EP0994300A1

EP0994300A1 - Brenner für den Betrieb eines Wärmeerzeugers

Info

Publication number: EP0994300A1
Application number: EP98811023A
Authority: EP
Inventors: Hans Peter Knöpfel; Thomas Ruck
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2000-04-19
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: US6152726A; EP0994300B1; DE59810284D1

Abstract

Bei einem Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, welcher Brenner im wesentlichen besteht aus einem Drallerzeuger (100) für einen Verbrennungsluftstrom (115), aus Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes (112, 116) in den Verbrennungsluftstrom, aus einer Anzahl Uebergangskanäle (201) zur Ueberführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in ein stromab dieser Uebergangskanäle nachgeschaltetes Mischrohr (20), wird im unteren Bereich dieses Mischrohres (20) ein Pilotbrennersystem (300) angeordnet ist, wobei das Pilotbrennersystem (300) in Wirkverbindung mit endseitig des Mischrohres (20) angeordneten Wirbelgeneratoren (400) steht. Das Zusammenwirken zwischen Pilotbrennersystem und Wirbelgeneratoren sorgt für eine Maximierung der Flammenstabilität im Brennraum (30) und eine allgemeine Minimierung der Schadstoff-Emissionen, unter Vergrösserung des Lastbereiches bei tiefen Schadstoffen zu kleinen Lasten hin. <IMAGE> <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Brenner für den Betrieb eines Wärmeerzeugers gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Aus EP-0 780 629 A2 ist ein Brenner bekanntgeworden, der anströmungsseitig aus einem Drallerzeuger besteht, wobei die hierin gebildete Drallströmung nahtlos in eine Mischstrecke übergeführt wird. Dies geschieht anhand einer am Anfang der Mischstrecke zu diesem Zweck gebildeten Strömungssgeometrie, welche aus Uebergangskanälen besteht, die sektoriell, entsprechend der Zahl der tangential wirkenden Einströmungskanäle oder Einströmungsschlitze dieses Drallerzeugers, die Stirnfläche der Mischstrecke bilden und in Strömungsrichtung drallförmig verlaufen. Abströmungsseitig dieser Uebergangskanäle weist die verbleibende Mischstrecke eine Anzahl Filmlegungsbohrungen auf, durch welche eine Luftmenge in die Mischstrecke strömt und dadurch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Rohrwand induzieren. Anschliessend folgt eine Brennkammer, wobei der Uebergang zwischen der Mischstrecke und der Brennkammer durch einen Querschnittssprung gebildet wird, in dessen Ebene sich eine Rückströmzone oder Rückströmblase bildet.

Die Drallstärke im Drallerzeuger wird denmach so gewählt, dass das Aufplatzen des Wirbeis nicht innerhalb der Mischstrecke geschieht, sondern weiter stromab erfolgt, wie oben ausgeführt, im Bereich des Querschnittssprunges. Die Länge der Mischstrecke ist so dimensioniert, dass eine ausreichende Vormischungsgüte für alle zum Einsatz gelangenden Brennstoffarten gewährleistet ist.

Obschon dieser Brenner gegenüber denjenigen aus dem vorangegangenen Stand der Technik hinsichtlich Stärkung der Flammenstabilität, tieferer Schadstoff-Emissionen, geringerer Pulsationen, vollständigen Ausbrandes, grossen Betriebsbereichs, guter Querzündung zwischen den verschiedenen Brennern, kompakter Bauweise, verbesserter Mischung, etc., einen Qualitätssprung darstellt, zeigt es sich, dass sich in den transienten Bereichen und bei Teillast Instabilitäten einschleichen können. Dies hängt insbesondere damit zusammen, dass im Zusammenwirken des Brenners mit einem Pilotbrennersystem dieser Brenner im Bereich um 50% Teillast nahe der mageren Löschgrenze betrieben wird. Hierbei wird die Flamme instabiler und es kann zu Löschpulsationen kommen, d.h. durch Brennkammerschwingungen wird ein Erlöschen der Flamme verursacht. Zwar ist es richtig, dass hiergegen mit einer geringen Menge Pilotgas eine Stabilisierung erreicht werden kann, indessen erhöhen sich dadurch die Schadstoff-Emissionen drastisch.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der eingangs genannten Art Vorkehrungen vorzuschlagen, welche eine Stärkung der Flammenstabilität zwecks Erzielung eines nachhaltigen stabilen Betriebes, insbesondere in den transienten Lastbereichen, gewährleisten, immer unter Wahrnehmung der weiteren Aufgabenstellung, welche das Ziel verfolgt, die Schadstoff-Emissionen aus einem solchen Betrieb zu minimieren und daher den Teilbereich zu speziell zu tieferen Teillasten zu vergrössern.

