EP0985876A1 - Burner - Google Patents

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EP0985876A1
EP0985876A1 EP98810902A EP98810902A EP0985876A1 EP 0985876 A1 EP0985876 A1 EP 0985876A1 EP 98810902 A EP98810902 A EP 98810902A EP 98810902 A EP98810902 A EP 98810902A EP 0985876 A1 EP0985876 A1 EP 0985876A1
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EP
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burner
cross
partial bodies
partial
section
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EP98810902A
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ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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    • 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
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively 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
    • F23D2206/00—Burners for specific applications
    • F23D2206/10—Turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2210/00—Noise abatement

Definitions

  • the invention relates to a burner for operating an assembly to generate a hot gas.
  • the cooling air flowing into the combustion chamber has a sound-absorbing effect and thus contributes to damping thermoacoustic vibrations.
  • an increasing proportion of the air is passed through the burners themselves in modern gas turbines and the cooling air flow is reduced.
  • the problems mentioned at the outset occur to a greater extent in such modern combustion chambers.
  • thermoacoustic Vibrations through active acoustic excitation.
  • the shear layer that forms in the area of the burner acoustically stimulated.
  • thermoacoustic vibrations and excitation achieve damping of the combustion chamber vibrations.
  • such a solution requires the addition of additional ones Elements in the combustion chamber area.
  • Coherent structures play a crucial role in mixing processes between air and fuel.
  • the spatial and temporal dynamics of these structures affect combustion and the heat release.
  • the invention is now the Based on the idea of counteracting the formation of coherent structures. Will the formation of vortex structures at the burner outlet reduced or prevented, so is the periodic heat release fluctuation reduced. Because the periodic Heat release fluctuations the basis for that Occur thermoacoustic vibrations, the amplitude the thermoacoustic fluctuations are reduced.
  • a burner according to the invention for operating an assembly for Generation of a hot gas essentially consists of at least two hollow, nested in the direction of flow Partial bodies, the center axes of which are offset from one another, such that adjacent walls of the partial body tangential air inlet channels for the inflow of combustion air into an interior space specified by the partial bodies form.
  • the burner has at least one fuel nozzle on.
  • Each of the nested partial bodies widens cone-like along the burner axis towards the burner outlet and has a non-circular shape perpendicular to the burner axis Cross section on.
  • the invention is therefore based on the idea of closing the burner in this way shape that suppresses the formation of coherent structures or is prevented. It has now been through experimentation the inventor found that the formation of coherent vortex structures through shapes that have an axially symmetrical shape deviate, is disturbed. So free steels show that out outflow elliptical nozzles, a much smaller extension of fluid mechanical instability waves in Flow direction as free steel, which originated in have axially symmetrical nozzles. In addition, there is coherence the flow around the circumference much less and also the mixture improved. The geometry is not elliptical Forms restricted. Any deviation from the axially symmetric Shape leads to reduced training coherent structures and thus to suppress unwanted ones thermoacoustic vibrations.
  • the axial symmetry is according to the invention disturbed by the fact that each of the partial bodies is perpendicular a non-circular cross-section to the burner axis having.
  • the shape of the burner according to the invention leads to a higher mixing and reduces the coherence of the Cross vortex.
  • each of the partial bodies preferably forms in each case an ellipse segment in which the ratio of smaller to major axis lies between 1 and 0.1. It is advantageous especially a ratio between 0.9 and 0.5, as special a ratio of about 0.7 is considered advantageous.
  • the cross section of the partial body each form a segment of an egg curve.
  • Such Eg curve is constructed over two concentric Ellipses, with the egg curve along half a circumference passes uniformly from the inner to the outer ellipse (Fig. 3). It can also be advantageous if the cross section the partial body connected by straight lines Arches forms.
  • the flow cross-section preferably takes that of the partial bodies formed interior along the burner axis to the burner outlet towards uniform.
  • In the area of the tangential Air inlet ducts are in the longitudinal direction of the burner Expediently spaced fuel nozzles arranged.
