EP0933593B1 - Zweistoffbrenner - Google Patents

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EP0933593B1
EP0933593B1 EP98123875A EP98123875A EP0933593B1 EP 0933593 B1 EP0933593 B1 EP 0933593B1 EP 98123875 A EP98123875 A EP 98123875A EP 98123875 A EP98123875 A EP 98123875A EP 0933593 B1 EP0933593 B1 EP 0933593B1
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EP
European Patent Office
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atomiser
channel
burner
fuel
primary
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EP98123875A
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EP0933593A3 (de
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Nikolaos Dr. Zarzalis
Wolfgang Prof. Dr.-Ing. Leuckel
Klaus Merkle
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines GmbH
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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
    • F23D11/005—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space with combinations of different spraying or vaporising means
    • F23D11/007—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space with combinations of different spraying or vaporising means combination of means covered by sub-groups F23D11/10 and F23D11/24
    • 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
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    • F23D11/106—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting at the burner outlet
    • F23D11/107—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting at the burner outlet at least one of both being subjected to a swirling motion
    • 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
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/11101—Pulverising gas flow impinging on fuel from pre-filming surface, e.g. lip atomizers

Definitions

  • the invention relates to a burner for the oxidation of liquid fuel with air, according to the preamble of claim 1, in training as Dual fuel burners.
  • Such a burner is also known from DE 195 39 246 A1.
  • the object of the invention is a burner of the generic type so kind of expanding that it while maintaining its positive burning properties for operation with liquid and gaseous fuel suitable is.
  • the solution according to the invention is that an additional channel for the gaseous fuel is led into the interior of the atomizer lip and upstream of the atomizer edge, i.e. that for fuel processing ultimately authoritative position, in the primary and / or in the secondary Canal opens.
  • the additional channel can largely be designed as desired and in sections from a large number of interacting individual channels (e.g. holes) exist.
  • the gas admixture near the atomizer edge ensures a homogeneous mixing of the fuel components with sufficient Cooling of the burner - without the flame front retracting the air ducts.
  • a burner arrangement that can be operated with either liquid or gaseous fuel is already known from DE 28 20 702 C2. This points in Center a mixing ring with a mixing surface, which with a Airflow a spray of liquid fuel can be supplied and from which the fuel-air mixture enters the mixing ring. Gaseous fuel can be introduced into an air stream from the underside of the mixing ring. It is not planned to operate both fuels together.
  • the two-fuel burner 1, the longitudinal center axis of which is designated X, is fed with liquid fuel F via the atomizing nozzle 2.
  • the fuel emerges from the atomizing nozzle 2 in the form of a divergent spray cone 13 and meets the inner surface of an annular one concentric with respect to the X axis Atomizer lip 3.
  • a downstream migrating lip forms on this Fuel film 14, which on the atomizer edge 4 as a result of there prevailing air flow conditions in a fine, air-permeable Fuel mist 15 is transformed.
  • the combustion air is in the form of two initially separate air flows L1 and L2 through the dual fuel burner 1.
  • the first airflow L1 arrives via a primary, central channel 5 through the spray cone area as the core flow to the atomizer edge 4 of the atomizer lip 3.
  • the second air flow L2 passes through a secondary, concentric channel 6 over the outer circumference the atomizer lip 3 to the atomizer edge 4, where it is on as a sheath flow hits the first air flow L1 and the liquid fuel.
  • the convergent-divergent Outer contour 10 of the secondary channel 6 with a narrowest cross section in the area of the atomizer edge 4 leads to flow conditions there, which promote the homogenization of the fuel-air mixture.
  • the swirl generator 8.9 can the currents in the channels 5 and 6th swirling movements in the same or opposite directions, i.e. Components in the circumferential direction be imprinted.
  • the two air flows L1 meet and L2 on the atomizer edge 4 result in speed differences in size and direction and circumferential components to shear and centrifugal forces, with their Help an intimate mixing of fuel and air can be achieved.
  • An additional channel 7 is provided for the gaseous fuel G, which between channels 5 and 6 of the combustion air separately into the interior the atomizer lip 3 leads. From there, the gaseous fuel is over Flow connections upstream of the atomizer edge 4 in the primary Channel 5, routed into secondary channel 6 or into both channels 5,6, i.e. With Air and possibly also combined with liquid fuel. It takes also the gaseous fuel on the initiated at the atomizer edge 4 Distribution process part.
  • the gaseous fuel will be like that liquid fuel directed into the primary, central channel 5.