Zu diesem Zweck wird der Brenner derart erweitert, dass im Bereich des Ueberganges der Mischstrecke zum nachgeschalteten Brennraum ein System zur Bereitstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches vorgesehen wird, das allgemein als Pilotstufe fungiert. Darüber hinaus werden in diesem Bereich Wirbelgeneratoren vorgesehen, welche an der Aussenseite der Hauptströmung des Brenners während des Betriebes sogenannte Wirbelzöpfe produzieren.

Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemässen Gegenstandes sind darin zu sehen, dass die Pilotbrenner mit einem geringen Brennstoffanteil betrieben werden, und in Wirkverbindung mit den Wirbelgeneratoren wird durch eine bessere Durchmischung des Brennerbrennstoffes mit dem umgebenden Heissgas eine Stabilität der Vormischverbrennung nahe der mageren Löschgrenze erreicht. Wird der Brennstoff des Pilotbrenners in die durch die Wirbelgeneratoren erzeugten Wirbelzöpfe eingedüst, so wird damit die Durchmischung erheblich verbessert und die Schadstoff-Emissionen stark reduziert. Demnach, unter Vergrösserung des Lastbereiches bei tiefen Schadstoffen wird eine Erweiterung zu kleinen Lasten hin erzielt.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Bezeichnung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1: einen als Vormischbrenner ausgelegten Brenner mit einer Mischstrecke stromab eines Drallerzeugers, mit einer schematisierten Darstellung eines Pilotbrennstoffkanals im Bereich einer Abrisskante,
Fig. 2: eine schematisierte Darstellung des Brenners gemäss Fig. 1 mit zusätzlichen kopfseitig angeordneten Brennstoff-Injektoren,
Fig. 3: einen aus mehreren Schalen bestehenden Drallerzeuger in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,
Fig. 4: einen Querschnitt durch einen zweischaligen Drallerzeuger,
Fig. 5: einen Querschnitt durch einen vierschaligen Drallerzeuger,
Fig. 6: einen Querschnitt durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind,
Fig. 7: eine Ausgestaltung der Uebergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und Mischstrecke,
Fig. 8: eine Abrisskante zur räumlichen Stabilisierung der Rückströmzone,
Fig. 9: eine schematisierte Darstellung der endseitigen Ausbildung der Mischstrecke und der dort ausgebildeten Wirbelgeneratoren,
Fig. 10-12: Verschiedene Ansichten der Konfiguration der Wirbelgeneratoren.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners. Kopfseitig dieses Brenners wirkt ein Drallerzeuger 100, dessen Ausgestaltung in den nachfolgenden Fig. 3-6 noch näher gezeigt und beschrieben wird. Es handelt sich hierbei um einen kegelförmig ausgebildeten Drallerzeuger 100, der mehrfach von einem tangential ins Innere einströmenden Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich hierein bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100 wirksamen Uebergangsgeometrie 200 nahtlos in eine Mischstrecke übergeleitet, dergestalt, dass entlang dieser Mischstrecke keine Ablösungsgebiete auftreten. Die Konfiguration dieser Uebergangsgeometrie 200 wird unter Fig. 6 näher gezeigt und beschrieben. Diese Mischstrecke 220 selbst besteht aus dem genannten Uebergangsstück 200 und stromab davon aus einem Mischrohr 20 verlängert. Selbstverständlich kann die Mischstrecke 220 aus einem einzigen Stück bestehen: In einem solchen Fall bilden Uebergangsstück 200 und das Mischrohr 20 ein einziges zusammenhängendes Gebilde, wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Uebergangsstück 200 und Mischrohr 20 aus zwei Teilen erstellt, so sind diese durch einen Buchsenring 10 verbunden, wobei der gleiche Buchsenring 10 kopfseitig als bauseitige Verankerungsfläche für den Drallerzeuger 100 dient. Ein solcher Buchsenring 10 hat darüber hinaus den Vorteil, dass verschiedene Mischrohre eingesetzt werden können. Abströmungsseitig des Mischrohres 20 befindet sich der eigentliche Brennraum 30 einer Brennkammer, welche hier lediglich durch ein Flammrohr versinnbildlicht ist. Die Mischstrecke 220 erfüllt weitgehend die Aufgabe, dass stromab des Drallerzeugers 100 eine definierte Strecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung mit den eingesetzten Brennstoffen stattfinden kann. Innerhalb der Mischstrecke 220, also innerhalb des Mischrohres 20 und in Wirkverbindung mit dem stromauf angeordneten Uebergangsstück 200, bildet sich eine verlustfreie Strömung, so dass hier zunächstt keine Rückströmzone oder Rückströmblase entstehen, womit über die ganze Länge der Mischstrecke 220 auf die Mischungsgüte der eingedüsten Brennstoffe