EP0961905A1 - Vorrichtung und verfahren zum verbrennen von brennstoff - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum verbrennen von brennstoff

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EP0961905A1
EP0961905A1 EP98907987A EP98907987A EP0961905A1 EP 0961905 A1 EP0961905 A1 EP 0961905A1 EP 98907987 A EP98907987 A EP 98907987A EP 98907987 A EP98907987 A EP 98907987A EP 0961905 A1 EP0961905 A1 EP 0961905A1
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EP
European Patent Office
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flame tube
air guide
air
axis
burner according
Prior art date
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Application number
EP98907987A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP0961905B1 (de
Inventor
Anatolij Vladimirovic Sudarev
Jevgenij Dimitrijevic Vinogradov
Jurij Ivanovic Zacharov
Stanislav Vesely
Gustav Poslusny
Karl Peters
Karl-Heinz Scholz
Erik Zizow
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.)
Ekol Spol Sro
EON Ruhrgas AG
Original Assignee
Ekol Spol Sro
Ruhrgas AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Ekol Spol Sro, Ruhrgas AG filed Critical Ekol Spol Sro
Publication of EP0961905A1 publication Critical patent/EP0961905A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0961905B1 publication Critical patent/EP0961905B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2206/00—Burners for specific applications
    • F23D2206/10—Turbines

Definitions

  • the invention relates to a burner for fuels suitable for spraying, in particular gaseous fuels, with an essentially cylindrical flame tube, a flame tube cover arranged at the upstream end of the flame tube, a fuel nozzle opening centrally in the flame tube cover, and means for introducing combustion air into the flame tube.
  • the invention relates to a method for the combustion of fuel suitable for spraying, in particular gaseous fuel, which is fed centrally into a combustion zone and mixed there with combustion air.
  • a key goal of modern combustion technology is to produce exhaust gases with low levels of pollutants.
  • low NO x values are particularly sought after.
  • a combustion zone is usually formed in the head region of the burner, into which the combustion air is blown through corresponding openings in the flame tube cover and in the flame tube, the flame tube material being cooled. Further combustion air is supplied through scale-like openings that are distributed over the entire flame tube.
  • the invention is therefore based on the object of equalizing the temperature distribution in the flame tube and thereby reducing the generation of pollutants.
  • the means for introducing combustion air into the flame tube have a plurality of first and the second air guide stub, that the first and second air guide stubs are inclined in the countercurrent direction to the axis of the flame tube, that the first air guide stubs end at the flame tube while the second air guide stubs extend into the flame tube, and that every second air guide stub has a first air guide stub directly upstream assigned .
  • the method of the type mentioned at the outset is characterized in that the combustion air is blown into the combustion zone in such a way that a highly turbulent toroidal vortex is formed in a plane perpendicular to the flow direction of the combustion zone, the direction of rotation of which in the inner region counteracts the flow direction the combustion zone is directed.
  • the toroidal swirl or swirl ring generated in the head area of the burner creates a very intensive turbulent circulation and thus a good mixing of fuel and air.
  • the increase in the degree of homogeneity of the fuel-air mixture reduces the number of local areas which have stoichiometric or near-stoichiometric mixture concentrations and, because of their extreme temperatures, form the main sources of the NO x emissions.
  • the combustion chamber according to the invention belongs to the so-called diffusion chambers, in which the speed of the combustion process is determined by the speed of the fuel-air swirling and not by the speed of the chemical reactions. Therefore, the increased mixing intensity due to the highly turbulent toroidal vortex in the upstream area of the flame tube leads to a shorter residence time of the combustion products in the high temperature area, which has a favorable effect on the reduction of the NO x generation.
  • the invention leads to an increased penetration of the fuel stream by the air jets emerging from the first and second air guide stubs, which preferably form a substantial proportion of the total combustion air.
  • the second air guide stub projecting into the interior of the flame tube contributes to the construction of the vortex.
  • the air jets flowing out of the second air guide socket penetrate deep into the hot gas flow. This cools the high temperature area up to the axis of the flame tube.
  • the temperature load is controlled by assigning an upstream first air guide stub and preferably also a downstream third air guide stub directly adjacent to each second air guide stub.
  • the second air guide stubs are therefore cooled by the air emerging from the first air guide stubs and possibly from the third air guide stubs.
  • the number of identical first and third air guide sockets can also be increased by similar fourth air guide sockets, which, viewed in the circumferential direction, are each arranged between adjacent second air guide sockets.
  • the cross-sectional distribution between the two types of air guiding nozzle significantly increases the uniformity of the temperature distribution at the outlet of the combustion chamber.
