EP1141628B1

EP1141628B1 - Brenner zum betrieb eines wärmeerzeugers

Info

Publication number: EP1141628B1
Application number: EP99959164A
Authority: EP
Inventors: Klaus DÖBBELING
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2019-12-21
Also published as: AU1646000A; WO2000039503A1; EP1141628A1; US6702574B1; DE19859829A1; DE59912077D1

Abstract

Bei einem Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, welcher im wesentlichen aus einem Drallerzeuger (100) für einen Verbrennungsluftstrom (115) und aus Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom (115) besteht, ist stromab dieses Drallerzeugers (100) eine Mischstrecke (20) angeordnet, welche Mischstrecke (20) innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung eine Anzahl Kanäle in einem Übergangsstück (200) zur Überleitung einer im Drallerzeuger (100) gebildeten Strömung in ein stromab dieses Übergangsstück (200) nachgeschaltetes Mischrohr (20) aufweist. Stromab dieses Mischrohres (20) ist ein Brennraum (30) angeordnet. Der Drallerzeuger (100) ist in einen in sich abgeschlossenen und von dem Verbrennungsluftstrom (115) beaufschlagten Einströmungsquerschnitt (10) integriert.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers gemäss Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs. Ein solcher Brenner ist aus EP 0 797 051 A2 bekannt.

Stand der Technik

Um hohe Wirkungsgrade und hohe Leistungsdichten zu erreichen, wird für moderne Gasturbinen das Prinzip der gestuften Verbrennung eingesetzt. Dabei wird in einer ersten Hochdruck-Brennkammer, vorzugsweise mit Vormischbrennern (vgl. EP-0 321 809 B1) ausgerüstet, ein Heissgas erzeugt, welches nach einer Teilentspannung in einer ersten Hochdruckturbine in eine zweite Brenn-kammer (Reheat-Brennkammer) strömt, in welcher das teilentspannte Heissgas wieder auf die maximale Turbinen-Eintrittstemperatur erhitzt wird, womit eine solche Gasturbine auf einer sequentiellen Verbrennung basiert. Eine solche Gasturbine geht aus US-5,454,220, US-5,577,378 sowie EP-0 620 362 A1 hervor.

Die sogenannte Reheat-Brennkammer weist eine Konfiguration auf, welche in den Druckschriften EP-0 745 809 A1 und EP-0 835 996 A1 näher gezeigt und beschrieben ist.

Diese Brennkammer ist von ringförmiger Ausgestaltung, und sie weist im wesentlichen eine Reihe einzelner nebengeordneter Übergangskanäle auf, welche die Einzelbrenner dieser Brennkammer bilden. Diese Einzelbrenner weisen einen nahezu rechteckigen Querschnitt auf, wobei hier die Mischung des Brennstoffes mit dem sauerstoffhaltigen teilentspannten Heissgas, im folgenden Verbrennungsluft genannt, aus der ersten Turbine, über mehrere Längswirbelerzeuger, auch Wirbelgeneratoren genannt, geschieht, welche an den gekühlten Wänden der Mischstrecke angebracht sind und selbst gekühlt werden. Diese Längswirbelerzeuger (vgl. EP-0 745 809 A1 ) erzeugen auf ihrer Oberfläche eine Strömungsablösung und Umlenkung, die schliesslich zur Ausbildung von Längswirbeln führt. Der rechteckige Mischkanal wird von mehreren dieser Längswirbel nahezu ausgefüllt. Dabei hat es sich gezeigt, dass eine solche Konfiguration bei ganz bestimmten Betriebsarten und Betriebsparametern zu Unvollkommenheiten führen kann:

a) Es wird ein erheblicher rückgekühlter Luftmassenstrom zur Kühlung der Mischstrecke und der Längswirbelerzeuger benötigt.

b) Die erzeugten Längswirbel können den Strömungsquerschnitt, insbesondere in den Ecken des Rechtecks, nicht vollständig erfassen.

c) Bei der Erzeugung der Längswirbel wird in den Ablösegebieten der Längswirbelerzeuger kinetische Energie in Turbulenz dissipiert und nur ein Teil der kinetischen Energie in die Längswirbelbewegung umgesetzt.

d) Nach der stufenförmigen Erweiterung in die Brennkammer legt die Strömung sich erst nach einer erheblichen Laufstrecke an die Brennkammerwand an, das heisst, es entstehen unerwünschte Totwasser- und Rückströmgebiete nach dem Stufensprung.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in Anspruch 1 gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vormischbrenner der eingangs genannten Art die oben aufgelisteten Unvollkommenheiten zu beheben.