  • non-circular, especially elliptical geometries also apply to other types of burners. Also one Design of individual burner parts reduces the undesirable thermoacoustic vibrations.
  • the burner outlet for example, main and secondary air, Fuel injections, flame holders, cooling holes, holes for additional air injection (dilution air) and the Entry and exit of mixing chambers into consideration.
  • Figures 1 and 2 show a known premix burner, which consists of two half hollow partial cone bodies 1, 2, which are staggered.
  • the transfer of the respective Central axis of the partial cone body 1, 2 creates each other one on each side in a mirror image arrangement tangential air inlet duct 5, 6 through which the combustion air 7 flows into the interior 8 of the burner.
  • the Partial cone bodies 1, 2 have cylindrical starting parts 9, 10 on which include a fuel nozzle 11 through which liquid Fuel 12 is injected.
  • the partial cone bodies also point 1, 2 as required, a fuel line 13, 14, which are provided with openings 15 through which gaseous Fuel 16 through the tangential air inlet channels 5, 6 flowing combustion air 7 is mixed.
  • the burner has a collar-shaped, as Anchoring for the partial cone body 1, 2 serving end plate 18 with a number of holes 19 through which if necessary dilution air or cooling air 20 the front part of the combustion chamber or its wall can be supplied.
  • the fuel injection can be an air-assisted one Nozzle or around a working on the pressure atomization principle Act nozzle.
  • the conical spray pattern is used by the enclosed tangentially flowing combustion air flows 7.
  • the concentration of the injected fuel 12 is shown in Flow direction continuously through the combustion air flows 7 dismantled. If a gaseous fuel 16 is in the range of introduced tangential air inlet channels 5, 6, begins Mixture formation with the combustion air 7 already in this Area.
  • a liquid fuel 12 is in The area of the vortex run, i.e. in the area of the backflow zone 24 at the end of the premix burner the optimal, homogeneous Fuel concentration reached across the cross section.
  • the Ignition of the fuel / combustion air mixture begins the tip of the backflow zone 24. Only at this point can a stable flame front 25 arise.
  • Figures 3a and 3b show front views of exemplary embodiments of the burner according to the invention from the direction III-III 1.
  • the partial body 1, 2 have in the embodiment 3a in contrast to the circular cross section 1 and 2 an elliptical cross section on.
  • the partial bodies, such as in Fig. 2 shown, also overlap.
  • the presence also lies of more than two partial bodies within the scope of the invention.
  • the aspect ratio of the two main axes of the ellipses affects the extent of suppression of the thermoacoustic Fluctuations. Although every change in the axial symmetry to one Attenuation of the pressure amplitudes could result in one Axial ratio of small to large main axis of 0.7 a stronger suppression is observed than with a ratio from 0.8.
  • a relationship is currently being considered advantageous between 0.9 and 0.5, especially a ratio of about 0.7 considered.
  • FIG. 3b shows a Embodiment in which the partial body perpendicular to The cross section of the burner axis each form a segment of an egg curve.
  • An egg curve consists of two concentric ellipses, the egg curve being uniform along half a circumference passes from the inner to the outer ellipse.
  • the one for construction used ellipse segments 1a, 1b and 2a, 2b are in Fig. 3b drawn in dashed lines.
  • Figure 4 shows the results of an experimental determination the pressure fluctuations in the 100 Hz range when using conventional burners ("circular nozzles”, full squares) and burners according to an embodiment of the invention ("elliptical nozzles", open circles) as a function of Air number ⁇ .
  • the air ratio ⁇ is a measure of the ratio of the introduced into the combustion chamber to complete Combustion theoretically required amount of air.
  • the present Invention could be in the particularly relevant area 1.8 ⁇ ⁇ ⁇ 2.2 the amplitude of the pressure vibrations to less be reduced as 10% of the original value.
  • FIG. 5 shows the measured pressure amplitude as Function of the preheating temperature for conventional burners (circular nozzles at 500 kW, full squares) and two embodiments of the invention (elliptical nozzles at 600 kW, open circles, and elliptical nozzles at 550 kW, open triangles).
  • the amplitude of the pressure vibrations is compared to that conventional burners reduced by one to two orders of magnitude.

Abstract

A burner for generating hot gasses, e.g. for a gas turbine, has a compact construction with two part shells (1,2) which form the diverging burner chamber. The part shells overlap by their edges to form tangential air inlet ducts (5,6). The fuel inlets (15) are near the tangential inlets and the cross-sectional shape of the burner is non-circular and damps out any periodic vibrations in the burner chamber.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Betrieb eines Aggregats zur Erzeugung eines Heißgases.The invention relates to a burner for operating an assembly to generate a hot gas.