  • a critical value for the formation of an optimal, highly turbulent toroidal vortex is, in addition to the arrangement of the air guide stubs, their angle of inclination with respect to the axis of the flame tube. An angle of inclination of 55 to 60 ° has proven to be very favorable.
  • the axial distance of the first air guide stub from the fuel nozzle It has been found that this distance depends on the flame tube diameter and is preferably approximately 0.70 to 0.85 times the flame tube diameter. The invention not only makes it possible to intensify the swirling of the fuel and air and thus the combustion process, but at the same time also to stabilize the pilot flame to a high degree in all load ranges.
  • the outflow orifices of the first and, if appropriate, the third and fourth air guide stubs are aligned with the flame tube
  • the outflow orifices of the second air guide stubs should be at a distance from the flame tube which is preferably approximately 0.15 to 0.18 times the diameter of the flame tube is.
  • the relationship between the total cross sections of the two types of air guiding nozzle is also critical. It has been found to be particularly advantageous that the total cross section of the second air guide stub is approximately 0.6 to 0.7 times the total cross section of the first and possibly the third and fourth air guide stubs.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an axial
  • Fig. 2 is a view in the direction of arrow A in Fig. 1;
  • Fig. 3 shows a schematic representation of an axial
  • Partial section through a burner according to a second embodiment 4 shows a view in the direction of arrow A in FIG. 3.
  • the burner according to FIGS. 1 and 2 has a flame tube cover 1, in the center of which a fuel nozzle 2 connected to a gas lance opens.
  • a cylindrical flame tube 3 connects to the flame tube cover 1, the diameter of which is indicated by d.
  • a plurality of first and second air guide stubs 4 and 5 are arranged on the flame tube 3.
  • the first air guide stubs 4 form an upstream first row 6 and the second air guide stubs 5 form an immediately adjacent, downstream row 7.
  • All air guide stubs 4 and 5 are inclined in the counterflow direction to the axis of the flame tube 3, namely by a common angle ⁇ , which is 60 ° in the case of the exemplary embodiment.
  • the combustion air is predominantly introduced into the combustion zone through the air guide stubs 4 and 5 in such a way that a highly turbulent toroidal vortex or vortex ring is formed, which is indicated in FIG. 1 by dashed arrow lines.
  • the intensive mixing leads to a homogeneous distribution of the fuel in the combustion air, with the result of reduced NO x formation due to the reduced time spent in the combustion zone. combined with an equalization of the temperature distribution already in the flame tube.
  • the distance x between the air guide nozzle 4 of the first row 6 and the fuel nozzle 2 is 0.70 times the flame tube diameter d. This contributes to the stabilization of the swirl ring and also ensures stable ignition behavior over the entire performance range.
  • the mouths of the first air guide stub 4 of the first row 6 are aligned with the flame tube, while the second air guide stub 5 of the second row 7 protrude into the flame tube, namely by a distance y which is 0.17- times the flame tube diameter d.
  • the air jets emerging from the second air guide sockets 5 thus penetrate into the combustion zone up to the axis of the flame tube 3, capture the central region of the combustion zone and then form the above-mentioned movement together with the air jets emerging from the first air guide sockets 4 in the course of their upstream movement highly turbulent toroidal vertebrae.
  • This type of injection of the combustion air via the balanced combination of the air guide stub 4 and the air guide stub 5 ensures a very even distribution over the cross section of the combustion zone, which contributes to the uniformity of the temperature distribution.
  • the main air intake is through the first air duct. 4.
  • the arrangement of the air guide stubs 4 and 5 is such that a first air guide stub 4 is located upstream of every second air guide stub 5.
  • the second air guide sockets 5 projecting into the combustion zone are therefore reliably cooled by the combustion air emerging from the assigned first air guide sockets 4.
  • Another feature that contributes to vortex formation or mixture formation and to the homogenization of the mixture and thus to lowering the temperature and making the temperature distribution more uniform is that
  • Cross section of the first air guiding nozzle 4 - in contrast to the cylindrical cross-section of the second air guide stub 5 - is elongated in the direction of the flame tube axis, so that the air inlet extends over a certain axial length.
  • Two guide vanes 8 in the first air guide stub 4 help to introduce the combustion air into the flame tube 3 in a targeted manner.
  • the favorable flow guidance also contributes to the fact that the respective outlet mouth of the second air guide stub 5 of the second row 7 lies in a plane perpendicular to the axis of the associated air guide stub.
