EP0987491B1 - Method for preventing flow instabilities in a burner - Google Patents
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- EP0987491B1 EP0987491B1 EP98810924A EP98810924A EP0987491B1 EP 0987491 B1 EP0987491 B1 EP 0987491B1 EP 98810924 A EP98810924 A EP 98810924A EP 98810924 A EP98810924 A EP 98810924A EP 0987491 B1 EP0987491 B1 EP 0987491B1
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- F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
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- F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
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- F23D2206/10—Turbines
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- F23D2210/00—Noise abatement
Definitions
- the present invention relates to Method for operating a burner, according to the preamble of claim 1.
- the invention relates also to a burner according to the preamble of claim 2.
- EP-B1-0 321 809 is a burner for liquid and gaseous fuels known with premix, in which externally supplied combustion air moved tangentially between at least two entry slots arranged, hollow half-cones enters and there in the direction of the combustion chamber flows, and in which on the side facing away from the combustion chamber, the tapered side the half-cones of the liquid fuel is injected centrally.
- the fuel will so to speak, captured and "enveloped" by the combustion air, so that forms a conical liquid fuel profile between the half-cones, which expands in the direction of the combustion chamber and burns there.
- gaseous Fuel is taken from fuel supply pipes that run along the air intake slots run, injected through rows of holes across the incoming air.
- thermoacoustic oscillations are primarily responsible for an important class 1 of reaction rate variations induced thermoacoustic oscillations.
- These largely coherent waves result in a burner of the above Type under typical operating conditions to vibrations with frequencies of about 100 Hz. Since this frequency has typical fundamental eigenmodes of Of many torches of gas turbines coincide, represent the thermoacoustic Oscillations are a problem.
- EP-A2-0 851 172 discloses a burner for operating a combustion chamber with a liquid and / or gaseous fuel.
- a burner for operating a combustion chamber with a liquid and / or gaseous fuel the required combustion air passed through tangential air inlet channels in an interior of the burner.
- This flow is created in the interior of a swirl flow, which at the output of Burner induces a backflow zone.
- At least one zone is provided in each part body forming the burner, within which inlet openings for the injection of additional air into the swirl flow are provided.
- this injection forms on the inner wall of the body part Film, which prevents the flame along the inner wall of the part body in the interior of the burner can strike back.
- the invention is therefore based on the object a procedure and to provide a burner for carrying out the method, which provides for the formation of coherent flow instabilities of the combustion air flow after exiting into the Combustion chamber prevented.
- Another embodiment of the invention is characterized in that it the burner is a double - cone burner, that the injection of the Disturbance air through interference nozzles, and that the disturbance air directly at the leading edges of the half-cones takes place where the shear layers form. Furthermore, it is preferred that the disturbance nozzles be uniform in certain Distributes intervals on the sizes of leading edges of half-cones, becomes so the periodicity of the waves on the shear layers disrupted what the prevention the thermoacoustic oscillations targeted causes in the nucleus of their formation.
- FIG. 1 shows a section through an idealized shear layer 10, as assumed for the subsequent calculations.
- the shear layer 10 is of a thickness h, and the coordinate system is laid so that the axes x and z are in the shear layer, the axis y is perpendicular thereto, and the main flow direction (longitudinal) is along x.
- the origin of the coordinate system is such that the thickness of the shear layers 10 extends along y from -h / 2 to + h / 2, and that the layer at the top in the figure moves along x at a velocity U o Moves to the right, while the layer shown in Figure 1 below moves at a speed -U o along x to the left.
- a is the growth exponent of the perturbation in 1 / s
- U 0 is the edge velocity at the shear layer 10
- k z is the Component of the wave vector along z, ie in the transverse direction.
- FIG. 5 shows various views of a double-cone burner 26, based on which the technical realization of the above-described principle is to be shown.
- figure 5a shows a perspective view of a double-cone burner 26.