  • the constructive The conditions for this are shown in a half-section above the X axis. It can be seen that there is a coherent, annular opening the inside of the atomizer lip 3 forms the mouth of the channel 7. as well a variety of holes could form this mouth.
  • the gas leak takes place where the fuel film 14 is in liquid operation Moved towards atomizer edge 4. Because of the selected mode of operation (Alternatively) there is no liquid fuel / gas interaction, this is practical irrelevant.
  • liquid fuel film 14 on the atomizer lip surface also has an important cooling function. Therefore the gas may be appropriate at several, locally narrowly limited To pass through the fuel film 14, so that between these points sufficiently large, undisturbed film zones remain.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für die Oxidation von flüssigem Brennstoff mit Luft, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, in Ausbildung als Zweistoffbrenner.
Ein gattungsgemäßer, für Einstoffbetrieb mit flüssigem Brennstoff ausgelegter Brenner ist aus der DE 196 27 760 A1 bekannt. Dieses Brennerkonzept dient der weitgehend homogenen Verteilung eines Luftbrennstoffgemisches im Brennraum zur Reduktion von Schadstoffemissionen. Dabei ist der divergente Spritzkegel einer Zerstäuberdüse auf eine als Prallkörper wirkende Zerstäuberlippe gerichtet, auf deren Innenseite sich ein stromabwärts bewegender Brennstoffilm bildet. Der Brennstoffilm wandert bis zu einer Zerstäuberkante am hinteren Ende der Zerstäuberlippe, wo er durch eine Luftführung mit zwei sich vereinigenden Luftströmen (primär und sekundär) sowie eine lokale Querschnittsverengung hohen Scherkräften unterliegt und dadurch besonders fein und homogen zerstäubt wird. Die bevorzugte Anwendung dieser Brenner erfolgt in mit Kerosin betriebenen Fluggasturbinen.
Aus der DE 195 39 246 A1 ist auch einen solcher Brenner bekannt.
Bei stationären Gasturbinen, welche als schnell zu- und abschaltbare Kraftmaschinen hoher Leistung in zunehmendem Maße in Kraftwerken zur Stromerzeugung (Spitzenlast) verwendet werden, wird im Hinblick auf eine uneingeschränkte Einsatzbereitschaft vermehrt die Eignung für Betrieb mit gasförmigem und mit flüssigem Brennstoff gefordert. Für den "normalen" Betrieb ist beispielsweise Erdgas, für einen "Notbetrieb" leichtes Heizöl vorgesehen. Dabei können auch Betriebszustände auftreten bzw. vorgesehen sein, in denen beide Brennstoffe gleichzeitig eingespeist werden. Abgesehen von dieser speziellen Anwendung kann der "Zweistoffbetrieb" bzw. die Eignung hierfür bei verschiedenen Brenneranwendungen Vorteile bieten.
Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Brenner gattungsgemäßer so Art zu erweitern, daß er unter Beibehaltung seiner positiven Brenneigenschaften für einen Betrieb mit flüssigem und mit gasförmigem Brennstoff geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.
Die Unteransprüche kennzeichnen bevorzugte Ausgestaltungen des Zweistoffbrenners nach dem Hauptanspruch.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß ein zusätzlicher Kanal für den gasförmigen Brennstoff in das Innere der Zerstäuberlippe geführt ist und stromaufwärts der Zerstäuberkante, also der für die Brennstoffaufbereitung letztlich maßgeblichen Stelle, in den primären und/oder in den sekundären Kanal mündet. Der zusätzliche Kanal kann weitgehend beliebig gestaltet sein und abschnittsweise aus einer Vielzahl von zusammenwirkenden Einzelkanälen (z.B. Bohrungen) bestehen. Die Gaszumischung nahe der Zerstäuberkante gewährleistet eine homogene Durchmischung der Brennkomponenten bei ausreichender Kühlung des Brenners -ohne ein Zurückschlagen der Flammenfront in die Luftkanäle.
Eine wahlweise mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betreibbare Brenneranordnung ist bereits aus der DE 28 20 702 C2 bekannt. Diese weist im Zentrum einen Mischungsring mit einer Mischfläche auf, welcher mit einem Luftstrom ein Sprühnebel flüssigen Brennstoffs zuführbar ist und von welcher das Brennstoff-Luft-Gemisch in den Mischungsring eintritt. Gasförmiger Brennstoff ist von der Unterseite des Mischungsringes her in einen Luftstrom einleitbar. Ein gemeinsamer Betrieb beider Brennstoffe ist nicht vorgesehen.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Figur noch näher erläutert. Diese zeigt in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung zwei in übereinanderliegenden, durch die Brennerachse getrennten Halbschnitten wiedergegebene Brennervarianten mit unterschiedlicher Gaszumischung.