  • the flame tube cover 1 forms on the inside a conical extension extending from the fuel nozzle 2 to the flame tube 3.
  • This design of the flame tube cover area helps to stabilize the vortex flow.
  • the gas is blown into this obliquely outwards, for which purpose the fuel nozzle has outlet openings 9 which are inclined away from the axis of the flame tube 3 in the direction of flow.
  • FIGS. 3 and 4 represent a very particularly advantageous embodiment of the burner, which differs from that according to FIGS. 1 and 2 essentially in that second air guide stubs 5 are assigned third air guide stubs 4 ′ downstream.
  • the latter thus deliver a proportionate air jet which extends along the downstream side of the associated air guide stub 5. This increases the cooling effect and also supports the formation of the highly turbulent toroidal vortex.
  • a common feature of both embodiments is that, as can be seen from FIGS. 2 and 4, fourth air guide sockets 4 ' 1 are provided. Viewed in the axial direction, these are each located between adjacent second air guide sockets 5. In the embodiment according to FIGS. 1 and 2, they are located at the height of the first air guide sockets 4. In the embodiment according to FIGS. 3 and 4, they are aligned, in the circumferential direction seen, with the first and third air guide 4 and 4 '. Otherwise they correspond to Nei- angle and arrangement of the first and third air guide stubs.
  • the number of second air guiding stubs is less than that of the different types of air guiding stubs. This also applies to the cross-sectional ratio.
  • the total cross-section of the second air guide stub 5 is 0.6 to 0.7 times the total cross section of the first and fourth air guide stubs 4, 4 ′′ (FIGS. 1 and 2) or the total cross section of the first, third and fourth Air guide socket 4, 4 ', 4 11 (Fig. 3 and 4).
  • the flame tube 3 of both exemplary embodiments has further openings for combustion air downstream of the air guide stub in order to reduce the formation of CO. Also not shown are openings in the flame tube cover 1 and in the upstream region of the flame tube 3, the combustion air entering here primarily serving to cool the flame tube cover and flame tube.
  • the air guiding spigot can be inclined at different angles. Furthermore, there is
  • the combustion air is fed primarily via the two types of air guide stubs.
  • the invention has been described with the aid of a gas burner, since this is its preferred field of application. However, it can also be applied to burners for vaporous, liquid or flowable solid fuels.

Landscapes

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Abstract

Der Brennstoff wird zentral in ein Flammrohr (3) eingeleitet und hier in einer Verbrennungszone mit Verbrennungsluft gemischt. Die Luft tritt aus ersten und zweiten Luftleitstutzen (4 bzw. 5) aus, die in zwei direkt benachbarten Reihen (6, 7) angeordnet und in Gegenstromrichtung unter einem Winkel von 60° gegen die Achse des Flammrohres geneigt sind. Der Abstand (x) zwischen der Brennstoffdüse (9) und den Mündungen der ersten Luftleitstutzen (4) beträgt das 0,70-fache des Flammrohrdurchmessers. Ferner ragen die zweiten Luftleitstutzen (5) um eine Strecke (y) in das Flammrohr hinein, die das 0,17-fache des Flammrohrdurchmessers beträgt. Der Gesamtquerschnitt der zweiten Luftleitstutzen (5) beträgt das 0,6-fache des Gesamtquerschnitts der ersten Luftleitstutzen (4). Im Flammrohr (3) bildet sich ein hochturbulenter toroidaler Wirbel aus, der ein sehr homogenes Gemisch über dem Querschnitt des Flammrohres (3) erzeugt, woraus geringe NOx-Werte und eine gleichmäßige Temperaturverteilung bereits im Flammrohr resultieren.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff
Die Erfindung betrifft einen Brenner für zum Versprühen geeignete, insbesondere gasförmige Brennstoffe, mit einem im wesentlichen zylindrischen Flammrohr, einem am stromauf gelegenen Ende des Flammrohres angeordneten Flammrohrdeckel , einer zentral im Flammrohrdeckel mündenden Brennstoffdüse und Mitteln zum Einleiten von Verbrennungsluft in das Flamm- röhr.
Derartige Bauformen finden vor allen Dingen als Standardbrenner für Gasturbinen Anwendung.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbrennen von zum Versprühen geeignetem, insbesondere gasförmigem Brennstoff, der zentral in eine Verbrennungszone eingegeben und dort mit Verbrennungsluft gemischt wird.
Ein wesentliches Ziel moderner Verbrennungstechnik besteht darin, Abgase mit geringen Schadstoffwerten zu erzeugen. Neben vollständigem Ausbrand zur Vermeidung von Kohlen- monoxid werden insbesondere niedrige NOx-Werte angestrebt.