Einfluss ausgeübt werden kann. Diese Mischstrecke 220 entfaltet aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, dass in ihr selbst das Axialgeschwindigkeitsprofil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so dass eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer ins Innere des Brenners nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, dass bei einer solchen Konfiguration die Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr 20 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl regelmässig oder unregelmässig verteilter Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 20 strömt, und entlang der Wand im Sinne einer Filmlegung eine Erhöhung der Durchflussgeschwindigkeit induzieren. Diese Bohrungen 21 können darüber hinaus auch so ausgelegt werden, dass sich an der Innenwand des Mischrohres 20 mindestens zusätzlich noch eine Effusionskühlung einstellt. Eine andere Möglichkeit eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Gemisches innerhalb des Mischrohres 20 zu erzielen, besteht darin, dass dessen Durchflussquerschnitt abströmungsseitig der zum Uebergangsstück 200 gehörigen Uebergangskanäle 201, welche die bereits genannten Uebergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 20 angehoben wird. In der Figur verlaufen die genannten luftdurchströmten Bohrungen 21 unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse 60. Des weiteren entspricht der Auslauf der Uebergangskanäle 201 dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 20. Die genannten Uebergangskanäle 201 überbrücken demnach den jeweiligen Querschnittsunterschied in Strömungsrichtung, ohne dabei die gebildete Strömung negativ zu beeinflussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung 40 entlang des Mischrohres 20 einen nicht tolerierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende dieses Mischrohres 20 ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 20 schliesst sich sodann eine Brennkammer 30 (Brennraum) an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten ein durch eine Brennerfront 70 gebildeter Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Flammenfront mit einer Rückströmzone 50, welche gegenüber der Flammenfront die Eigenschaften eines körperlosen Flammenhalters entfaltet. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmässige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone 50. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, dass die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 50 auch eine ausreichend hohe Drallzahl in einem Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen am Rohrende, beispielsweise durch tangentiale Oeffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, dass die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge beträgt. Was die Ausgestaltung der Brennerfront 70 am Ende des Mischrohres 20 zur Stabilisierung der Rückströmzone oder Rückströmblase 50 sowie der Flammenfront betrifft, wird auf die Beschreibung der Fig. 8-12 verwiesen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht des Brenners gemäss Fig. 1, wobei hier insbesondere auf die Umspülung einer zentral angeordneten Brennstoffdüse 103 und auf die Wirkung von Brennstoff-Injektoren 170 hingewiesen wird. Die Wirkungsweise der restlichen Hauptbestandteile des Brenners, nämlich Drallerzeuger 100 und Uebergangsstück 200 werden unter den nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Die Brennstoffdüse 103 wird mit einem beabstandeten Ring 190 ummantelt, in welchem eine Anzahl in Umfangsrichtung disponierter Bohrungen 161 gelegt sind, durch welche eine Luftmenge 160 in eine ringförmige Kammer 180 strömt und dort die Umspülung der Brennstofflanze vornimmt. Diese Bohrungen 161 sind schräg nach vorne angelegt, dergestalt, dass eine angemessene axiale Komponente auf der Brennerachse 60 entsteht. In Wirkverbindung mit diesen Bohrungen 161 sind zusätzliche Brennstoff-Injektoren 170 vorgesehen, welche eine bestimmte Menge vorzugsweise eines gasförmigen Brennstoffes in die jeweilige Luftmenge 160 eingeben, dergestalt, dass sich im Mischrohr 20 eine gleichmässige Brennstoffkonzentration 150 über den Strömungsquerschnitt einstellt, wie die Darstellung in der Figur versinnbildlichen will. Genau diese gleichmässige Brennstoffkonzentration 150, insbesondere die starke Konzentration auf der Brennerachse 60 sorgt dafür, dass sich eine Stabilisierung der Flammenfront am Ausgangs des Brenners einstellt, womit aufkommende Brennkammerpulsationen vermieden werden.