Die Mischung der Verbrennungsluft, d.h. der teilentspannten Heissgase und Brennstoff, wird in einer runden Mischstrecke bewerkstelligt, welche Mischstrecke von einer einzigen Drallströmung ausgefüllt ist. Zur Drallerzeugung werden in den nach wie vor rechteckig gehaltenen Eintrittsquerschnitt ein konischer aus mehrerern Teilkörpern bestehender Drallerzeuger oder Drallerzeugerschaufeln eingebaut, welche eine Verdrallung der Verbrennungsluft bilden. Die durch die Drallerzeugerschaufeln gebildeten oder zwischen den einzelnen Teilkörpern des Drallerzeugers vorhandenen Eintrittschlitze sind vorzugsweise von konstanter Schlitzweite, sie können aber entlang ihrer Lauflänge eine variable Schlitzweite aufweisen. Vorzugsweise werden vier Einlassschlitze vorgesehen, wobei aber auch Ausführungen mit einer anderen Schlitzzahl möglich sind. Eine solche Drallerzeugung entspricht weitgehend einer solchen gemäss DE 44 35 266 A1. Ein Unterschied zu dieser Drallerzeugung besteht darin, dass der erfindungsgemässe Drallerzeuger in einen zunächst rechteckigen Einströmungskanal integriert ist, wobei dieser über die Lauflänge des Drallerzeugers in einen Kanal mit annähernd quadratischem oder rundem Querschnitt überführt wird, wobei auf eine saubere Anströmung der Drallerzeugereintrittsschlitze geachtet wird, dies um allenfalls Strömungsablösungen zu vermeiden.

In den Drallerzeuger integriert ist ein Brennstoffverteilsystem für gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe, wobei die Brennstoffverteilung dabei entlang der Eintrittsschlitze, wie dies aus der letztgenannten Druckschrift hervorgeht, oder durch die Hinterkanten der Drallerzegerschaufeln oder durch axiale Eindüsung des Brennstoffes aus der Schaufeloberfläche heraus erfolgen, wobei es hier vornehmlich um die Eindüsung eines nieder- oder mittelkalorischen Brennstoffes (LBTU, MBTU) geht. Falls erforderlich kann der Brennstoff von einem kalten Trägerluftstrom oder Inertgasstrom umhüllt werden, um eine frühzeitige Zündung des Brennstoffes zu vermeiden. Flüssige Brennstoffe werden vorteilhaft am stromaufseitigen Ende des Drallerzeugers durch mehrere Einzelstrahlen eingedüst, wobei sich hier gezeigt hat, dass es äusserst vorteilhaft ist, wenn die Anzahl der Einzelstrahlen mit der Anzahl der Einlassschlitze im Drallerzeuger bzw. der Anzahl der Dralierzeugerschaufeln übereinstimmt.

Auf der Achse des Drallerzeugers befindet sich ein freier Strömungskanal, der verhindert, dass sich im Mischrohr eine Rückströmzone auf der Achse einstellt. Die Zuführ von flüssigem Brennstoff muss also ausserhalb der Achse vorzugsweise durch das oben bereits genannte Mehrfachdüsensystem erfolgen.

Um die Drallerzeugerschaufeln gegen Oxidationsangriffe infolge der heissen Eintrittstemperaturen zu schützen, können diese entweder aus einem keramischen Material hergestellt und/oder mit einer internen Luftkühlung versehen werden. Die Auslegung und Fertigung der luftgekühlten Drallerzeugerschaufeln folgt den aus den gekühlten Turbinenschaufeln bekannten Regeln, die Wärmeübergangszahlen sind allerdings aufgrund der geringeren Strömungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu Lauf- oder Leitschaufeln in der Turbine wesentlich geringer.