Üblicherweise wird im Kopfbereich des Brenners eine Verbrennungszone gebildet, in die die Verbrennungsluft durch entsprechende Öffnungen im Flammrohrdeckel und im Flammrohr eingeblasen wird, wobei eine Kühlung des Flammrohrmaterials erfolgt. Weitere Verbrennungsluft wird durch schuppenartige Öffnungen zugeführt, die über das gesamte Flammrohr verteilt sind.
Es wurde gefunden, daß derartige Vorrichtungen und Verfahren noch verbesserungsfähig sind. Der Erfindung liegt da- her die Aufgabe zugrunde, die Temperaturverteilung im Flammrohr zu vergleichmäßigen und dadurch die Schadstofferzeugung zu vermindern.
Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Mittel zum Einleiten von Verbrennungsluft in das Flammrohr eine Mehrzahl von ersten und zweiten Luftleitstutzen aufweisen, daß die ersten und zweiten Luftleitstutzen in Gegenstromrichtung zur Achse des Flammrohres hin geneigt sind, daß die ersten Luftleitstutzen am Flammrohr enden, während sich die zweiten Luftleitstutzen in das Flammrohr hineinerstrecken, und daß jedem zweiten Luftleitstutzen ein erster Luftleitstutzen stromauf direkt benachbart zugeordnet ist .
Das Verfahren der eingangs genannten Art ist zur Lösung der gestellten Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß die Ver- brennungsluft derart in die Verbrennungszone eingeblasen wird, daß in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung der Verbrennungszone ein hochturbulenter toroidaler Wirbel entsteht, dessen Drehrichtung im inneren Bereich gegen die Strömungsrichtung der Verbrennungszone gerichtet ist . Wesentliche Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Der im Kopfbereich des Brenners erzeugte toroidale Wirbel oder Wirbelring erzeugt eine sehr intensive turbulente Umwälzung und damit eine gute Vermischung von Brennstoff und Luft. Durch die Erhöhung des Homogenitätsgrades des Brennstoff-Luft-Gemisches vermindert sich die Anzahl derjenigen örtlichen Bereiche, die stöchiometrische oder nah-stöchiome- trische Gemischkonzentrationen aufweisen und aufgrund ihrer extremen Temperaturen die Hauptquellen der NOx-Emmissionen bilden.
Die erfindungsgemäße Brennkammer gehört zu den sogenannten Diffusionskammern, in denen die Geschwindigkeit des Verbrennungsprozesses durch die Geschwindigkeit der Brennstoff- Luft-Verwirbelung bestimmt wird und nicht durch die Ge- schwindigkeit der chemischen Reaktionen. Daher führt die durch den hochturbulenten toroidalen Wirbel im stromauf gelegenen Bereich des Flammrohres gesteigerte Vermischungsintensität zu einer kürzeren Verweildauer der Verbrennungsprodukte im Hochtemperaturbereich, was sich günstig auf die Re- duzierung der NOx-Erzeugung auswirkt. Außerdem führt die Erfindung zu einer verstärkten Durchdringung des Brennstoffstroms durch die aus den ersten und zweiten Luftleitstutzen austretenden Luftstrahlen, die vorzugsweise einen wesentlichen Anteil der gesamten Verbren- nungsluft bilden. Insbesondere die ins Innere des Flammrohres hineinragenden zweiten Luftleitstutzen tragen zum Aufbau des Wirbels bei. Dadurch wird eine gleichmäßige Luftverteilung über dem Flammrohrquerschnitt erzielt und auf diese Weise eine Verringerung der Ungleichmäßigkeiten des Gastem- peraturfeldes in der Verbrennungszone. Dies ist insbesondere auch dann von wesentlicher Bedeutung, wenn die Brennkammer als Turbinenbrennkammer eingesetzt wird, worin tatsächlich eines ihrer hauptsächlichen Anwendungsgebiete liegt. Temperaturspitzen stellen eine erhebliche Belastung der Turbinen- schaufeln dar und verkürzen deren Lebenszeit.