Um den Aufbau des Drallerzeugers 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 3 mindestens Fig. 4 herangezogen wird. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 3 nach Bedarf auf die übrigen Figuren hingewiesen.

Der erste Teil des Brenners nach Fig. 1 bildet den nach Fig. 3 gezeigten Drallerzeuger 100. Dieser besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Anzahl der kegelförmigen Teilkörper kann selbstverständlich grösser als zwei sein, wie die Figuren 5 und 6 zeigen; dies hängt jeweils, wie weiter unten noch näher zur Erläuterung kommen wird, von der Betriebsart des ganzen Brenners ab. Es ist bei bestimmten Betriebskonstellationen nicht ausgeschlossen, einen aus einer einzigen Spirale bestehenden Drallerzeuger vorzusehen. Die Versetzung derjeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 101b, 102b (Vgl. Fig. 4) der kegeligen Teilkörper 101,102 zueinander schafft bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Kanal, d.h. einen Lufteintrittsschlitz 119, 120 (Vgl. Fig. 4), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Drallerzeugers 100, d.h. in den Kegelhohlraum 114 desselben strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101,102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen ringförmigen Anfangsteil 101a auf. Im Bereich dieses zylindrischen Anfangsteils ist die bereits unter Fig. 2 erwähnte Brennstoffdüse 103 untergebracht, welche vorzugsweise mit einem flüssigen Brennstoff 112 betrieben wird. Die Eindüsung 104 dieses Brennstoffes 112 fällt in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraumes 114 zusammen. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Brennstoffdüse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, angeordnet, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Bei dem durch die Brennstoffdüse 103 herangeführten Brennstoff 112 handelt es sich, wie erwähnt, im Normalfall um einen flüssigen Brennstoff, wobei eine Gemischbildung mit einem anderen Medium, beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas, ohne weiteres möglich ist. Dieser Brennstoff 112 wird unter einem vorzugsweise sehr spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Brennstoffdüse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffspray 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen und abgebaut wird. In axialer Richtung wird sodann die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer Vermischung Richtung Verdampfung abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 113 über die Oeffnungsdüsen 117 eingebracht, geschieht die Bildung des Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 119, 120. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt, oder beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas oder Abgas angereichert, so unterstützt dies nachhaltig die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112, bevor dieses Gemisch in die nachgeschaltete Stufe strömt, hier in das Uebergangsstück 200 (Vgl. Fig. 1 und 7). Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 flüssige Brennstoffe zugeführt werden sollten. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich des Kegelwinkels und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 am Ausgang des Drallerzeugers 100 einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die schnellere Bildung einer Rückströmzone bereits im Bereich des Drallerzeugers begünstigt. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Drallerzeugers 100 lässt sich durch eine entsprechende unter Fig. 2 (Pos. 160) näher beschriebene Zuführung einer Luftmenge erhöhen bzw. stabilisieren. Eine entsprechende Drallerzeugung in Wirkverbindung mit dem nachgeschalteten Uebergangsstück 200 (Vgl. Fig. 1 und 7) verhindert die Bildung von Strömungsablösungen innerhalb des dem Drallerzeuger 100 nachgeschalteten Mischrohr. Die Konstruktion des Drallerzeugers 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Drallerzeugers 100 eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 101, 102 auch in einer anderen Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Ueberlappung derselben vorgesehen werden kann. Es ist des weiteren möglich, die Teilkörper 101, 102 durch eine gegenläufig drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln. Somit ist es möglich, die Form, die Grösse und die Konfiguration der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 beliebig zu variieren, womit der Drallerzeuger 100 ohne Veränderung seiner Baulänge universell einsetzbar ist.

Aus Fig. 4 geht unter anderen die geometrische Konfiguration von wahlweise vorzusehenden Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungsrichtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Oeffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 dynamisch verändert werden soll, beispielsweise um eine Aenderung der geschwindigkeit der Verbrennungsluft 115 zu erreichen. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmässige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden.