- the combustion air 14 enters laterally through the entry slots 23 of the slightly shifted Axes arranged, hollow half-cones 18 and 21, flows to the front end the burner 26 with description of a slight arc, and occurs after passing the leading edge 24 of the half-cones 18, 21 from the burner 26 into the combustion chamber 28.
- Am tapered end of the half-cones 18, 21 is a cylindrical part 20, in which a fuel nozzle 19 is arranged, which in this case liquid Insert fuel centrally between the two half-cones 18 and 21.
- the combustion air 14 envelops the injected fuel, and it forms a fuel cone, which expands towards the front, and which as a mixture 15 of combustion air 14 and fuel and Greunstaff after exiting into the Combustion chamber 28 burns at the burner mouth 27 in a flame 17.
- FIG. 5c) shows a view from above onto the double-cone burner 26.
- the spacing of the stub nozzles 16 can be easily traced.
- the transversal perturbation must be such that the perturbation nozzles 16 generate perturbation air streams which are 5 cm apart in the x-direction, ie in the flow direction of the mixture.
- FIG. 5d) shows a schematic front view of a double-cone burner 26. Again, the orthogonal intermingling of the mixture 15 and the interfering air 22 is recognizable.
- the injected air flow 22 has no strong, inwardly directed components, so that the mixture 15 is not disturbed .
- the total pressure of the injection of the disturbance air 22 must be at least as great as the total pressure of the mixture flowing past 15, so that significant transversal disturbances can form at all.
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
Verfahren zum Betrieb eines Brenners,
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich
auch auf einen Brenner entsprechend dem Obergegriff des Anspruchs 2.The present invention relates to
Method for operating a burner,
according to the preamble of
Bei modernen Brennern, insbesondere bei Brennern, wie sie in Gasturbinen eingesetzt werden, wird es zunehmend wichtiger, die Verbrennung sowohl möglichst effizient, als auch möglichst frei von Schadstoffen zu halten. Schadstoffgrenzwerte werden u.a. von den Behörden vorgeschrieben, und die Richtlinien betreffend CO und NOx Ausstoss werden immer strenger. Die entsprechende Optimierung der Verbrennung kann auf vielfältige Weise geschehen, so z.B. durch Beimischung von Additiven wie Wasser zum Brennstoff, durch Einsatz von Katalysatoren, oder auch durch die Sicherstellung eines für die Verbrennung idealen Brennstoff-Luft-Gemisches. Optimale Brennstoff-Luft-Verhältnisse können dadurch erzeugt werden, dass Brennstoff und Verbrennungsluft vorgemischt werden (sog. Vormischbrenner) oder indem Brennstoff und Verbrennungsluft zusammen auf spezielle Weise in den Verbrennungsraum eingedüst werden.In modern burners, especially in burners, such as those used in gas turbines, it is becoming increasingly important to keep combustion both as efficient as possible and as free of pollutants as possible. Pollution limits are imposed by the authorities, among others, and the directives on CO and NO x emissions are becoming increasingly stringent. The corresponding optimization of the combustion can be done in many ways, for example by adding additives such as water to the fuel, by using catalysts, or by ensuring an ideal for combustion fuel-air mixture. Optimum fuel-air ratios can be generated by premixing fuel and combustion air (so-called premix burners) or by injecting fuel and combustion air together into the combustion chamber in a specific manner.
