konzentration über den Querschnitt erreicht. Auch hier gilt die Ueberlegegung, dass wenn die Verbrennungsluft 115 vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert ist, eine Steigerung der Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 106 ergibt.

Der Drallerzeuger 100 weist ferner entlang der tangentialen Einströmungskanäle 101b-104b je eine Brennstoffleitung 111-114 auf, durch welche ein Brennstoff 116 strömt, wobei dieser Brennstoff am Uebergang zum Innenraum 118 über in die Brennstoffleitung integrierte Oeffnungen in den Verbrennungsluftstrom 115 eingedüst wird. Der Betrieb des Brenners mit Brennstoff aus den Leitungen 111-114 lässt sich bewerkstelligen, da die tangentialen brennstofführenden Kanäle 121-124 nicht bis zum Uebergang in den Innenraum 118 des Drallerzeugers 100 reichen.

Betreffend die Einbringung der Brennstoffe 106, 116 wird auf die Druckschrift EP-0 321 809 B1 verwiesen, welche einen integrierenden Bestandteil vorliegender Beschreibung darstellt. Die Einleitung des niederkalorischen Brennstoffes 117 in den Verbrennungsluftstrom 115 kann durch in den Figuren nicht näher dargestellte Strömungshilfen verbessert werden. Im Vordergrund stehen hier Leitschaufeln, welche beispielsweise im Einströmungsschlitz 131 angeordnet sind und so eine Kanalisierung des niederkalorischen Brennstoffes übernehmen, womit eine bessere Teilvermischung resultiert.

Die Anzahl der kegelförmigen Teilkörper 101-104 ist nicht auf vier beschränkt. Drallerzeuger mit bloss zwei tangentialen Einströmungskanälen sind auch möglich.

Das Uebergangsstück 200 ist abströmungsseitig der Uebergangsgeometrie (Vgl. Fig. 3) durch ein Mischrohr 20 verlängert, wobei beide Teile die eigentliche Mischstrecke 220 bilden. Selbstverständlich kann die Mischstrecke 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d.h. dann, dass das Uebergangsstück 200 und das Mischrohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmelzen, wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Uebergangsstück 200 und Mischrohr 20 aus zwei Teilen hergestellt, so sind 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 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 Uebergangsgeometrie 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 Eigenschaff, 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 Uebergangskanäle 201, welche die bereits genannten Uebergangsgeometrie 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 Uebergangskanäle 201 dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 20. 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 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 70 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. Stirnseitig weist der Brennraum 30, soweit dieser Ort nicht durch andere Vorkehrungen, beispielsweise durch Pilotbrenner, belegt ist, eine Anzahl Oeffnungen 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 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 Brennerfront 70 am Ende des Mischrohres 20 zur Stabilisierung der Rückströmzone oder Rückströmblase 50 betrifft, wird auf die Beschreibung unter Fig. 4 verwiesen.

Fig. 3 zeigt das Uebergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Uebergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100 mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 1, 2 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 Mischrohres schneidet. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als den unter Fig. 1, 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.

Fig. 4 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 parall 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. Diese Druckschrift ist einschliessend des dortigen Schutzumfanges was die Abrisskante betrifft ein intergrierender Bestandteil vorliegender Beschreibung.

Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht des Brenners gemäss Fig. 1, wobei hier insbesondere auf die Umspülung einer zentral angeordneten Brennstoffdüse 105 und auf die Wirkung von Brennstoff-Injektoren 170 hingewiesen wird. Die Wirkungsweise der restlichen Hauptbestandteile des Brenners, nämlich Drallerzeuger 100 und Uebergangsstück 200 ist weiter oben näher beschrieben worden. Die Brennstoffdüse 105 wird mit einem beabstandeten Ring 190 ummantelt, in welchem eine Anzahl in Umfangsrichtung disponierter Bohrungen 161 gelegt sind, durch welche eine Luftmenge 160 in eine ringförmige Kammer 180 strömt und dort die Umspülung der Brennstofflanze vornimmt. Diese Bohrungen 161 sind schräg nach vorne angelegt, dergestalt, dass eine angemessene axiale Komponente auf der Brennerachse 60 entsteht. In Wirkverbindung mit diesen Bohrungen 161 sind zusätzliche Brennstoff-Injektoren 170 vorgesehen, welche eine bestimmte Menge vorzugsweise eines gasförmigen Brennstoffes in die jeweilige Luftmenge 160 eingeben, dergestalt, dass sich im Mischrohr 20 eine gleichmässige Brennstoffkonzentration 150 über den Strömungsquerschnitt einstellt, wie die Darstellung in der Figur versinnbildlichen will. Genau diese gleichmässige Brennstoffkonzentration 150, insbesondere die starke Konzentration auf der Brennerachse 60 sorgt dafür, dass sich eine Stabilisierung der Flammenfront am Ausgangs des Brenners einstellt, womit aufkommende Brennkammerpulsationen vermieden werden.