Der Zweistoffbrenner 1, dessen Längsmittelachse mit X bezeichnet ist, wird über die Zerstäuberdüse 2 mit flüssigem Brennstoff F gespeist. Der Brennstoff tritt aus der Zerstäuberdüse 2 in Form eines divergenten Spritzkegels 13 aus und trifft auf die Innenfläche einer bezüglich der Achse X konzentrischen, ringförmigen Zerstäuberlippe 3. Auf dieser bildet sich ein stromabwärts wandernder Brennstoffilm 14 aus, welcher an der Zerstäuberkante 4 infolge der dort herrschenden Luftströmungsverhältnisse in einen feinen, luftdurchsetzten Brennstoffnebel 15 verwandelt wird.
Die Verbrennungsluft wird in Form zweier, zunächst getrennter Luftströme L1 und L2 durch den Zweistoffbrenner 1 geführt. Der erste Luftstrom L1 gelangt über einen primären, zentralen Kanal 5 durch den Spritzkegelbereich als Kernstrom zur Zerstäuberkante 4 der Zerstäuberlippe 3. Der zweite Luftstrom L2 gelangt durch einen sekundären, konzentrischen Kanal 6 über den Außenumfang der Zerstäuberlippe 3 zur Zerstäuberkante 4, wo er als Mantelstrom auf den ersten Luftstrom L1 sowie den flüssigen Brennstoff trifft. Die konvergent-divergente Außenkontur 10 des sekundären Kanals 6 mit einem engsten Querschnitt im Bereich der Zerstäuberkante 4 führt dort zu Strömungsverhältnissen, welche die Homogenisierung des Brennstoff-Luft-Gemisches fördern. Mittels der Drallerzeuger 8,9 können den Strömungen in den Kanälen 5 und 6 gleich- oder gegensinnige Drallbewegungen, d.h. Komponenten in Umfangsrichtung aufgeprägt werden. Beim Zusammentreffen der beiden Luftströme L1 und L2 an der Zerstäuberkante 4 führen Geschwindigkeitsdifferenzen in Größe und Richtung sowie Umfangskomponenten zu Scher- und Fliehkräften, mit deren Hilfe sich eine innige Durchmischung von Brennstoff und Luft erzielen läßt. Dabei möchte man den Brennstoff auf einer möglichst kurzen axialen Mischstrecke in möglichst kleine, homogen verteilte Tröpfchen mit großer oxidierbarer Gesamtoberfläche umsetzen, wobei die Gemischzone sich ebenfalls auf möglichst kurzem, axialem Weg auf einen vorgegebenen Querschnitt, insbesondere den Brennkammerquerschnitt, erweitern sollte, d.h. stark divergieren sollte.
Bis hierher beziehen sich die Ausführungen auf die Aufbereitung des flüssigen Brennstoffes.
Für den gasförmigen Brennstoff G ist ein zusätzlicher Kanal 7 vorgesehen, welcher zwischen den Kanälen 5 und 6 der Verbrennungsluft separat in das Innere der Zerstäuberlippe 3 führt. Von dort wird der gasförmige Brennstoff über Strömungsverbindungen stromaufwärts der Zerstäuberkante 4 in den primären Kanal 5, in den sekundären Kanal 6 oder in beide Kanäle 5,6 geleitet, d.h. mit Luft und ggf. auch mit flüssigem Brennstoff zusammengeführt. Dabei nimmt auch der gasförmige Brennstoff an dem bei der Zerstäuberkante 4 initiierten Verteilungsprozeß teil.
Falls der Zweistoffbrenner 1 zeitlich getrennt entweder mit Flüssigbrennstoff oder mit Gas betrieben werden soll, werden der gasförmige Brennstoff wie der flüssige Brennstoff in den primären, zentralen Kanal 5 geleitet. Die konstruktiven Gegebenheiten hierfür sind im Halbschnitt oberhalb der Achse X wiedergegeben. Man erkennt, daß eine zusammenhängende, ringförmige Öffnung auf der Innenseite der Zerstäuberlippe 3 die Mündung des Kanals 7 bildet. Ebensogut könnte eine Vielzahl von Bohrungen diese Mündung bilden. Der Gasaustritt erfolgt also dort, wo sich im Flüssigkeitsbetrieb der Brennstoffilm 14 in Richtung Zerstäuberkante 4 bewegt. Da durch die gewählte Betriebsweise (alternativ) keine Wechselwirkung Flüssigbrennstoff/Gas auftritt, ist dies praktisch ohne Belang.