Nach dem Drallerzeuger wird die Strömung in einem zylindrischen Mischrohr geführt. Der Übergang vom Drallerzeuger zum Mischrohr ist so auszugestalten, dass die Strömungsquerschnittsfläche nahezu konstant ist und keine Ablösungen auftreten. Das kann entweder durch ein speziell geformtes Übergangsstück oder durch ein Eintauchen der Drallerzeugerschaufeln in den zylindrischen Kanal geschehen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Drallerzeugerschaufeln mit einer freigeschnittenen Hinterkante in axialer Richtung zu versehen. Die Länge des Mischrohres wird dabei so gewählt, dass von der Brennstoffeindüsung bis zum Ende des Mischrohres die Selbstzündzeit der gewählten Brennstoffe nicht überschritten wird. Je nach Baugrösse des Brenners und in Abhängigkeit des gewählten Brennerdruckverlustes kann die Länge der Mischstrecke zwischen Null und zwei Brennerdurchmessern variieren.

Um ein Rückzünden der Flamme in den sich aufbauenden Grenzschichten des Übergangsstückes und des Mischrohres zu vermeiden, können an geeigneter Stelle Flammenrückzündsperrfilme eingebracht werden.

Am stromabseitigen Ende des Mischrohres kann eine verschiedenartig ausgebildete Abrisskante angebracht werden, die über den Coandaeffekt aufgrund eines konvex gekrümmten Endteils die Grenzschicht stabilisiert und die gesamte Strömung nach aussen umlenkt. Dadurch wird einerseits erreicht, dass die Strömung in der Brennkammmer schneller an die Wand anlegt und schneller verzögert wird, so dass sich eine turbulente Flammenfront einstellen kann. Andererseits wird durch die Verzögerung am Ende des Mischrohres ein Teil des dynamischen Druckes im Sinne einer Diffusorwirkung zurückgewonnen.

Die Drallstärke kann so stark eingestellt werden, dass stromab der Mischstrecke ein Rückströmgebiet auf der Achse entsteht, vorzugsweise sollte die Drallstärke aber so gross sein, dass die Strömung stromab des Mischrohres innerhalb eines Mischrohrdurchmessers auf der Achse lediglich auf Geschwindigkeiten kleiner der querschnittsgemittelten Brennkammer-Geschwindigkeit verzögert wird. Die bei dieser verlustbehafteten Verzögerung erzeugten turbulenten Geschwindigkeits-schwankungen dienen der Flammenstabilisierung.

Die Brennstoffzufuhr zum Drallerzeuger geschieht durch eine zur Brennerachse radial verlaufende Brennstoff- und Kühllluftzuführung. Die Drallerzeuger können an der Brennstoffzuführung befestigt werden und mit dieser radial aus der Gasturbine entfernbar sein, ohne dass das Gehäuse abgehoben werden muss.

Bei der Erfindung können weitere Vorteile dadurch er zielt werden,

a) dass durch die Ausführung der Mischstrecke als zylindrisches Rohr die für den Flammenrückschlag empfindliche Oberfläche minimiert wird; dadurch wird die zur Rückschlagsperre und zur Kühlung der Wand benötigte Kühl- und Filmluft reduziert und somit der Gesamtprozess optimiert;

b) dass es durch die Ausführung der Mischstrecke als zylindrisches Rohr möglich ist, mit einem einzigen Längswirbel die gesamte Mischstrecke optimal auszufüllen;

c) dass die Eindüsung des Brennstoffes entlang der Eintrittsschlitze eine gute Feinverteilung ermöglicht, dadurch wird die erforderliche Mischstrecke nach dem Drallerzeuger minimiert;

d) dass die Drallerzeugung verlustarm erfolgt, das heisst, es werden bei einer erfindungsgemässen Auslegung keine Ablösegebiete und Totaldruckverlustzonen generiert. Dies hat zur Folge, dass der Druckverlustbeiwert des Brenners bezogen auf den effektiven Strömungsquerschnitt klein wird, und in der Mischstrecke nur wenig flammenstabilisierende Turbulenz vorhanden ist; damit wird ein Flammenrückschlag schon bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten vermieden,