Die aus dem zweiten Luftleitstutzen ausströmenden Luft- strahlen dringen tief in den Heißgasstrom ein. Sie kühlen dadurch den Hochtemperaturbereich bis zur Achse des Flammrohres . Zwar ragen die zweiten Luftleitstutzen in die Verbrennungszone hinein, jedoch wird die Temperaturbelastung dadurch beherrscht, daß jedem zweiten Luftleitstutzen ein stromauf gelegener erster Luftleitstutzen und vorzugsweise auch ein stromab gelegener dritter Luftleitstutzen direkt benachbart zugeordnet ist. Die zweiten Luftleitstutzen werden also durch die aus den ersten Luftleitstutzen und ggfs. aus den dritten Luftleitstutzen austretende Luft gekühlt. Die Zahl der gleichartigen ersten und dritten Luftleitstutzen kann noch durch gleichartige vierte Luftleitstutzen er- höht werden, die, gesehen in Umfangsrichtung, jeweils zwischen benachbarten zweiten Luftleitstutzen angeordnet sind. Es wurde gefunden, daß die Querschnittsverteilung zwischen den beiden Arten von Luftleitstutzen die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung am Brennkammerausgang wesentlich er- höht . Ein kritischer Wert für die Ausbildung eines optimalen hochturbulenten toroidalen Wirbels ist neben der Anordnung der Luftleitstutzen deren Neigungswinkel gegen die Achse des Flammrohres. Als sehr günstig hat sich ein Neigungswinkel von 55 bis 60° herausgestellt. Von kritischer Bedeutung ist ferner der axiale Abstand der ersten Luftleitstutzen von der Brennstoffdüse. Es wurde gefunden, daß dieser Abstand vom Flammrohrdurchmesser abhängt und vorzugsweise ca. das 0,70- bis 0,85-fache des Flammrohrdurchmessers beträgt. Die Erfindung ermöglicht nicht nur eine Intensivierung der Brennstoff-Luft-Verwirbelung und damit des Verbrennungsprozesses, sondern gleichzeitig auch eine hohe Stabilisierung der Zündflamme in allen Lastbereichen.
Für eine günstige Luftverteilung über dem Flammrohrquer- schnitt und damit für ein sehr gleichmäßiges Gastemperaturfeld am Ausgang der Brennkammer ist neben der Anordnung der Luftleitstutzen deren Abstand von der Achse des Flammrohres von kritischer Bedeutung. Auch diese Werte orientieren sich wieder am Flammrohrdurchmesser. Während die Ausströmmündun- gen der ersten sowie ggfs. der dritten und vierten Luftleitstutzen mit dem Flammrohr fluchten, sollten die Ausströmmündungen der zweiten Luftleitstutzen in einem Abstand zum Flammrohr liegen, der vorzugsweise ca. das 0,15- bis 0,18-fache des Flammrohrdurchmessers beträgt. Kritisch ist in diesem Zusammenhang ferner das Verhältnis zwischen den Gesamtquerschnitten der beiden Arten von Luftleitstutzen. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, daß der Gesamtquerschnitt der zweiten Luftleitstutzen ca. das 0,6- bis 0,7-fache des Gesamtquerschnitts der ersten so- wie ggfs. der dritten und vierten Luftleitstutzen beträgt.
Zusätzliche Verbrennungsluft kann im Bereich des Flammrohrdeckels zugeführt werden und diesen dabei kühlen. Ferner besteht die Möglichkeit, stromab der Luftleitstutzen Verbrennungsluft durch Öffnungen in der Flammrohrwandung zuzu- führen. Diese Maßnahme erweist sich als vorteilhaft zur Minderung der Kohlenmonoxiderzeugung. Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen axialen
Teilschnitt durch einen Brenner nach einer ersten Ausführungsform; Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeils A in Fig. 1; Fig. 3 in schematischer Darstellung einen axialen
Teilschnitt durch einen Brenner nach einer zweiten Ausführungsform; Fig. 4 eine Ansicht in Richtung des Pfeils A in Fig. 3.
Der Brenner nach den Fig. 1 und 2 weist einen Flammrohrdeckel 1 auf, in dessen Zentrum eine an eine Gaslanze angeschlossene Brennstoffdüse 2 mündet. An den Flammrohrdeckel 1 schließt sich ein zylindrisches Flammrohr 3 an, dessen Durchmesser mit d angegeben ist.
Am Flammrohr 3 ist eine Mehrzahl von ersten und zweiten Luftleitstutzen 4 bzw. 5 angeordnet. Von diesen bilden die ersten Luftleitstutzen 4 eine stromauf gelegene erste Reihe 6 und die zweiten Luftleitstutzen 5 eine unmittelbar benach- barte stromab gelegene zweite Reihe 7. Sämtliche Luftleitstutzen 4 und 5 sind in Gegenstromrichtung zur Achse des Flammrohres 3 geneigt, und zwar um einen gemeinsamen Winkel φ, der im Falle des Ausführungsbeispiels 60° beträgt.