Stand der TechnikState of the art

Thermoakustische Schwingungen stellen eine Gefahr für jede Art von Verbrennungsanwendungen dar. Sie führen zu Druckschwankungen hoher Amplitude, zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches und können die mit der Verbrennung verbundenen Emissionen erhöhen. Diese Probleme treten besonders in Verbrennungssystemen mit geringer akustischer Dämpfung, wie sie moderne Gasturbinen oft darstellen, auf.Thermoacoustic vibrations pose a danger to every species of combustion applications. They lead to pressure fluctuations high amplitude, to limit the operating range and can reduce the emissions associated with combustion increase. These problems occur particularly in combustion systems with low acoustic damping, as used in modern gas turbines often represent on.

In herkömmlichen Brennkammern wirkt die in die Brennkammer einströmende Kühlluft schalldämpfend und trägt damit zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen bei. Um niedrige NOx-Emissionen zu erzielen, wird in modernen Gasturbinen ein zunehmender Anteil der Luft durch die Brenner selbst geleitet und der Kühlluftstrom reduziert. Durch die damit einhergehende geringere Schalldämpfung treten die eingangs angesprochenen Probleme in solchen modernen Brennkammern demnach verstärkt auf.In conventional combustion chambers, the cooling air flowing into the combustion chamber has a sound-absorbing effect and thus contributes to damping thermoacoustic vibrations. In order to achieve low NO x emissions, an increasing proportion of the air is passed through the burners themselves in modern gas turbines and the cooling air flow is reduced. As a result of the associated lower sound attenuation, the problems mentioned at the outset occur to a greater extent in such modern combustion chambers.

Eine Möglichkeit der Schalldämpfung besteht im Ankoppeln von Helmholtz-Dämpfern in der Brennkammerhaube oder im Bereich der Kühlluftzuführung. Bei engen Platzverhältnissen wie sie für moderne, kompakt gebaute Brennkammern typisch sind, kann die Unterbringung solcher Dämpfer jedoch Schwierigkeiten bereiten und ist mit großem konstruktiven Aufwand verbunden.One possibility of sound absorption is to couple Helmholtz dampers in the combustion chamber hood or in the area of the Cooling air supply. In tight spaces like those for modern, compact built combustion chambers are typical However, accommodating such dampers is difficult and is associated with great design effort.

Eine weitere Möglichkeit besteht in einer Kontrolle thermoakustischer Schwingungen durch aktive akustische Anregung. Dabei wird die sich im Bereich des Brenners ausbildende Scherschicht akustisch angeregt. Bei geeigneter Phasenlage zwischen den thermoakustischer Schwingungen und der Anregung läßt sich dadurch eine Dämpfung der Brennkammerschwingungen erreichen. Eine solche Lösung erfordert allerdings den Anbau zusätzlicher Elemente im Bereich der Brennkammer.Another possibility is to check thermoacoustic Vibrations through active acoustic excitation. Here becomes the shear layer that forms in the area of the burner acoustically stimulated. With a suitable phase position between the Thereby, thermoacoustic vibrations and excitation achieve damping of the combustion chamber vibrations. A however, such a solution requires the addition of additional ones Elements in the combustion chamber area.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine wirkungsvolle Unterdrückung thermoakustischer Schwingungen ermöglicht und mit möglichst geringem konstruktiven Aufwand verbunden ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Brenner gemäß Anspruch 1 gelöst.This is where the invention comes in. The invention as set out in the claims is characterized, the task is based on a To create a device that provides effective suppression thermoacoustic vibrations possible and with as possible low design effort. This task is solved according to the invention by the burner according to claim 1.

Kohärente Strukturen spielen eine entscheidende Rolle bei Mischungsvorgängen zwischen Luft und Brennstoff. Die räumliche und zeitliche Dynamik dieser Strukturen beeinflußt die Verbrennung und die Wärmefreisetzung. Der Erfindung liegt nun die Idee zugrunde, der Ausbildung kohärenter Strukturen entgegenzuwirken. Wird die Entstehung von Wirbelstrukturen am Brenneraustritt reduziert oder verhindert, so wird dadurch auch die periodische Wärmefreisetzungsschwankung reduziert. Da die periodischen Wärmefreisetzungsschwankungen die Grundlage für das Auftreten thermoakustischer Schwingungen sind, wird die Amplitude der thermoakustischen Schwankungen dadurch reduziert.Coherent structures play a crucial role in mixing processes between air and fuel. The spatial and temporal dynamics of these structures affect combustion and the heat release. The invention is now the Based on the idea of counteracting the formation of coherent structures. Will the formation of vortex structures at the burner outlet reduced or prevented, so is the periodic heat release fluctuation reduced. Because the periodic Heat release fluctuations the basis for that Occur thermoacoustic vibrations, the amplitude the thermoacoustic fluctuations are reduced.