Aus der EP-B1-0 321 809 ist ein Brenner für flüssige und gasförmige Brennstoffe mit Vormischstrecke bekannt geworden, bei welchem von aussen zugeführte Verbrennungsluft durch wenigstens zwei Eintrittsschlitze tangential zwischen verschoben angeordnete, hohle Halbkonusse eintritt und dort in Richtung der Brennkammer strömt, und bei welchem auf der der Brennkammer abgewandten, verjüngten Seite der Halbkonusse der flüssige Brennstoff zentral eingedüst wird. Der Brennstoff wird so gewissermassen von der Verbrennungsluft erfasst und "eingehüllt", so dass sich zwischen den Halbkonussen ein kegeliges Flüssigbrennstoffprofil ausbildet, welches sich in Richtung der Brennkammer ausweitet und dort verbrennt. Gasförmiger Brennstoff wird aus Brennstoffzufuhrrohren, die den Lufteintrittsschlitzen entlang verlaufen, durch Bohrungsreihen quer in die eintretende Luft eingedüst.From EP-B1-0 321 809 is a burner for liquid and gaseous fuels known with premix, in which externally supplied combustion air moved tangentially between at least two entry slots arranged, hollow half-cones enters and there in the direction of the combustion chamber flows, and in which on the side facing away from the combustion chamber, the tapered side the half-cones of the liquid fuel is injected centrally. The fuel will so to speak, captured and "enveloped" by the combustion air, so that forms a conical liquid fuel profile between the half-cones, which expands in the direction of the combustion chamber and burns there. gaseous Fuel is taken from fuel supply pipes that run along the air intake slots run, injected through rows of holes across the incoming air.
Problematisch bei solchen Brennern, und allgemein bei Brennern, bei welchen ein Verbrennungsluftstrom auf ähnliche Weise in eine Brennkammer strömt, ist der Austritt der Verbrennungsluft in die Brennkammer. Während die Verbrennungsluft im Brenner an den Wänden der Halbkonusse entlang streicht und von diesen geführt wird, bildet sich in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft hinter der Vorderkante der Halbkonusse sofort eine Scherschicht. Diese Scherschicht liegt zwischen den sich in der Brennkammer befindenden, im wesentlichen stationären und heissen Verbrennungsgasen, und dem austretenden, strömenden Gemisch von Brennstoff und Verbrennungsluft. Es liegt nun in der Natur von solchen Scherschichten, dass sich diese irgendwann Aufrollen und Verwirbelungen resultieren. Dieses Aufrollen verläuft derart, dass sich zunächst auf den Scherschichten sogenannte Kelvin-Helmholtz-Wellen ausbilden, deren Wellenkämme quer zur Strömungsrichtung verlaufen, und welche danach zu einer Wirbelbildung führen.Problematic in such burners, and generally in burners, in which a Combustion air flow flows in a similar manner in a combustion chamber, is the Outlet of the combustion air in the combustion chamber. While the combustion air in Burner along the walls of the semi-conical strokes and led by these is, forms in the flow direction of the combustion air behind the leading edge the half-cone immediately a shear layer. This shear layer is between the located in the combustion chamber, substantially stationary and hot Combustion gases, and the exiting, flowing mixture of fuel and combustion air. It is now in the nature of such shear layers that These eventually result in rolling up and swirling. This rolling up runs such that initially on the shear layers so-called Kelvin Helmholtz waves form whose wave crests run transversely to the flow direction, and which then lead to a vortex formation.