Die Verbrennungsluft wird überwiegend durch die Luft- leitstutzen 4 und 5 derart in die Verbrennungszone eingeleitet, daß sich ein hochturbulenter toroidaler Wirbel oder Wirbelring bildet, der in Fig. 1 durch gestrichelte Pfeillinien angedeutet ist. Die intensive Durchmischung führt zu einer homogenen Verteilung des Brennstoffs in der Verbren- nungsluft, mit dem Ergebnis verminderter NOx-Bildung auf- ' grund reduzierter Aufenthaltszeit in der Verbrennungszone, verbunden mit einer Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung bereits im Flammrohr.
Der Abstand x zwischen den Luftleitstutzen 4 der ersten Reihe 6 und der Brennstoffdüse 2 beträgt das 0,70-fache des Flammrohrdurchmessers d. Dies trägt zur Stabilisierung des Wirbelrings bei und gewährleistet außerdem ein stabiles Zündverhalten über den gesamten Leistungsbereich.
Wie deutlich aus Fig. 1 ersichtlich, fluchten die Mündungen der ersten Luftleitstutzen 4 der ersten Reihe 6 mit dem Flammrohr, während die zweiten Luftleitstutzen 5 der zweiten Reihe 7 in das Flammrohr hineinragen, und zwar um einen Abstand y, der das 0,17-fache des Flammrohrdurchmessers d beträgt. Die aus den zweiten Luftleitstutzen 5 austretenden Luftstrahlen dringen also bis zur Achse des Flamm- rohres 3 in die Verbrennungszone ein, erfassen den zentralen Bereich der Verbrennungszone und bilden dann im Zuge ihrer stromaufwärts gerichteten Bewegung zusammen mit den aus den ersten Luftleitstutzen 4 austretenden Luftstrahlen den erwähnten hochturbulenten toroidalen Wirbel . Diese Art der Eindüsung der Verbrennungsluft über die ausgewogene Kombination der Luftleitstutzen 4 und der Luftleitstutzen 5 gewährleistet eine sehr gleichmäßige Verteilung über den Querschnitt der Verbrennungszone, was zur Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung beiträgt. Der Hauptlufteintrag erfolgt durch die ersten Luftleitstutzen.4.
Die Anordnung der Luftleitstutzen 4 und 5 ist so getroffen, daß sich stromauf jedes zweiten Luftleitstutzens 5 ein erster Luftleitstutzen 4 befindet. Die in die Verbrennungs- zone hineinragenden zweiten Luftleitstutzen 5 werden also durch die aus den zugeordneten ersten Luftleitstutzen 4 austretende Verbrennungsluft zuverlässig gekühlt.
Ein weiteres Merkmal, das zur Wirbelbildung bzw. Gemischbildung und zur Homogenisierung des Gemisches und damit zur Senkung der Temperatur und Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung beiträgt, besteht darin, daß der
Querschnitt der ersten Luftleitstutzen 4 - im Gegensatz zu dem zylindrischen Querschnitt der zweiten Luftleitstutzen 5 - in Richtung der Flammrohrachse langgestreckt ist, so daß sich also der Lufteintritt über eine gewisse axiale Länge erstreckt. Zwei Leitschaufeln 8 in den ersten Luftleitstutzen 4 tragen dazu bei, die Verbrennungsluft gezielt in das Flammrohr 3 einzuleiten.
Zur günstigen Strömungsführung trägt ferner bei, daß die jeweilige Austrittsmündung der zweiten Luftleitstutzen 5 der zweiten Reihe 7 in einer Ebene senkrecht zur Achse des zuge- hörigen Luftleitstutzens liegt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, bildet der Flammrohrdeckel 1 innenseitig eine von der Brennstoffdüse 2 ausgehende konische Erweiterung bis zum Flammrohr 3 hin. Diese Gestaltung des Flammrohrdeckelbereichs trägt zur Stabilisierung der Wirbel- Strömung bei. In diese wird das Gas schräg nach außen hin eingeblasen, wozu die Brennstoffdüse Austrittsöffnungen 9 aufweist, die in Strömungsrichtung fort von der Achse des Flammrohres 3 geneigt sind.
Die Figuren 3 und 4 stellen eine ganz besonders vorteil- hafte Ausführungsform des Brenners dar, die sich von der nach den Figuren 1 und 2 im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß den zweiten Luftleitstutzen 5 stromab dritte Luftleitstutzen 4' zugeordnet sind. Letztere liefern also einen anteiligen Luftstrahl, der sich an der stromab gelegenen Seite des zugehörigen Luftleitstutzens 5 entlangerstreckt. Dies verstärkt den Kühleffekt und unterstützt im übrigen die Ausbildung des hochturbulenten toroidalen Wirbels.