Ein erfindungsgemäßer Brenner zum Betrieb eines Aggregats zur Erzeugung eines Heißgases, besteht im wesentlichen aus mindestens zwei hohlen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern, deren Mittelachsen zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß benachbarte Wandungen der Teilkörper tangentiale Lufteintrittskanäle für die Einströmung von Verbrennungsluft in einen von den Teilkörpern vorgegebenen Innenraum bilden. Der Brenner weist zumindest eine Brennstoffdüse auf. Jeder der ineinandergeschachtelten Teilkörper weitet sich kegelartig entlang der Brennerachse zum Brenneraustritt hin auf und weist senkrecht zur Brennerachse einen nichtkreisförmigen Querschnitt auf.A burner according to the invention for operating an assembly for Generation of a hot gas essentially consists of at least two hollow, nested in the direction of flow Partial bodies, the center axes of which are offset from one another, such that adjacent walls of the partial body tangential air inlet channels for the inflow of combustion air into an interior space specified by the partial bodies form. The burner has at least one fuel nozzle on. Each of the nested partial bodies widens cone-like along the burner axis towards the burner outlet and has a non-circular shape perpendicular to the burner axis Cross section on.

Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, den Brenner so zu gestalten, daß die Ausbildung kohärenter Strukturen unterdrückt oder verhindert wird. Es wurde nun durch Experimente der Erfinder gefunden, daß die Ausbildung kohärenter Wirbelstrukturen durch Formen, die von einer axialsymmetrischen Gestalt abweichen, gestört wird. So zeigen Freistahlen, die aus elliptischen Düsen ausströmen, eine wesentlich geringere Erstreckung von strömungsmechanischen Instabilitätswellen in Strömungsrichtung als Freistahlen, die ihren Ursprung in axialsymmetrischen Düsen haben. Darüber hinaus ist die Kohärenz der Strömung um den Umfang wesentlich geringer und auch die Mischung verbessert. Die Geometrie ist dabei nicht auf elliptische Formen eingeschränkt. Jede Abweichung von der axialsymmetrischen Gestalt führt zu einer reduzierten Ausbildung kohärenter Strukturen und damit zu einer Unterdrückung unerwünschter thermoakustischer Schwingungen.The invention is therefore based on the idea of closing the burner in this way shape that suppresses the formation of coherent structures or is prevented. It has now been through experimentation the inventor found that the formation of coherent vortex structures through shapes that have an axially symmetrical shape deviate, is disturbed. So free steels show that out outflow elliptical nozzles, a much smaller extension of fluid mechanical instability waves in Flow direction as free steel, which originated in have axially symmetrical nozzles. In addition, there is coherence the flow around the circumference much less and also the mixture improved. The geometry is not elliptical Forms restricted. Any deviation from the axially symmetric Shape leads to reduced training coherent structures and thus to suppress unwanted ones thermoacoustic vibrations.

Bei einem gattungsgemäßen Brenner wird die Axialsymmetrie erfindungsgemäß dadurch gestört, daß jeder der Teilkörper senkrecht zur Brennerachse einen nichtkreisförmigen Querschnitt aufweist. Die erfindungsgemäße Form des Brenners führt zu einer höheren Durchmischung und verringert die Kohärenz der Querwirbel.In a generic burner, the axial symmetry is according to the invention disturbed by the fact that each of the partial bodies is perpendicular a non-circular cross-section to the burner axis having. The shape of the burner according to the invention leads to a higher mixing and reduces the coherence of the Cross vortex.

Bevorzugt bildet der Querschnitt jedes der Teilkörper jeweils ein Ellipsensegment, bei dem das Verhältnis von kleiner zu großer Hauptachse zwischen 1 und 0.1 liegt. Vorteilhaft ist insbesondere ein Verhältnis zwischen 0.9 und 0.5, als besonders vorteilhaft wird ein Verhältnis von etwa 0.7 angesehen.The cross section of each of the partial bodies preferably forms in each case an ellipse segment in which the ratio of smaller to major axis lies between 1 and 0.1. It is advantageous especially a ratio between 0.9 and 0.5, as special a ratio of about 0.7 is considered advantageous.