Es zeigt sich, dass diese Instabilitäten auf Scherschichten in Kombination mit dem
ablaufenden Verbrennungsprozess hauptverantwortlich für eine wichtige Klasse 1
von von Reaktionsratenschwankungen ausgelösten, thermoakustischen Oszillationen
sind. Diese weitgehend kohärenten Wellen führen bei einem Brenner der obengenannten
Art bei typischen Betriebsbedingungen zu Schwingungen mit Frequenzen
von etwa 100 Hz. Da diese Frequenz mit typischen fundamentalen Eigenmoden von
von vielen Ringbrennern von Gasturbinen zusammenfallen, stellen die thermoakustischen
Oszillationen ein Problem dar.It turns out that these instabilities on shear layers in combination with the
the incipient combustion process is primarily responsible for an
EP-A2-0 851 172 offenbart einen Brenner zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff. Dabei einem Brenner zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff wird die dazu benötigte Verbrennungsluft durch tangentiale Lufteintrittskanäle in einen Innenraum des Brenners geführt. Durch diese Strömungsführung entsteht im Innenraum eine Drallströmung, welche am Ausgang des Brenners eine Rückströmzone induziert. Um die sich dort bildende Flammenfront zu stabilisieren, wird bei jedem den Brenner bildenden Teilkörper mindestens eine Zone vorgesehen, innerhalb welcher Eintrittsöffnungen für die Eindüsung einer Zusatzluft in die Drallströmung vorgesehen sind. Durch diese Eindüsung bildet sich an der Innenwand der Teilkörper einen Film, welcher verhindert, dass die Flamme entlang der Innenwand der Teilkörper in den Innenraum des Brenners zurückschlagen kann.EP-A2-0 851 172 discloses a burner for operating a combustion chamber with a liquid and / or gaseous fuel. In this case, a burner for operating a combustion chamber with a liquid and / or gaseous fuel, the required combustion air passed through tangential air inlet channels in an interior of the burner. By This flow is created in the interior of a swirl flow, which at the output of Burner induces a backflow zone. To stabilize the flame front forming there, At least one zone is provided in each part body forming the burner, within which inlet openings for the injection of additional air into the swirl flow are provided. By this injection forms on the inner wall of the body part Film, which prevents the flame along the inner wall of the part body in the interior of the burner can strike back.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, welches die Ausbildung von kohärenten Strömungsinstabilitäten des Verbrennungsluftstroms nach Austritt in die Brennkammer verhindert.The invention is therefore based on the object a procedure and to provide a burner for carrying out the method, which provides for the formation of coherent flow instabilities of the combustion air flow after exiting into the Combustion chamber prevented.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, indem Störungsluft in den Verbrennungsluftstrom eingedüst wird, wobei die Störungsluft im wesentlichen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Brennstoff-Luft-Gemisches und im wesentlichen parallel zu den Scherschichten, bevorzugt sogar in die Scherschichten, in das Brenntoff-Luft-Gemisch eingedüst wird. Dadurch wird die Ausbildung von Kelvin-Helmholz-Wellen in Strömungsrichtung gezielt im Kern erstickt. Der Kern der Erfindung liegt also darin, dass die eingedüste Störungsluft gezielt das Aufschaukeln von thermoakustischen Oszillationen schon bei deren ursächlicher Bildung verhindert. This object is achieved in a method of the aforementioned Art dissolved by the interference air is injected into the combustion air stream, wherein the interference air substantially perpendicular to a main flow direction of the Fuel-air mixture and substantially parallel to the shear layers, preferably even in the shear layers, into which the fuel-air mixture is injected. Thereby The training of Kelvin Helmholz waves in the direction of flow is aimed at Core smothered. The essence of the invention is therefore that the injected air pollution targeted the Swinging of thermoacoustic oscillations already at their causal Education prevented.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Brenner um einen Doppelkegelbrenner handelt, dass die Eindüsung der Störungsluft durch Störungsdüsen erfolgt, und dass die Störungsluft unmittelbar bei den Vorderkanten der Halbkonusse erfolgt, dort, wo sich die Scherschichten ausbilden. Werden weiterhin bevorzugt die Störungsdüsen gleichmässig in bestimmten Abständen auf den Umfängen der Vorderkanten der Halbkonusse verteilt, so wird die Periodizität der Wellen auf den Scherschichten gestört, was die Verhinderung der thermoakustischen Oszillationen gezielt im Keime ihrer Bildung bewirkt.Another embodiment of the invention is characterized in that it the burner is a double - cone burner, that the injection of the Disturbance air through interference nozzles, and that the disturbance air directly at the leading edges of the half-cones takes place where the shear layers form. Furthermore, it is preferred that the disturbance nozzles be uniform in certain Distributes intervals on the sizes of leading edges of half-cones, becomes so the periodicity of the waves on the shear layers disrupted what the prevention the thermoacoustic oscillations targeted causes in the nucleus of their formation.
Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens und des erfindungsgemässer Brenners ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further embodiments of the inventive method and the burner according to the invention emerge the dependent claims.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
- Fig. 1
- zeigt eine schematische Darstellung einer Scherschicht und die in der Beschreibung verwendeten Grössen inkl. Koordinatensystem;
- Fig. 2
- zeigt den dimensionslosen Wachstumskoeffizienten als Funktion der dimensionslosen Wellenlänge;
- Fig. 3
- zeigt die dimensionslose Wellenzahl mit maximalem Wachstum als Funktion der dimensionslosen transversalen Komponente des Wellenvektors;
- Fig. 4
- zeigt den dimensionslosen Wachstumsfaktor als Funktion der dimensionslosen transversalen Komponente des Wellenvektors; und in
- Fig. 5
- sind schematische Darstellungen eines Doppelkegelbrenners mit Störungsdüsen abgebildet. a) perspektivische Ansicht, b) Schnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung durch Störungsdüse, c) Ansicht von oben, d) Ansicht von vorn.
- Fig. 1
- shows a schematic representation of a shear layer and the sizes used in the description including coordinate system;
- Fig. 2
- shows the dimensionless growth coefficient as a function of the dimensionless wavelength;
- Fig. 3
- shows the dimensionless wavenumber with maximum growth as a function of the dimensionless transverse component of the wave vector;
- Fig. 4
- shows the dimensionless growth factor as a function of the dimensionless transverse component of the wave vector; and in
- Fig. 5
- are schematic representations of a double-cone burner with noise nozzles shown. a) perspective view, b) section perpendicular to the main flow direction through interference nozzle, c) top view, d) front view.
Das Wirkprinzip des geschilderten Ansatzes soll zunächst aufgrund einiger theoretischer Überlegungen rationalisiert und erläutert werden, anschliessend werden die technischen Ausführungsbeispiele geschildert.The working principle of the described approach is initially due to some theoretical Considerations are rationalized and explained, then the technical embodiments described.
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine idealisierte Scherschicht 10, wie sie für die
nachfolgenden Berechnungen vorausgesetzt wird. Die Scherschicht 10 ist von einer
Dicke h, und das Koordinatensystem ist derart gelegt, dass die Achsen x und z in
der Scherschicht liegen, die Achse y senkrecht dazu, und dass die Hauptströmungsrichtung
(longitudinal) entlang x verläuft. Zur Vereinfachung der Rechnungen ist der
Ursprung des Koordinatensystems derart gelegt, dass sich die Dicke der Scherschichten
10 entlang y von -h/2 bis +h/2 erstreckt, und dass sich die in der Figur
oben liegende Schicht mit einer Geschwindigkeit Uo entlang x nach rechts bewegt,
während die in Figur 1 unten dargestellte Schicht sich mit einer Geschwindigkeit -Uo
entlang x nach links bewegt. Übertragen auf die Situation beim Austritt aus einem
Brenner 26 bedeutet das, dass die obere Schicht die austretende Verbrennungsluft
15 mit einer Geschwindigkeit 2 Uo entlang x nach rechts darstellt, und dass die untere
Schicht die idealisiert stationäre Verbrennwugsgase in der Brennkammer repräsentiert. In der
Scherschicht 10 wird ein lineares Geschwindigkeitsprofil entlang y angenommen,
welches die folgende mathematische Form aufweist:
Geht man von varikosen Störungen entlang der Scherschicht 10 aus, und verwendet
nun die Gleichungen für Fluss bei konstantem Volumen (gültig für niedrige Mach-Zahlwerte),