Fig. 5 zeigt gegenüber Fig. 4, dass der Drallerzeuger 100 nunmehr aus vier Teilkörpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen zu jedem Teilkörper sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Konfiguration ist zu sagen, dass sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringeren Drallstärke und im Zusammenwirken mit einer entsprechend vergrösserten Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungsseitig des Drallerzeugers im Mischrohr zu verhindern, womit das Mischrohr die ihm zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.

Fig. 6 unterscheidet sich gegenüber Fig. 5 insoweit, als hier die Teilkörper 140, 141, 142, 143 eine Schaufelprofilform haben, welche zur Bereitstellung einer gewissen Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Drallerzeugers die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Verbrennungsluftstromes 115 geschieht aus dem Innern der Schaufelprofile heraus, d.h. die Brennstoffleitung 108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert.

Auch hier sind die Längssymmetrieachsen zu den einzelnen Teilkörpern mit der Buchstabe a gekennzeichnet.

Fig. 7 zeigt das Uebergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Uebergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100 mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 5 oder 6, aufgebaut. Dementsprechend weist die Uebergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper vier Uebergangskanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche der genannten Teilkörper verlängert wird, bis sie die Wand des Mischrohres schneidet. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als den unter Fig. 3 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung verlaufende Fläche der einzelnen Uebergangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, dass sich vorliegend der Durchflussquerschnitt des Uebergangsstückes 200 in Strömungsrichtung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Uebergangskanäle 201 in Strömungsrichtung ist so gewählt, dass der Rohrströmung anschliessend bis zum Querschnittssprung am Brennkammereintritt noch eine genügend grosse Strecke verbleibt, um eine perfekte Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerkstelligen. Ferner erhöht sich durch die oben genannten Massnahmen auch die Axialgeschwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeugers. Die Uebergangsgeometrie und die Massnahmen im Bereich des Mischrohres bewirken eine deutliche Steigerung des Axialgeschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt des Mischrohres hin, so dass der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegengewirkt wird.

Fig. 8 zeigt die bereits angesprochene Abrisskante, welche am Brenneraustritt gebildet ist, wobei die Pilotbrenner in den folgenden Fig. 9-12 näher gezeigt werden. Der Durchflussquerschnitt des Rohres 20 erhält in diesem Bereich einen Uebergangsradius R, dessen Grösse grundsätzlich von der Strömung innerhalb des Rohres 20 abhängt. Dieser Radius R wird so gewählt, dass sich die Strömung an die Wand anlegt und so die Drallzahl stark ansteigen lässt. Quantitativ lässt sich die Grösse des Radius R so definieren, dass dieser > 10% des Innendurchmessers d des Rohres 20 beträgt. Gegenüber einer Strömung ohne Radius vergrössert sich nun die Rückströmblase 50 gewaltig. Dieser Radius R verläuft bis zur Austrittsebene des Rohres 20, wobei der Winkel β zwischen Anfang und Ende der Krümmung < 90° beträgt. Entlang des einen Schenkels des Winkels β verläuft die Abrisskante A ins Innere des Rohres 20 und bildet somit eine Abrissstufe S gegenüber dem vorderen Punkt der Abrisskante A, deren Tiefe > 3 mm beträgt. Selbstverständlich kann die hier parall zur Austrittsebene des Rohres 20 verlaufende Kante anhand eines gekrümmten Verlaufs wieder auf Stufe Austrittsebene gebracht werden. Der Winkel β', der sich zwischen Tangente der Abrisskante A und Senkrechte zur Austrittsebene des Rohres 20 ausbreitet, ist gleich gross wie Winkel β. Die Vorteile dieser Ausbildung dieser Abrisskante gehen aus EP-0 780 629 A2 unter Dem Kapitel "Darstellung der Erfindung" hervor. Eine weitere Ausgestaltung der Abrisskante zum selben Zweck lässt sich mit brennkammerseitigen torusähnlichen Einkerbungen erreichen. Diese Druckschrift ist einschliessend des dortigen Schutzumfanges was die Abrisskante betrifft ein integrierender Bestandteil vorliegender Beschreibung.