Bezugszeichenliste

10: Buchsenring
20: Mischrohr, Teil der Mischstrecke 220
21: Bohrungen, Oeffnungen
30: Brennkammer, Brennraum
31: Oeffnungen
40: Strömung, Rohrströmung im Mischrohr, Hauptströmung
50: Rückströmzone, Rückströmblase
60: Brennerachse
100: Drallerzeuger
101-104: Kegelförmige Teilkörper
101a-104a: Mittelachsen, Längssymmetrieachsen der Teilkörper
101b,-104b: Tangentiale Einströmungskanäle
105: Brennstoffdüse
106: Brennstoff, flüssiger Brennstoff
107: Brennstoffeindüsungsprofil
111-114: Brennstoffleitungen
115: Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)
116: Brennstoff, Brennstoffeindüsung aus den Leitungen 111-114
117: Brennstoff, niederkalorischer Brennstoff
121-124: Tangentiale Kanäle zur Führung eines Brennstoffes
130: Gemisch
150: Brennstoffkonzentration
160: Luftmenge, Mischluft
161: Bohrungen, Oeffnungen
170: Brennstoff-Injektoren
180: Ringförmige Luftkammer
190: Ring
200: Uebergangsstück, Teil der Mischstrecke 220
201: Uebergangskanäle
220: Mischstrecke

Claims

Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, wobei der Brenner im wesentlichen aus einem Drallerzeuger mit mindestens zwei tangential wirkenden Einströmungskanäle für einen Verbrennungsluftstrom, aus Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom besteht, wobei stromab des Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet ist, welche innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung eine Anzahl Uebergangskanäle zur Ueberführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in ein stromab dieser Uebergangskanäle nachgeschaltetes Mischrohr aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in Wirkverbindung mit mindestens einem tangentialen Einströmungskanal (101b-104b) ein zweiter parallel oder quasi-parallel verlaufender brennstofführender Kanal (121-124) angeordnet ist, und dass der brennstofführende Kanal (121-124) um eine Strecke stromauf des Ueberganges des tangentialen Einströmungskanals (101b-104b) in einen Innenraum (118) des Drallerzeugers (100) endet.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der brennstofführende Kanal (121-124) mit einem Einströmungsschlitz (131) in den tangentialen Einströmungskanal (101b-104b) endet.
Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmungsschlitz (131) mit Strömungshilfsmitteln ausgestattet ist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101-104) besteht, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen (101a-104a) dieser Teilkörper zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Einströmungskanäle (101b-104b) für die Einströmung einen Verbrennungsluftstromes (115) in den Innenraum (118) bilden, und dass im von den Teilkörpern (101-104) gebildeten Innenraum (108) weitere Brennstoffdüsen (105, 116) wirkbar sind.
Brenner nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner über die brennstofführenden Kanäle (121-124) mit einem niederkalorischen gasförmigen Brennstoff (117), über Brennstoffleitungen (111-114) entlang des Ueberganges der tangentialen Einströmungskanäle (101b-104b) in den Innenraum (118) mit einem hochkalorischen gasförmigen Brennstoff (116) und über eine zentrale kopfseitig des Drallerzeugers (100) angeordnete Brennstoffdüse (105) mit einem flüssigen Brennstoff (106) betreibbar ist.
Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101-104) in Strömungsrichtung einen festen Kegelwinkel, oder eine zunehmende Kegelneigung, oder eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.
Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101-104) spiralförmig ineinandergeschachtelt sind.
Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kopfseitig angeordnete Brennstoffdüse (105) von einem konzentrischen Ring (190) ummantelt ist, dass dieser Ring (190) eine Anzahl in Umfangsrichtung angeordneter Bohrungen (161) aufweist, und dass in eine durch die Bohrungen (161) strömende Luftmenge (160) ein weiterer Brennstoff (161) eindüsbar ist.
Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (161) schräg nach vorne gerichtet sind.
Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (105) von einer ringförmiger Luftkammer (180) umgeben ist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Uebergangskanäle (201) in der Mischstrecke (220) der Anzahl der vom Drallerzeuger (100) gebildeten Teilströme entspricht.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Uebergangskanälen (201) nachgeschaltete Mischrohr (20) in Strömungs- und Umfangsrichtung mit Oeffnungen (21) zur Eindüsung eines Luftstromes ins Innere des Mischrohres (20) versehen ist.
Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen (21) unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse (60) des Mischrohres (20) verlaufen.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt des Mischrohres (20) stromab der Uebergangskanäle (201) kleiner, gleich gross oder grösser als der Querschnitt der im Drallerzeuger (100) gebildeten Strömung (40) ist.
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.
Brenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Rückströmzone (50) ein Diffusor und/oder eine Venturistrecke vorhanden ist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischrohr (20) brennraumseitig (30) eine Abrisskante (A) aufweist.