sowie Massen- und Drehmomenterhaltung, so resultiert ein Gleichungssystem
mit folgender, an den Punkten y = ±h/2 stetigen Lösung:
Assuming varicose perturbations along
Dabei ist a der Wachstumsexponent der Störung in 1/s, U 0 die Randgeschwindigkeit
an der Scherschicht 10, k ist die Wellenzahl entlang x und z, definiert als
k 2 = k 2 / x + k 2 / z, und k z ist die Komponente des Wellenvektors entlang z, d.h. in transversaler
Richtung.Where a is the growth exponent of the perturbation in 1 / s, U 0 is the edge velocity at the
Die obige Lösung reduziert sich für den Fall k z → 0 auf den Fall der zweidimensionalen
Kelvin-Helmholtz-Wellen. Trägt man den dimensionslosen Wachstumsexponenten
(linke Seite der obigen Gleichung) für den zweidimensionalen Fall als Funktion
der dimensionslosen Wellenlänge der Kelvin-Helmholtz-Wellen, definiert als
Das bemerkenswerte Resultat des allgemeinen, dreidimensionalen Falls der obigen
Lösung ist nun, dass die Scherschicht 10 stabil ist für alle Werte der x-Komponente
des Wellenvektors k x (in Strömungsrichtung), sofern gilt: |k z h|> 1.278! Es ist mit anderen
Worten so, dass eine genügend starke transversale Welligkeit mit einer transversalen
Wellenlänge λ z , welche der Bedingung λ z < 4.91h genügt, die Ausbildung
von Kelvin-Helmholtz-Wellen verhindern kann. Figur 3 zeigt entsprechend die Norm
des Wellenvektors für grösstes Wachstum als Funktion der dimensionslosen transversalen
Komponente des Wellenvektors. Die zugehörige Beziehung zwischen dem
dimensionslosen Wachstumskoeffizienten und der dimensionslosen transversalen
Komponente des Wellenvektors ist in Figur 4 dargestellt. Wie oben erwähnt zeigt es
sich, dass für |k z h| > 1.278 jegliches Wachstum der longitudinalen Welligkeit unterbunden
ist.The remarkable result of the general, three-dimensional case of the above solution is that the
Die Idee ist nun, zur Verhinderung der Kelvin-Helmholtz-Wellen eine geeignete
transversale Störung in der Scherschicht 10 zu induzieren. Eigentlich müsste zur Berechnung
der idealen Art dieser Störung die Dicke der Scherschicht 10 an der Stelle
der Wellenbrechung berechnet werden. Einfacher ist es aber, sich gleich an den
vorliegenden Verhältnissen der Praxis zu orientieren, und die tatsächlich auftretende
Frequenz der Ablösung der Wirbel, hier mit f bezeichnet, in die Rechnung einzubeziehen.
Da die Wirbel in der Hauptströmungsrichtung x mit der halben Hauptströmungsgeschwindigkeit
propagieren, kann man folgende Beziehung aufstellen:
Nimmt man nun eine für Doppelkegelbrenner 26 eher niedrig angesetzte Strömungsgeschwindigkeit
von U =20 m/s an und eine konservativ hohe Frequenz von
f =125Hz, so erhält man als Abstand zwischen den Störungen
In der Praxis bedeutet dies nun folgendes: Stört man, beispielsweise vermittels Eindüsen
von Störungsluft 22 in transversaler Richtung, d.h. senkrecht zur Hauptströmungsrichtung
und in der Scherschicht 10 unter einer Beabstandung der Störungsdüsen
16 von ca. 5 cm in x Richtung, die Ausbildung von Kelvin-Helmholtz-Wellen in
Strömungsrichtung, so bilden sich auch keine thermoakustischen Oszillationen der
oben angenommenen Frequenz von 125Hz aus.In practice, this now means the following: Disturbing, for example by means of injection
of
Figur 5 zeigt verschiedene Ansichten eines Doppelkegelbrenners 26, anhand derer die
technische Realisierung des oben geschilderten Prinzips gezeigt werden soll. Figur
5a zeigt eine perspektivische Ansicht eines Doppelkegelbrenners 26. Die Verbrennungsluft
14 tritt seitlich durch die Eintrittsschlitze 23 der mit leicht verschobenen