Fig. 9 zeigt in schematisierter Darstellung ein Pilotbrennersystem 300 und eine mit diesem in Wirkverbindung stehende Konfiguration von Wirbelgeneratoren 400. Die hier ersichtliche Kammer 302 verläuft ringförmig innerhalb des entsprechenden Abschnittes des Mischrohres 20. Die Eindüsung eines Brennstoffes in die Heissgase geschieht durch eine Anzahl Düsen 301, welche um den Brennraum 30 herum angeordnet sind. Diese Eindüsung steht in Wirkverbindung mit den einzelnen in Umfangsrichtung angeordneten Wirbelgeneratoren resp. mit den von diesen gebildeten Wirbelzöpfen 401. Die Ausgestaltung sowohl des Pilotbrennersystems 300 als auch der Wirbelgeneratoren 400 geht aus den nachfolgenden Fig. 10-12 näher hervor.

Fig. 10 zeigt ein Gesamtbild des endseitigen Teils des Mischrohres 20, in welchem das Pilotbrennersystem und die Wirbelgeneratoren untergebracht sind, wobei dieser Teil als applizierbar ausgestaltet ist, wie beispielsweise die Befestigungsbohrungen andeuten. Endseitig und brennraumseitig dieses Teils sind innerhalb der Abrisskante (Vgl. Fig. 8) in Umfangsrichtung verteilt eine Anzahl von Einschnitten 402 vorgesehen, welche im Verbund mit der Gasströmung innerhalb des Mischrohres als Wirbelgeneratoren wirken. Diese Einschnitte sind, was ihre Grösse, Anzahl in Umfangsrichtung und ihren Verlauf betrifft, verschiedenartig ausgebildet, je nachdem wie gross, wie stark und wie gerichtet die daraus entstehenden Wirbelzöpfe (Vgl. Fig. 9, Pos. 401) ausfallen sollen, damit das angestrebte Ziel erreicht werden kann. Durch die Eindüsung des Brennstoffes in die entsprechend qualitativ ausgebildeten Wirbelzöpfe wird die Durchmischung erheblich verbessert und die Schadstoff-Emissionen stark reduziert. Darüber hinaus, die im Bereich der Wirbelgeneratoren 402 sich bildenden Flammenfront und Rückströmzone (Vgl. Fig. 1) werden durch diese Eindüsung des Brennstoffes, gepaart mit den dort sich bildenden Wirbelzöpfen (Vgl. Fig. 9, Pos. 401) sowie in Wirkverbindung mit der Abrisskante (Vgl. Fig. 8), stark stabilisiert, wobei diese Stabilisierung bis nahe der mageren Löschgrenze reicht. Die Ausgestaltung der Wirbelgeneratoren beschränkt sich nicht auf die hier gezeigte Ausführung. Statt Einschnitte lässt sich die angestrebte Verwirbelung auch durch Aufsetzung geeigneter Formen im Endbereich des Mischrohres erzielen.

Fig. 11 und 12 zeigen die als Wirbelgeneratoren wirkenden Einschnitte 402 aus verschiedenen Ansichten. Die hier gezeigten Einschnitte verlaufen entlang der Hinterseite der Abrisskante mit zunehmender Einschnittiefe, und bilden in etwa eine halbkegelstumpfförmige Bahn. Der Verlauf dieser Bahn ist dabei gegenüber der Mittelachse des Mischrohres schräg bis schräg-radial angelegt, wie dies aus Fig. 12 hervorgeht. Der Verlauf dieser Einschnitte richtet sich nach der Qualität der zu bildenden Wirbelzöpfe. Die Richtung 303 der Eindüsung des Brennstoffes durch die Düsen 301 richtet sich nach dem zu erzielenden Pilotierungseffekt; vorzugsweise wird diese Brennstoffeindüsung gegenüber der Hauptströmung im Mischrohr tangential gehalten, wie dies aus Fig. 12 hervorgeht, wobei der Grad der tangentialen Brennstoffeindüsung von Fall zu Fall ausgelegt wird. Die Speisung des Pilotbrennersystems 300 mit Brennstoff lässt sich durch eine innere Zuleitung durch das Mischrohr erzielen, oder von aussen Brennstoff in die Kammer 302 fördert.