e) dass durch die starke Strömungsverzögerung stromab des Mischrohres es möglich ist, das Öffnungsverhältnis, nämlich Mischrohrquerschnitt zu anteiligem Brennkammerquerschnitt, auf Werte > 4 bis mindestens 10 zu erhöhen. Dadurch lässt sich bei gleichbleibender Verweilzeit und damit weiterhin gutem Ausbrand eine wesentliche kürzere Brennkammer bauen,

f) dass der Drallerzeuger und die Brennstoffeindüsung konstruktiv so ausgestaltet werden können, dass sie ohne Abheben des Gehäuses der Gasturbine radial nach aussen ausgebaut werden können. Damit lassen sich auszutauschende Drallerzeuger leicht ersetzen und ein Wechsel auf andere Brennstoffe oder Brennstoffeindüsungssysteme leichter bewerkstelligen.

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

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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 gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Es zeigen:

Fig. 1: einen schematischen Schnitt durch einen Brenner,
Fig. 2: eine Konfiguration des eingebauten Drallerzeugers in perspektivischer Sicht und
Fig. 3: eine weitere Ausführung eines Drallerzeugers.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brennersystems zum Betrieb einer Brennkammer. Das Brennersystem besteht grundsätzlich aus vier Betriebsstufen, welche je eine bestimmte Funktion erfüllen und untereinander in einem interdependenten Prozessablauf stehen. Der erste Abschnitt besteht einerseits aus einem Einströmungskanal 10 für einen Verbrennungsluftstrom, in welchem Einströmungskanal 10 ein Drallerzeuger 100 angeordnet ist. Die in diesem Drallerzeuger 100 gebildete Drallströmung wird anhand einer stromab angeordneten Übergangsgeometrie 200 ablösungsfrei in ein Mischrohr 20 überführt. Eine solche Übergangsgeometrie 200 ist in der Druckschrift DE 44 35 266 A1 unter Fig. 6 gezeigt und beschrieben. Abströmungsseitig des Mischrohres 20 befindet sich die eigentliche Brennkammer 30, welche hier lediglich durch das Flammrohr versinn-bildlicht ist. Das Mischrohr 20 erfüllt die Bedingung, dass stromab des Drallerzeu-gers 100 eine definierte Mischstrecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 20, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungs-führung, so dass sich auch in Wirkverbindung mit der Übergangsgeometrie 200 zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 20 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluss ausgeübt werden kann. Dieses Mischrohres 20 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, dass im Mischrohr selbst das Axialgeschwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so dass eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer 30 nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, dass bei einer solchen Konfiguration diese 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 dort vorherrschenden Geschwindigkeit induziert. Eine andere Möglichkeit, die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, dass der Durchflussquerschnitt des Mischrohres 20 abströmungsseitig der Übergangsgeometrie 200 eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 20 angehoben wird. In der Figur verlaufen diese Bohrungen 21 unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse 60. Des weiteren entspricht der Auslauf der Übergangsgeometrie dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 20. Die genannte Übergangsgeometrie 200 überbrückt demnach den jeweiligen Querschnittsunterschied, 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 des Mischrohres 20 ein in der Figur nicht näher gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 20 schliesst sich sodann die bereits erwähnte Brennkammer 30 an, wobei zwischen den beiden Durchflussquer-schnitten ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone 50, welche die Eigenschaften eines körperlosen Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmässige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablö-sungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rück-strömzone 50. Stirnseitig weist die Brennkammer 30 eine Anzahl Öffnungen 31 auf, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung strömt, und dort unteren anderen dazu beiträgt, dass die Ringstabilisation der Rückströmzone 50 gestärkt wird. 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 Rückström-zonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen am Rohrende, beispielsweise durch tangentiale Öffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, dass die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der gesamten zum Betrieb der Brennkammer eingesetzten Luftmenge beträgt. Was die nährere Ausgestaltung der Kante am Ende des Mischrohres 20 zur Stärkung der Rück-strömzone 50 betrifft, so wird auf die Druckschriften DE 195 47 913 A1, Fig. 7, und DE 196 39 301 A1, Fig. 8-11, verwiesen.