Es kann auch zweckmäßig sein, wenn der Querschnitt der Teilkörper jeweils ein Segment einer Eikurve bildet. Eine solche Eikurve konstruiert man beispielsweise über zwei konzentrische Ellipsen, wobei die Eikurve entlang eines halben Umfangs gleichförmig von der inneren in die äußere Ellipse übergeht (Fig. 3). Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn der Querschnitt der Teilkörper jeweils durch Geradenstücke verbundene Korbbögen bildet.It can also be useful if the cross section of the partial body each form a segment of an egg curve. Such Eg curve is constructed over two concentric Ellipses, with the egg curve along half a circumference passes uniformly from the inner to the outer ellipse (Fig. 3). It can also be advantageous if the cross section the partial body connected by straight lines Arches forms.

Bevorzugt nimmt der Durchflussquerschnitt des von den Teilkörpern gebildeten Innenraums entlang der Brennerachse zum Brenneraustritt hin gleichförmig zu. Im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle in Längserstreckung des Brenners sind zweckmäßig zueinander beabstandete Brennstoffdüsen angeordnet.The flow cross-section preferably takes that of the partial bodies formed interior along the burner axis to the burner outlet towards uniform. In the area of the tangential Air inlet ducts are in the longitudinal direction of the burner Expediently spaced fuel nozzles arranged.

Eine erfindungsgemäße Brechung kohärenter Strukturen durch nicht-kreisförmige, insbesondere elliptische Geometrien, läßt sich ebenso bei anderen Brennertypen anwenden. Auch eine solche Ausgestaltung einzelner Brennerteile reduziert die unerwünschten thermoakustischen Schwingungen. Für eine nichtkreisförmige und insbesondere elliptische Gestaltung kommen dabei beispielsweise der Brenneraustritt, dabei Haupt- und Nebenluft, Brennstoffeindüsungen, Flammhalter, Kühllöcher, Löcher zur zusätzlichen Lufteindüsung (Verdünnungsluft) und der Eintritt und Austritt von Mischkammern in Betracht.Refraction of coherent structures according to the invention non-circular, especially elliptical geometries also apply to other types of burners. Also one Design of individual burner parts reduces the undesirable thermoacoustic vibrations. For a non-circular and especially elliptical design the burner outlet, for example, main and secondary air, Fuel injections, flame holders, cooling holes, holes for additional air injection (dilution air) and the Entry and exit of mixing chambers into consideration.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen. Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen

Fig. 1
einen Brenner nach dem Stand der Technik in perspektivischer Darstellung entsprechend aufgeschnitten;
Fig. 2
den Brenner gemäß Figur 1, jedoch aus einer anderen Perspektive und in vereinfachter Darstellung;
Fig. 3a
eine Vordersicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brenners;
Fig. 3b
eine Vordersicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brenners;
Fig. 4
eine Auftragung der relativen Druckamplitude gegen die Luftzahl λ für kreisförmige und elliptische Düsen;
Fig. 5
eine logarithmische Auftragung der relativen Druckamplitude gegen die Vorheiztemperatur für kreisförmige und elliptische Düsen bei verschiedenen Leistungen;
Further advantageous refinements, features and details of the invention result from the dependent claims, the description of the exemplary embodiments and the drawings. The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. Show
Fig. 1
a burner according to the prior art in a corresponding perspective cut open;
Fig. 2
the burner according to Figure 1, but from a different perspective and in a simplified representation;
Fig. 3a
a front view of an embodiment of a burner according to the invention;
Fig. 3b
a front view of another embodiment of a burner according to the invention;
Fig. 4
a plot of the relative pressure amplitude against the air ratio λ for circular and elliptical nozzles;
Fig. 5
a logarithmic plot of the relative pressure amplitude against the preheating temperature for circular and elliptical nozzles at different outputs;

Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.In each case, they are only those that are essential for understanding the invention Elements shown.