Beiden Ausführungsformen ist gemeinsam, daß, wie aus den Figuren 2 und 4 ersichtlich, vierte Luftleitstutzen 4'1 vor- gesehen sind. Diese liegen, in Axialrichtung gesehen, jeweils zwischen benachbarten zweiten Luftleitstutzen 5. Bei der Ausführungsform nach den Figuren 1 und 2 befinden sie sich auf der Höhe der ersten Luftleitstutzen 4. Bei der Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4 fluchten sie, in Um- fangsrichtung gesehen, mit den ersten und dritten Luftleitstutzen 4 und 4' . Im übrigen entsprechen sie nach Nei- gungswinkel und Anordnung den ersten und dritten Luftleitstutzen.
Betrachtet man die beiden Arten der Luftleitstutzen, so ist die Anzahl der zweiten Luftleitstutzen geringer als die der andersartigen Luftleitstutzen. Dies gilt auch für das Querschnittsverhältnis . So beträgt der Gesamtquerschnitt der zweiten Luftleitstutzen 5 das 0,6- bis 0,7-fache des Gesamtquerschnitts der ersten und vierten Luftleitstutzen 4, 4' ' (Fig. 1 und 2) bzw. des Gesamtquerschnitts der ersten, drit- ten und vierten Luftleitstutzen 4, 4', 411 (Fig. 3 und 4) . Im übrigen weist das Flammrohr 3 beider Ausführungsbei- spiele stromab der Luftleitstutzen weitere Öffnungen für Verbrennungsluft auf, um die CO-Bildung zu vermindern. Ebenfalls nicht dargestellt sind Öffnungen im Flammrohrdeckel 1 und im stromauf gelegenen Bereich des Flammrohres 3, wobei die hier eintretende Verbrennungsluft vorwiegend der Kühlung von Flammrohrdeckel und Flammrohr dient.
Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So können die Luftleitstutzen unter un- terschiedlichen Winkeln geneigt sein. Ferner besteht die
Möglichkeit, den Brennstoff axial in das Flammrohr einzuführen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Verbrennungsluft vorrangig über die beiden Arten von Luftleitstutzen zugeführt. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, Teilluftmengen von stromauf an stromab gelegene Stellen zu verlagern.
Die Erfindung wurde anhand eines Gasbrenners beschrieben, da hier ihr bevorzugtes Anwendunsgebiet liegt. Sie läßt sich jedoch auch auf Brenner für dampfförmige, flüssige oder fließfähige feste Brennstoffe anwenden.

Claims

P tentansprüche
1. Brenner für zum Versprühen geeignete, insbesondere gasförmige Brennstoffe, mit - einem im wesentlichen zylindrischen Flammrohr (3) ,
- einem am stromauf gelegenen Ende des Flammrohres (3) angeordneten Flammrohrdeckel (1) ,
- einer zentral im Flammrohrdeckel (1) mündenden Brennstoffdüse (2) und - Mitteln zum Einleiten von Verbrennungsluft in das Flammrohr, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- daß die Mittel zum Einleiten von Verbrennungsluft in das Flammrohr (3) eine Mehrzahl von ersten und zweiten Luft- leitstutzen (4 bzw. 5) aufweisen,
- daß die ersten und zweiten Luftleitstutzen (4 bzw. 5) in Gegenstromrichtung zur Achse des Flammrohres (3) hin geneigt sind,
- daß die ersten Luftleitstutzen (4) am Flammrohr (3) enden, während sich die zweiten Luftleitstutzen (5) in das
Flammrohr hineinerstrecken, und
- daß jedem zweiten Luftleitstutzen (5) ein erster Luftleitstutzen (4) stromauf direkt benachbart zugeordnet ist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem zweiten Luftleitstutzen (5) ein dritter Luftleitstutzen (41) stromab direkt benachbart zugeordnet ist, wobei die dritten Luftleitstutzen (41) in Gegenstromrichtung zur Achse des Flammrohres (3) hin geneigt sind und am Flammrohr enden.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß, gesehen in Axialrichtung, zwischen je zwei benachbarten zweiten Luftleitstutzen (5) ein vierter Luftleitstutzen (4 ' ' ) angeordnet ist, wobei die vierten Luftleitstutzen (4 ' ' ) in Gegenstromrichtung zur Achse des Flammrohres (3)- hin geneigt sind und am Flammrohr enden.