Fig. 2 zeigt die Kopfstufe des Brenners. Der viereckige Einströmungskanal 10 sowie der darin integrierte Drallerzeuger 100 sind hier gezeigt. Dieser Einströmungskanal 10 bildet an sich eine autonome Brennereinheit und im Verbund mit einer Anzahl weiterer nebengeordneter Einströmungskanäle eine ringförmige Brennkammer, vorzugsweise zum Betrieb von Gasturbinen, insbesondere einer Nachbrennkammer, wie dies aus EP 0 620 362 A1, Figur Pos. 5, hervorgeht. Der Einströmungskanal 10 ist kopfseitig von rechteckiger Form, über die Lauflänge des Drallerzeugers 100 geht er in einen quadratischen Querschnitt über.

Die Funktionsweise des hier dargestellten Drallerzeugers 100 lässt sich aus der Beschreibung der Druckschriften DE 44 35 266 A1, Fig. 2-5; DE 195 47 913 A1, Fig. 2-5; DE 196 39 301, Fig. 2-5, entnehmen.

Kurz umschrieben besteht hier der Drallerzeuger (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern 101, deren jeweilige Längssymmetrieachse zueinander so versetzt verlaufen, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper 101 in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle 102 für die Einströmung der Verbrennungsluft 115 in einen von den Teilkörpern 101 gebildeten Innenraum 103 aufweisen. Mit Wirkung auf diesen Innenraum ist mindestens eine Brennstoffdüse vorgesehen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsart eines Drallerzeugers, welcher ohne weiteres in den Einströmungskanal gemäss Fig. 2 integriert werden kann. Dieser Drallerzeuger 150 besteht aus einem zentralen Körper 151, welcher eine radiale oder quasi-radiale Leitung 152 für die Zuführung von Brennstoffen 153, 154 aufweist. Auf diesem zentralen Körper 151 sind einzelne Drallschaufeln 156 verankert, welche sich in axialer Richtung erstrecken. Mantelförmig umschlossen werden diese Drallschaufeln von einem Rohr 155, das endseitig jeweils offen ist, einerseits kopfseitig für die Zuströmung der Verbrennungsluft 115 (vgl. Fig. 1) und andererseits abflussseitig für die Weiterströmung der verdrallten Verbrennungsluft (vgl. Fig. 1), womit er sich gegenüber der dem Drallerzeuger gemäss Fig. 2, was die Zuströmung der Verbrennungsluft betrifft, unterscheidet. Interdependent zur Verdrallung der Verbrennungsluft 115 wird Brennstoff zugegeben, wodurch hier analog zum Drallerzeuger gemäss Fig. 2, ebenfalls eine erste Vormischung entsteht; die endgültige Vormischung findet dann stromab statt, einerseits entlang der Übergangsgeometrie (vgl. Fig. 1, Pos. 200) und anschliessend innerhalb des Mischrohres (vgl. Fig. 1, Pos. 20). Flüssige Brennstoffe 154 werden kopfseitig und zentral resp. quasi-zentral eingedüst 154a; gasförmige Brennstoffe 153 hingegen über eine Anzahl von in die Drallschaufeln 156 integrierte Öffnungen 153a. Die Anzahl und der Drallgrad der Drallschaufeln 156 variiert je nach den jeweiligen Erfordernissen des Vormischprozesses.

Bei einer dezentralen Brennstoffeindüsung 154a des flüssigen Brennstoffes 154 wird der Eindüsungswinkel des zur Brennstoffdüse 154a gehörigen Brennstoffstrahles gegenüber der Achse vorzugsweise annähernd dem Anstellwinkel der Drallschaufeln 156 gleichgesetzt. Mit dieser Vorkehrung wird eine perfekte Vormischung des eingesetzten Brennstoffes gewährleistet, unter Wahrung einer betriebssicheren und optimalen Flammenpositionierung, d.h. eine Anreicherung der zentralen Zone wird damit nachhaltig verhindert, und die Brennstofftropfen sind bei zunehmendem Radius innerhalb der Vormischstrecke einer stärkeren radialen Beschleunigung ausgesetzt, dergestalt, dass sie sich in die dort eintretende Verbrennungsluft gut einmischen können.