Wege zur Ausführung der Erfindung Way to carry out the invention

Die Figuren 1 und 2 zeigen einen bekannten Vormischbrenner, der aus zwei halben hohlen Teilkegelkörpern 1, 2, besteht, die versetzt zueinander angeordnet sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse der Teilkegelkörper 1, 2 zueinander schafft auf beiden Seiten in spiegelbildlicher Anordnung jeweils einen tangentialen Lufteintrittskanal 5, 6, durch welchen die Verbrennungsluft 7 in den Innenraum 8 des Brenners strömt. Die Teilkegelkörper 1, 2 weisen zylindrische Anfangsteile 9, 10 auf, die eine Brennstoffdüse 11 beinhalten durch die flüssiger Brennstoff 12 eingedüst wird. Weiter weisen die Teilkegelkörper 1, 2 nach Bedarf je eine Brennstoffleitung 13, 14 auf, die mit Öffnungen 15 versehen sind, durch welche gasförmiger Brennstoff 16 der durch die tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 strömenden Verbrennungsluft 7 zugemischt wird.Figures 1 and 2 show a known premix burner, which consists of two half hollow partial cone bodies 1, 2, which are staggered. The transfer of the respective Central axis of the partial cone body 1, 2 creates each other one on each side in a mirror image arrangement tangential air inlet duct 5, 6 through which the combustion air 7 flows into the interior 8 of the burner. The Partial cone bodies 1, 2 have cylindrical starting parts 9, 10 on which include a fuel nozzle 11 through which liquid Fuel 12 is injected. The partial cone bodies also point 1, 2 as required, a fuel line 13, 14, which are provided with openings 15 through which gaseous Fuel 16 through the tangential air inlet channels 5, 6 flowing combustion air 7 is mixed.

Brennraumseitig 17 weist der Brenner eine kragenförmige, als Verankerung für die Teilkegelkörper 1, 2 dienende Abschlußplatte 18 mit einer Anzahl von Bohrungen 19 auf, durch welche bei Bedarf Verdünnungsluft oder Kühlluft 20 dem vorderen Teil des Brennraumes bzw. dessen Wand zugeführt werden kann.Combustion chamber side 17, the burner has a collar-shaped, as Anchoring for the partial cone body 1, 2 serving end plate 18 with a number of holes 19 through which if necessary dilution air or cooling air 20 the front part of the combustion chamber or its wall can be supplied.

Bei der Brennstoffeindüsung kann es sich um eine luftunterstüzte Düse oder um eine nach dem Druckzerstäubungsprinzip arbeitende Düse handeln. Das kegelige Spraybild wird von den tangential einströmenden Verbrennungsluftströmen 7 umschlossen. Die Konzentration des eingedüsten Brennstoffs 12 wird in Strömungsrichtung fortlaufend durch die Verbrennungsluftströme 7 abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 16 im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 eingebracht, beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 7 bereits in diesem Bereich. Beim Einsatz eines flüssigen Brennstoffs 12 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 24 am Ende des Vormischbrenners die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches beginnt an der Spitze der Rückströmzone 24. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammfront 25 entstehen.The fuel injection can be an air-assisted one Nozzle or around a working on the pressure atomization principle Act nozzle. The conical spray pattern is used by the enclosed tangentially flowing combustion air flows 7. The concentration of the injected fuel 12 is shown in Flow direction continuously through the combustion air flows 7 dismantled. If a gaseous fuel 16 is in the range of introduced tangential air inlet channels 5, 6, begins Mixture formation with the combustion air 7 already in this Area. When using a liquid fuel 12 is in The area of the vortex run, i.e. in the area of the backflow zone 24 at the end of the premix burner the optimal, homogeneous Fuel concentration reached across the cross section. The Ignition of the fuel / combustion air mixture begins the tip of the backflow zone 24. Only at this point can a stable flame front 25 arise.