Achsen angeordneten, hohlen Halbkonusse 18 und 21 ein, strömt zum vorderen Ende
des Brenners 26 unter Beschreibung eines leichten Bogens, und tritt nach Passieren
der Vorderkanten 24 der Halbkonusse 18, 21 aus dem Brenner 26 in die Brennkammer 28. Am
verjüngten Ende der Halbkonusse 18, 21 befindet sich ein zylindrischer Teil 20, in
welchem eine Brennstoffdüse 19 angeordnet ist, welche den in diesem Fall flüssigen
Brennstoff zentral zwischen die zwei Halbkonusse 18 und 21 eindüst. Die Verbrennungsluft
14 umhüllt den eingedüsten Brennstoff, und es bildet sich ein Brennstoffkegel,
welcher sich nach vorne hin aufweitet, und welcher als Gemisch 15 von Verbrennungsluft 14 und Brennstoff und Greunstaff nach Austritt in die
Brennkammer 28 bei der Brennermündung 27 in einer Flamme 17 verbrennt.Figure 5 shows various views of a double-
In den Halbkonussen 18, 21 sind nun in regelmässigen Abständen Störungsdüsen
16 unmittelbar bei den Vorderkanten 24 angeordnet. Sie düsen, jede für sich,
Störungsluft 22 senkrecht zur Strömungsrichtung des Gemisches 15 in
as Gewisen 15
von Verbrennungsluft 14 und Brennstoffer. Dies geschieht so, wie in Figur 5b) angedeutet: Die
Störungsdüsen 16, welche von Leitungen 25 versorgt werden, düsen die Störungsluft
22 unter flachem Winkel unter die Halbkonusse 18, 21. Dies unmittelbar bei den Vorderkanten
24, so dass die Störungsluft 22 im wesentlichen parallel zu oder sogar in die sich hinter der
Kante bildende Scherschicht 10 zwischen dem Gemisch 15 und den im
wesentlichen stationären Verbrennungsgasen in der Brennkammer 28 einströmt. Die Eindüsung erfolgt
senkrecht zur Richtung der Stömungsrichtung des Gemisches 15 (Kreis mit Punkt in der
Mitte steht für einen Pfeil, der nach oben gerichtet aus der Papierebene herausschaut)
und erzeugt deshalb die von der Theorie geforderte Störung in der Scherschicht
10.In the half-
Figur 5c) zeigt eine Ansicht von oben auf den Doppelkegelbrenner 26. Hier ist die
Beabstandung der Stördüsen 16 gut nachvollziehbar. Die transversale Störung
muss, damit die im obigen Zahlenbeispiel genannten 5cm als Wellenlänge λ z resultiert,
so erfolgen, dass die Störungsdüsen 16 Störungsluftströme erzeugen, welche
in x-Richtung, d.h. in Strömungsrichtung des Gemisches 15 µm
5cm auseinanderliegen. Figur 5d) zeigt eine schematische Frontansicht eines Doppelkegelbrenners
26. Wiederum erkennbar ist das orthogonale Ineinanderströmen
des Gemisches 15 und der störluft 22. Es ist wichtig, das die eingedüste Strömungsluft 22 keine
starken, nach innen gerichteten Komponenten aufweist, damit das Gemisch 15
nicht gestört wird. Ausserdem muss der Totaldruck der Eindüsung der Störungsluft
22 wenigstens so gross sein, wie der Totaldruck des vorbeiströmenden Gemisches
15, damit sich überhaupt signifikante transversale Störungen ausbilden
können. FIG. 5c) shows a view from above onto the double-
- 1010
- Scherschichtshear layer
- 1111
- Maximum des dimensionslosen WachstumskoeffizientenMaximum of the dimensionless growth coefficient
- 1212
- Bereich ohne WachstumArea without growth
- 1313
- Bereich mit WachstumArea with growth
- 1414
- Verbrennungsluftcombustion air
- 1515
-
Gemisch von Verbrennungsluft 14 und BrennstoffMixture of
combustion air 14 and fuel - 1616
- Störungsdüsenfault nozzles
- 1717
- Flammeflame
- 1818
- erster Halbkonusfirst half cone
- 1919
- Brennstoffdüsefuel nozzle
- 2020
-
zylindrischer Teil des Brenners 26cylindrical part of the
burner 26 - 2121
- zweiter Halbkonussecond half cone
- 2222
- Störungsluftfault air
- 2323
- Eintrittsschlitzentry slot