Anders liegen die Verhältnisse bei gleichzeitigem, d.h. kombiniertem, Betrieb mit Flüssigbrennstoff und Gas. Die hierfür gedachte Bauweise ist im Halbschnitt unterhalb der Achse X dargestellt. Da es nachteilig sein kann, den Brennstoffilm 14 (flüssig) durch die Gaszufuhr großteils bis vollständig zu zerstören, bevor dieser die Zerstäuberkante 4 erreicht, ist vorgesehen, den gasförmigen Brennstoff teilweise oder ausschließlich in den sekundären, von flüssigem Brennstoff freien Kanal 6 zu leiten. Hierfür sind durch die Außenwand der Zerstäuberlippe 3 stoßende Bohrungen 11 geeignet. Zusätzlich können Bohrungen 12 (gestrichelt) oder andere Öffnungen vorhanden sein, welche einen Teil des gasförmigen Brennstoffstromes durch den flüssigen Brennstoffilm hindurch freisetzen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß der flüssige Brennstoffilm 14 auf der Zerstäuberlippenoberfläche auch eine wichtige Kühlfunktion ausübt. Deshalb kann es angebracht sein, das Gas an mehreren, lokal eng begrenzten Stellen durch den Brennstoffilm 14 zu leiten, so daß zwischen diesen Stellen ausreichend große, ungestörte Filmzonen verbleiben.

Claims (6)

  1. Brenner für die Oxidation von flüssigem Brennstoff mit Luft, insbesondere zur Verwendung in Brennkammern stationärer Gasturbinen, mit einer einen divergenten Spritzkege (13) erzeugenden Zerstäuberdüse (2) für den Brennstoff, mit einer ringförmigen, zur Düsenachse konzentrischen, einen Prallkörper für den Spritzkegel bildenden Zerstäuberlippe (3), mit einem primären, einen ersten Luftstrom zum Spritzkegel sowie durch den Innenquerschnitt der Zerstäuberlippe leitenden Kanal und mit einem sekundären, einen zweiten Luftstrom über die Außenseite der Zerstäuberlippe leitenden sowie diesen als Mantelstrom mit dem ersten Luftstrom zusammenführenden Kanal, dadurch gekennzeichnet, daß in Ausbildung als Zweistoffbrenner zwischen dem primären (5) und dem sekundären Kanal (6) ein Kanal (7) für gasförmigen Brennstoff in das Innere der Zerstäuberlippe (3) führt und stromaufwärts der das hintere Ende der Zerstäuberlippe (3) bildenden Zerstäuberkante (4) in den primären (5) und/oder in den sekundären Kanal (6) mündet.
  2. Brenner nach Anspruch 1, für einen - zumindest zeitweise - gleichzeitigen Betrieb mit flüssigem und mit gasförmigem Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (7) für den gasförmigen Brennstoff stromaufwärts der Zerstäuberkante (4) entweder nur in den sekundären Kanal (6) oder in den primären (5) und in den sekundären Kanal (6) mündet.
  3. Brenner nach Anspruch 1, für einen zeitlich versetzten Betrieb mit flüssigem oder mit gasförmigem Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (7) für den gasförmigen Brennstoff stromaufwärts der Zerstäuberkante (4) in den primären Kanal (5) mündet.
  4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (7) für den gasförmigen Brennstoff im Austrittsbereich einen zusammenhängenden, ringförmigen Strömungsquerschnitt und/oder eine Vielzahl einzelner Strömungsquerschnitte aufweist, insbesondere eine Vielzahl von Bohrungen (11,12).
  5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der primäre (5) und der sekundäre Kanal (6) eintrittsseitig mit Drallerzeugem (8,9), z. B. in Form von Leitschaufeln, versehen sind, wobei in den Kanälen (5,6) der Drall gleich- oder gegensinnig ist.
  6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Kanal (6) stromabwärts des Drallerzeugers (9) eine konvergent-divergente Außenkontur (10) aufweist, deren engster Querschnitt zumindest annähernd an der gleichen axialen Position wie die Zerstäuberkante (4) steht.
EP98123875A 1998-01-31 1998-12-16 Zweistoffbrenner Expired - Lifetime EP0933593B1 (de)

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EP0933593A2 EP0933593A2 (de) 1999-08-04
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