Figuren 3a und 3b zeigen Vorderansichten von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Brenners aus Richtung III-III von Fig. 1. Die Teilkörper 1, 2 weisen bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3a im Gegensatz zu dem kreisförmigen Querschnitt der Figuren 1 und 2 einen elliptischen Querschnitt auf. Selbstverständlich können die Teilkörper, wie etwa in Fig. 2 gezeigt, auch überlappen. Ebenso liegt das Vorhandensein von mehr als zwei Teilkörpern im Rahmen der Erfindung. Das Längenverhältnis der beiden Hauptachsen der Ellipsen beeinflußt das Ausmaß der Unterdrückung der thermoakustischen Schwankungen. Obwohl jede Abänderung der Axialsymmetrie zu einer Dämpfung der Druckamplituden führt, konnte etwa bei einem Achsenverhältnis von kleiner zu großer Hauptachse von 0.7 eine stärkere Unterdrückung beobachtet werden als bei einem Verhältnis von 0.8. Als vorteilhaft wird gegenwärtig ein Verhältnis zwischen 0.9 und 0.5, insbesondere ein Verhältnis von etwa 0.7 betrachtet.Figures 3a and 3b show front views of exemplary embodiments of the burner according to the invention from the direction III-III 1. The partial body 1, 2 have in the embodiment 3a in contrast to the circular cross section 1 and 2 an elliptical cross section on. Of course, the partial bodies, such as in Fig. 2 shown, also overlap. The presence also lies of more than two partial bodies within the scope of the invention. The aspect ratio of the two main axes of the ellipses affects the extent of suppression of the thermoacoustic Fluctuations. Although every change in the axial symmetry to one Attenuation of the pressure amplitudes could result in one Axial ratio of small to large main axis of 0.7 a stronger suppression is observed than with a ratio from 0.8. A relationship is currently being considered advantageous between 0.9 and 0.5, especially a ratio of about 0.7 considered.

Die Axialsymmetrie kann auch durch eine nicht-elliptische Ausgestaltung der Teilkörper gestört werden. Figur 3b zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Teilkörper senkrecht zur Brennerachse im Querschnitt je ein Segment einer Eikurve bilden. Eine Eikurve ergibt sich aus zwei konzentrische Ellipsen, wobei die Eikurve entlang eines halben Umfangs gleichförmig von der inneren in die äußere Ellipse übergeht. Die zur Konstruktion benutzten Ellipsensegmente 1a, 1b und 2a, 2b sind in Fig. 3b gestrichelt eingezeichnet.The axial symmetry can also be achieved by a non-elliptical configuration the partial body can be disturbed. Figure 3b shows a Embodiment in which the partial body perpendicular to The cross section of the burner axis each form a segment of an egg curve. An egg curve consists of two concentric ellipses, the egg curve being uniform along half a circumference passes from the inner to the outer ellipse. The one for construction used ellipse segments 1a, 1b and 2a, 2b are in Fig. 3b drawn in dashed lines.

Figur 4 zeigt die Ergebnisse einer experimentellen Bestimmung der Druckschwankungen im 100 Hz Bereich bei Verwendung von konventionellen Brennern ("kreisförmige Düsen", volle Quadrate) und von Brennern gemäß eines Auführungsbeispiels der Erfindung ("elliptische Düsen", offene Kreise) als Funktion der Luftzahl λ. Die Luftzahl λ ist ein Maß für das Verhältnis der in den Verbrennungsraum eingeführten zu der zur vollständigen Verbrennung theoretisch benötigten Luftmenge. Durch die vorliegende Erfindung konnte im besonders relevanten Bereich 1.8 ≤ λ ≤ 2.2 die Amplitude der Druckschwingungen auf weniger als 10% des ursprünglichen Wertes reduziert werden.Figure 4 shows the results of an experimental determination the pressure fluctuations in the 100 Hz range when using conventional burners ("circular nozzles", full squares) and burners according to an embodiment of the invention ("elliptical nozzles", open circles) as a function of Air number λ. The air ratio λ is a measure of the ratio of the introduced into the combustion chamber to complete Combustion theoretically required amount of air. By the present Invention could be in the particularly relevant area 1.8 ≤ λ ≤ 2.2 the amplitude of the pressure vibrations to less be reduced as 10% of the original value.

Auch bei thermoakustischen Schwingungen im kHz-Bereich erweist sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brenners als äußerst wirksam. Figur 5 zeigt die gemessene Druckamplitude als Funktion der Vorheiztemperatur für konventionelle Brenner (kreisförmige Düsen bei 500 kW, volle Quadrate) und zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung (elliptische Düsen bei 600 kW, offene Kreise, und elliptische Düsen bei 550 kW, offene Dreiecke). Die Amplitude der Druckschwingungen wird gegenüber den konventionellen Brennern um ein bis zwei Größenordnungen reduziert. Also proven with thermoacoustic vibrations in the kHz range the design of the burner according to the invention as extreme effective. Figure 5 shows the measured pressure amplitude as Function of the preheating temperature for conventional burners (circular nozzles at 500 kW, full squares) and two embodiments of the invention (elliptical nozzles at 600 kW, open circles, and elliptical nozzles at 550 kW, open triangles). The amplitude of the pressure vibrations is compared to that conventional burners reduced by one to two orders of magnitude.