Bei einem aus mehreren Schalen bestehenden Drallerzeuger eines Brenners, wie dies beispielsweise aus EP 0 321 809 B1 oder aus den Drallerzeugern gemäss Fig. 1 (vgl. die dort angezogenen Druckschriften) hervorgeht, eignen sich gut als Einspritzposition des Brennstoffs die Nachlaufzonen entlang der Leeseite der entsprechenden Schale, bzw. der Leitschaufeln bzw. der Drallschaufeln eines entsprechend konzipierten Drallerzeugers. Dort ist das Tropfenspray geringeren aerodynamischen Kräften ausgesetzt, und er wird dementsprechend besser radial in die Verbrennungsluft eingemischt.

Die Anzahl der Eindüsungsstellen ist der Brennerbauform angepasst, wobei mindestens eine Eindüsung pro Schale oder Schaufel vorzusehen ist.

Bezugszeichenliste

10: Einströmungskanal
20: Mischrohr
21: Bohrungen
30: Brennkammer, Brennraum
31: Öffnungen
40: Rohrströmung
50: Rückströmzone, Rückströmblase
60: Brennerachse
100: Drallerzeuger
101: Teilkörper
102: Tangentiale Kanäle
103: Innenraum
115: Verbrennungsluft, Verbrennungsluftstrom
150: Drallerzeuger
151: Zentraler Körper
152: Brennstoffleitung
153: Brennstoff, gasförmiger Brennstoff
153a: Brennstoffeindüsung, Brennstoffdüse
154: Brennstoff, flüssiger Brennstoff
154a: Brennstoffeindüsung, Brennstoffdüse
155: Rohr
156: Drallschaufel
200: Übergangsstück, Übergangskanäle, Übergangsgeometrie

Claims

Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, wobei der Brenner im wesentlichen aus einem Drallerzeuger (100, 150) für einen Verbrennungsluftstrom (115) und aus Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom (115) besteht, wobei stromab des Drallerzeugers (100, 150) eine Mischstrecke angeordnet ist, welche innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung eine Anzahl von Kanälen in einem Übergangsstück (200) zur Überleitung einer im Drallerzeuger (100, 150) gebildeten Strömung in ein stromab dieses Übergangsstücks (200) nachgeschaltetes Mischrohr (20) aufweist, wobei stromab dieses Mischrohrs (20) ein durch eine Querschnittserweiterung gebildeter Brennraum (30) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Drallerzeuger (100, 150) in einen Einströmungskanal (10), in welchen der Verbrennungsluftstrom (115) einströmt, integriert ist, wobei der Strömungsquerschnitt des Einströmungskanals (10) von einer kopfseitig rechteckigen Querschnittsform über die Lauflänge des Drallerzeugers (100, 150) in eine annähernd quadratische oder runde Querschnittsform übergeht.
Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Drallerzeuger (100, 150) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101) besteht, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen dieser Teilkörper (101) zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper (101) in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (102) für die Einströmung des Verbrennungstuftstromes (115) in einen von den Teilkörpern (101) gebildeten Innenraum (103) freilassen.
Brenner nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit Wirkung auf den Innenraum (103) mindestens eine Brennstoffdüse vorhanden ist.
Brenner nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Teilkörper (101) im Querschnitt eine schaufelförmige Profilierung aufweisen.
Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Drallerzeuger (100, 150) aus einer Anzahl Drallschaufeln (156) besteht, welche in eine abgeschlossene Umhüllung integriert sind.
Brenner nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Drallerzeuger (100, 150) Mittel für die Eindüsung (153a, 154a) mindestens eines Brennstoffes (153, 154) aufweist.
Brenner nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Drallerzeuger (100, 150) mindestens eine kopfseitige Brennstoffdüse (154a) aufweist, und dass die Brennstoffdüse (154a) annähernd nach dem Anstellwinkel der Drallschaufeln (156) gegenüber der Brennerachse (60) gerichtet ist.
Brenner nach Anspruch 3 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl der Brennstoffdüsen (154a) mindestens der Anzahl der drallbildenden Elemente (101, 156) des Drallerzeugers (100, 150) entspricht.
Brenner nach Anspruch 2 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl der Kanäle im Übergangsstück (200) der Anzahl der vom Drallerzeuger (100, 150) gebildeten verdrallten Teilströme entspricht.
Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Einströmungskanal (10) Bestandteil einer ringförmigen Brennkammer (30) ist.