4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, daß die ersten Luftleitstutzen (4) in einer ersten achssenkrechten Reihe (6) angeordnet sind und daß der axiale Abstand (x) zwischen der Brennstoffdüse (2) und den Mündungen der ersten Luftleitstutzen (4) ca. das 0,70- bis 0,85-fache des Flammrohrdurchmessers (d) beträgt.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitstutzen (4, 5, 4', 4'') um denselben Winkel (φ) gegen die Achse des Flammrohres (3) geneigt sind.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitstutzen (4, 5, 4', 41') um ca. 55 bis 60° gegen die Achse des Flammrohres (3) geneigt sind.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen der in das Flammrohr (3) hineinragenden zweiten Luftleitstutzen (5) in einem Abstand (y) zum Flammrohr (3) liegen, der ca. das 0,15- bis 0,18- fache des Flammrohrdurchmessers (d) beträgt.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtquerschnitt der zweiten Luftleitstutzen (5) ca. das 0,6- bis 0,7-fache des Gesamtquerschnitts der ersten und ggf. dritten und vierten Luft- leitstutzen (4, 4', 4'') beträgt.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und ggf. die dritten und vierten Luftleitstutzen (4) unterschiedliche Querschnitte auf- weisen, von denen mindestens einige in Richtung der Achse des Flammrohres (3) langgestreckt sind.
10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und ggf. die vierten Luftleitstutzen (4, 4'') jeweils höchstens zwei Leitbleche (8) enthalten, die vorzugsweise quer zur Achse des Flammrohres (3) ausgerichtet sind.
11. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Austrittsmündung der zweiten Luftleitstutzen (5) in einer Ebene senkrecht zur Achse des zugehörigen Luftleitstutzens (5) liegt.
12. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Flammrohrdeckel (1) innenseitig, ausgehend von der Brennstoffdüse (2) , konisch zum Flammrohr (3) hin erweitert.
13. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (2) einen Ring von Austrittsöffnungen (9) aufweist, die in Strömungsrichtung fort von der Achse des Flammrohres (3) geneigt sind.
14. Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Austrittsöffnungen (9) der Brennstoffdüse (2) zur Achse des Flammrohres (3) 40 - 45° beträgt .
15. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 14 , dadurch gekennzeichnet, daß das Flammrohr (3) stromab der Luftleitstutzen (4, 5, 4', 41') mit mehreren kreisringförmig angeordneten Öffnungen für Verbrennungsluft versehen ist.
16. Verfahren zum Verbrennen von zum Versprühen geeignetem, insbesondere gasförmigem Brennstoff, der zentral in eine Verbrennungszone eingegeben und dort mit Verbrennungsluft gemischt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Verbrennungsluft derart in die Verbrennungszone eingeblasen wird, daß in einer Ebene senkrecht zur Strömungs- richtung der Verbrennungszone ein hochturbulenter toroidal-er Wirbel entsteht, dessen Drehrichtung im inneren Bereich gegen die Strömungsrichtung der Verbrennungszone gerichtet ist .
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff im wesentlichen in Form eines sich öffnenden Kegels in den toroidalen Wirbel eingegeben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der hochturbulente toroidale Wirbel das Zentrum der Verbrennungszone erfaßt .
Der Brennstoff wird zentral in ein Flammrohr (3) einge- leitet und hier in einer Verbrennungszone mit Verbrennungsluft gemischt. Die Luft tritt aus ersten und zweiten Luftleitstutzen (4 bzw. 5) aus, die in zwei direkt benachbarten Reihen (6, 7) angeordnet und in Gegenstromrichtung unter einem Winkel von 60° gegen die Achse des Flammrohres geneigt sind. Der Abstand (x) zwischen der Brennstoffdüse (9) und den Mündungen der ersten Luftleitstutzen (4) beträgt das 0,70-fache des Flammrohrdurchmessers. Ferner ragen die zweiten Luftleitstutzen (5) um eine Strecke (y) in das Flammrohr hinein, die das 0,17-fache des Flammrohrdurchmessers be- trägt. Der Gesamtquerschnitt der zweiten Luftleitstutzen (5) beträgt das 0,6-fache des Gesamtquerschnitts der ersten Luftleitstutzen (4) . Im Flammrohr (3) bildet sich ein hochturbulenter toroidaler Wirbel aus, der ein sehr homogenes Gemisch über dem Querschnitt des Flammrohres (3) erzeugt, woraus geringe NOx-Werte und eine gleichmäßige Temperaturverteilung bereits im Flammrohr resultieren.
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