BezugszeichenlisteReference list

1,21.2
TeilkegelkörperPartial cone body
1a,1b,2a,2b1a, 1b, 2a, 2b
EllipsensegmenteEllipse segments
5,65.6
LufteintrittskanalAir inlet duct
77
VerbrennungsluftCombustion air
88th
Innenrauminner space
9,109.10
AnfangsteileEarly parts
1111
BrennstoffdüseFuel nozzle
1212th
flüssiger Brennstoffliquid fuel
13,1413.14
BrennstoffleitungFuel line
1515
Öffnungenopenings
1616
gasförmiger Brennstoffgaseous fuel
1717th
BrennraumseiteCombustion chamber side
1818th
AbschlußplatteEnd plate
1919th
BohrungenHoles
2020th
KühlluftCooling air
2424th
RückströmzoneBackflow zone
2525th
FlammfrontFlame front

Claims (6)

Brenner zum Betrieb eines Aggregats zur Erzeugung eines Heißgases,
wobei der Brenner im wesentlichen aus mindestens zwei hohlen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (1, 2) besteht, deren Mittelachsen zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß benachbarte Wandungen der Teilkörper (1, 2) tangentiale Lufteintrittskanäle (5, 6) für die Einströmung von Verbrennungsluft (7) in einen von den Teilkörpern (1, 2) vorgegebenen Innenraum (8) bilden, und wobei der Brenner zumindest eine Brennstoffdüse (11) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder der ineinandergeschachtelten Teilkörper (1, 2) kegelartig entlang der Brennerachse zum Brenneraustritt (17) hin aufweitet und daß jeder der Teilkörper (1, 2) senkrecht zur Brennerachse einen nichtkreisförmigen Querschnitt aufweist. Burner for operating a unit for generating a hot gas,
the burner essentially consisting of at least two hollow partial bodies (1, 2) nested one inside the other in the flow direction, whose center axes are offset from one another, such that adjacent walls of the partial bodies (1, 2) form tangential air inlet channels (5, 6) for the inflow of combustion air (7) into an interior space (8) predetermined by the partial bodies (1, 2), and wherein the burner has at least one fuel nozzle (11),
characterized in that each of the nested partial bodies (1, 2) widens conically along the burner axis towards the burner outlet (17) and that each of the partial bodies (1, 2) has a non-circular cross section perpendicular to the burner axis. Brenner nach Anspruch 1, bei dem der Querschnitt der Teilkörper (1, 2) jeweils ein Ellipsensegment bildet, bei dem das Verhältnis von kleiner zu großer Hauptachse zwischen 1 und 0.1, bevorzugt zwischen 0.9 und 0.5, besonders bevorzugt bei etwa 0.7 liegt. Burner according to claim 1, in which the cross section of the partial bodies (1, 2) each forms an ellipse segment, in which the ratio of the major axis to the major axis is between 1 and 0.1, preferably between 0.9 and 0.5, particularly preferably around 0.7. Brenner nach Anspruch 1, bei dem der Querschnitt der Teilkörper (1, 2) jeweils ein Segment einer Eikurve bildet. Burner according to claim 1, in which the cross section of the partial body (1, 2) each forms a segment of an egg curve. Brenner nach Anspruch 1, bei dem der Querschnitt der Teilkörper (1, 2) jeweils durch Geradenstücke verbundene Korbbögen bildet. Burner according to claim 1, in which the cross section of the partial body (1, 2) forms basket arches connected by straight pieces. Brenner nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem der Durchflussquerschnitt des von den Teilkörpern (1, 2) gebildeten Innenraums (8) entlang der Brennerachse zum Brenneraustritt (17) hin gleichförmig zunimmt. Burner according to one of the preceding claims, in which the flow cross section of the interior (8) formed by the partial bodies (1, 2) increases uniformly along the burner axis towards the burner outlet (17). Brenner nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle (5, 6) in Längserstreckung des Brenners zueinander beabstandete Brennstoffdüsen (15) angeordnet sind. Burner according to one of the preceding claims, in which fuel nozzles (15) which are spaced apart from one another in the longitudinal direction of the burner are arranged in the region of the tangential air inlet ducts (5, 6).
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