- 2424
-
Vorderkante des Halbkonus 18, 21Leading edge of the
18, 21half cone - 2525
-
Leitung zu Störungsdüse 16Line to
fault nozzle 16 - 2626
- Brenner, DoppelkegelbrennerBurner, double cone burner
- 2727
- Brennermündungburner mouth
- 2828
- Brennkammercombustion chamber
Claims (5)
- Method of operating a premix burner (26) which consists of hollow half cones (18, 21) arranged offset, in whicha combustion-air flow (14) is injected tangentially via at least two inlet slots (23) formed by the half cones,a fuel is injected centrally and/or a gaseous fuel is injected into the combustion-air flow entering transversely,the combustion-air flow (14) is mixed with fuel inside the burner (26), and the forming fuel/air mixture (15) is transported into a combustion chamber (28) following the burner (26),in which combustion chamber (28) the fuel/air mixture (15) is burned, with hot gases being formed,coherent flow instabilities forming after discharge of the fuel/air mixture (15) into the combustion chamber (28) as a result of a shear layer (10) between the discharging mixture (15) and the hot gases in the combustion chamber (28), anddisturbance air (22) being injected into the fuel/air mixture (15),
- Premix burner for carrying out the method,the premix burner (26) consisting of hollow half cones (18, 21) which are arranged offset and which form at least two inlet slots (23) for the combustion air (14),the half cones (18, 21) being defined on the combustion-chamber side by leading edges (24),a cylindrical part (20) with a fuel nozzle being arranged at the narrowed end of the half cones (18, 21),the half cones (18, 21) having disturbance nozzles (16) for injecting disturbance air,the disturbance nozzles (16) are incorporated directly in front of the leading edges (24) of the half cones (18, 21) in such a way that they inject disturbance air (22), perpendicularly to the main flow direction of a fuel/air mixture (15) discharging into the combustion chamber (28), into the shear layer (10) forming downstream of the leading edges (24) and essentially parallel to this shear layer.
- Premix burner according to Claim 2, characterized in that a multiplicity of disturbance nozzles (16) are arranged, and in that the disturbance nozzles (16) are distributed uniformly over the circumferences of the half cones (18, 21).
- Premix burner according to Claim 3, characterized in thatthe uniform spacing of the disturbance nozzles (16) is selected in such a way that it is equal to or less than a critical value, and in thatthis critical value is obtained form the flow velocity of the combustion air and the frequency, occurring at the burner without disturbance nozzles (16), of the coherent flow instabilities of the fuel/air mixture (15),in such a way that the critical value is obtained as quotient, multiplied by 0.312, of the flow velocity of the combustion air (15) and the frequency, occurring at the burner without disturbance nozzles (16), of the coherent flow instabilities of the combustion-air flow (15).
- Premix burner according to Claim 4, characterized in that, at a frequency, occurring at the premix burner (26) without disturbance nozzles (16), of the coherent flow instabilities of the combustion-air flow (15) within the range of 100 to 125 Hz and a flow velocity of the combustion air (15) within the range of 20 to 30 m/s, the disturbance nozzles (16) on the half cones (18, 21) have a spacing within the range of 3 to 5 cm, in particular within the range of 4.5 to 5 cm.
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