Bezugszeichenliste

10: Buchsenring
20: Mischrohr, Teil der Mischstrecke 220
21: Bohrungen, Oeffnungen
30: Brennkammer, Brennraum
40: Strömung, Rohrströmung im Mischrohr, Hauptströmung
50: Rückströmzone, Rückströmblase
60: Brennerachse
100: Drallerzeuger
101, 102: Kegelförmige Teilkörper
101a: Ringförmiger Anfangsteil
101b, 102b: Längssymmetrieachsen
103: Brennstoffdüse
104: Brennstoffeindüsung
105: Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)
108, 109: Brennstoffleitungen
112: Flüssiger Brennstoff
113: Gasförmiger Brennstoff
114: Kegelhohlraum
115: Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)
116: Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen 108, 109
117: Brennstoffdüsen
119, 120: Tangentiale Lufteintrittsschlitze
121a, 121b: Leitbleche
123: Drehpunkt der Leitbleche
130, 131, 132, 133: Teilkörper
131a, 131a, 132a, 133a: Längssymmetrieachsen
140, 141, 142, 143: Schaufelprofilförmige Teilkörper
140a, 141a, 142a, 143a: Längssymmetrieachsen
150: Brennstoffkonzentration
160: Luftmenge, Mischluft
161: Bohrungen, Oeffnungen
170: Brennstoff-Injektoren
180: Ringförmige Luftkammer
190: Ring
200: Uebergangsstück, Teil der Mischstrecke 220
201: Uebergangskanäle
220: Mischstrecke
300: Pilotbrennersystem
301: Brennstoffdüse
302: Kammer
303: Brennstoffeindüsung
400: Wirbelgeneratoren
401: Wirbelzöpfe
402: Einschnitte
A: Abrisskante
R: Radius
S: Abrissstufe
T: Tangente
d: Innendurchmesser des Rohres (Mischrohres 20)
β, β': Winkel

Claims

Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, wobei der Brenner im wesentlichen aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom, aus Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom besteht, wobei stromab des Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet ist, welche innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung eine Anzahl Uebergangskanäle zur Ueberführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in ein stromab dieser Uebergangskanäle nachgeschaltetes Mischrohr aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Bereich des Mischrohres (20) ein Pilotbrennersystem (300) angeordnet ist, und dass das Pilotbrennersystem (300) in Wirkverbindung mit endseitig des Mischrohres (20) angeordneten Wirbelgeneratoren (400) steht.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoff (303) von dem Pilotbrennersystem (300) in die von den Wirbelgeneratoren (400) gebildete Verwirbelung (401) eindüsbar ist.
Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (303) tangential gegenüber der Hauptströmung im Mischröhr (20) eindüsbar ist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelgeneratoren (400) aus einer Anzahl endseitig und in Umfangsrichtung des Mischrohres (20) angebrachter Einschnitte (402) bestehen.
Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschnitte (402) gegenüber dem Strömungsquerschnitt des Mischrohres (20) schräg bis schräg-radial verlaufen.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerfront des Mischrohres (20) zur nachgeschalteten Brennraum (30) mit einer Abrisskante (A) ausgebildet ist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Uebergangskanäle (201) in der Mischstrecke (220) der Anzahl der vom Drallerzeuger (100) gebildeten Teilströme entspricht.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Uebergangskanälen (201) nachgeschaltete Mischrohr (20) in Strömungs- und Umfangsrichtung mit Oeffnungen (21) zur Eindüsung eines Luftstromes ins Innere des Mischrohres (20) versehen ist.
Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen (21) unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse (60) des Mischrohres (20) verlaufen.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt des Mischrohres (20) stromab der Uebergangskanäle (201) kleiner, gleich gross oder grösser als der Querschnitt der im Drallerzeuger (100, 100a) gebildeten Strömung (40) ist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Mischstrecke (220) eine Brennkammer (30) angeordnet ist, dass zwischen der Mischstrecke (220) und der Brennkammer (30) ein Querschnittssprung vorhanden ist, der den anfänglichen Strömungsquerschnitt der Brennkammer (30) induziert, und dass im Bereich dieses Querschnittssprunges eine Rückströmzone (50) wirkbar ist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Brennerfront (70) ein Diffusor und/oder eine Venturistrecke vorhanden ist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102; 130, 131, 132, 133: 140, 141, 142, 143) besteht, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen (101b, 102b; 130a, 131a, 132a, 133a; 140a, 141a, 142a, 143a) dieser Teilkörper gegeneinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstromes (115) bilden, und dass im von den Teilkörpern gebildeten Innenraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103 wirkbar ist.
Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.
Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (140, 141, 142, 143) im Querschnitt eine schaufelförmige Profilierung aufweisen.
Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper in Strömungsrichtung einen festen Kegelwinkel, oder eine zunehmende Kegelneigung, oder eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.
Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper spiralförmig ineinandergeschachtelt sind.