EP1182398A1 - Process for increasing the fluidic stability of a premix-burner as well as premix-burner for carrying out said process - Google Patents
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- EP1182398A1 EP1182398A1 EP01120011A EP01120011A EP1182398A1 EP 1182398 A1 EP1182398 A1 EP 1182398A1 EP 01120011 A EP01120011 A EP 01120011A EP 01120011 A EP01120011 A EP 01120011A EP 1182398 A1 EP1182398 A1 EP 1182398A1
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Definitions
- the invention relates to a method for fluid-mechanical stabilization of a premix burner, into which a combustion air flow is introduced tangentially into a burner interior, mixes with a coaxially oriented swirl flow with an injected gaseous and / or liquid fuel and induces a backflow zone at a burner outlet, which serves to stabilize the flame during operation of the burner. Furthermore, the invention relates to a premix burner for carrying out the method.
- a preferred field of application of the invention is the operation of a gas turbine plant.
- EP 0 321 809 and EP 0 780 629 disclose premix burners of the type discussed here known. Such burners, which are characterized by very low pollutant emissions, are widely used in combustion chambers of gas turbine plants Hot gas generation used.
- thermoacoustic vibrations When operating gas turbine systems, thermoacoustic vibrations often occur in the combustion chambers. Fluidic instability waves arising at the burner lead to the formation of flow vortices, which strongly influence the entire combustion process and lead to undesired periodic heat releases within the combustion chamber, which are associated with strong pressure fluctuations. The high pressure fluctuations are associated with high vibration amplitudes, which can lead to undesirable effects, such as a high mechanical load on the combustion chamber housing, an increased NO x emission due to inhomogeneous combustion and even an extinguishing of the flame within the combustion chamber.
- Thermoacoustic vibrations are based, at least in part, on flow instabilities the burner flow, which is expressed in coherent flow structures, and that affect the mixing processes between air and fuel.
- Conventional Combustion chambers become cooling air in the manner of a cooling air film over the combustion chamber walls directed.
- the cooling air film also has a sound-absorbing effect and contributes to the reduction of thermoacoustic vibrations.
- this also reduces the noise damping Cooling air film, which reduces the sound-absorbing effect and exacerbates the problems associated with the unwanted vibrations occur.
- thermoacoustic vibration amplitudes has the disadvantage that the injection of fuel at the head stage can be accompanied by an increase in the emission of NO x .
- thermoacoustic vibrations have more detailed studies on the formation of thermoacoustic vibrations demonstrated that such undesirable coherent structures arise during mixing processes. Of particular importance are those that mix between two Shear currents forming currents within the coherent structures be formed. More detailed information on this can be found in the following publications: Oster & Wygnanski 1982, "The forced mixing layer between parallel streams ", Journal of Fluid mechanics, vol. 123, 91-130; Paschereit et al. 1995," Experimental investigation of subharmonic resonance in an axisymmetric jet ", Journal of Fluid Mechanics, vol. 283, 365-407).
- the invention has for its object a method for increasing the fluid mechanical Provide stability of a premix burner, which the undesirable flow vortices, which are known as coherent pressure fluctuation structures educate, suppressed efficiently and without additional energy expenditure.
- the for this necessary measures on a premix burner should have a low design Cause effort and be inexpensive to implement.
- the measures used should also be completely maintenance-free.
- the object is achieved by a method for increasing the fluid mechanical stability of a premix burner and by a premix burner of the type mentioned in the independent claims.
- the method according to the invention is based on the basic idea of fluid mechanics Stabilization of a premix burner in which at least one Combustion air flow is introduced tangentially into a burner cavity and itself forming a swirl flow oriented coaxially to the burner axis with a injected gaseous and / or liquid fuel mixed and at one Cross-sectional jump at the burner mouth induces a backflow zone, which during burner operation to stabilize the flame, the swirl flow inside of the burner cavity towards the burner mouth at least increasingly radially deform a peripheral portion and in a non-rotationally symmetrical To let the flow cross-section enter the combustion chamber, this deformation at the expense of the free flow cross section of the burner cavity is produced.
- the formation of coherent vortex structures is due to a rotational symmetry different shape of the flow cross section in the burner cavity and disturbed when entering the combustion chamber.
- the time delay of the fuel from Injection site constant up to the flame. From the deformation according to the invention of the flow cross section results in a wide distribution of the delay time.
- By the prevention of the formation of vortex structures at the burner outlet and one smeared time delay also suppresses periodic heat release, which in turn is responsible for the occurrence of thermoacoustic vibrations.
- By deforming the swirl flow through constricting portions of the cavity contour is forced, as will be explained elsewhere, there is also an acceleration of the flow, which is stabilizing affects the backflow zone.
- a premix burner according to the invention is based on a premix burner for use in a heat generator, essentially consisting of a swirl generator with means for the tangential introduction of a combustion air flow in a cavity of the swirl generator and means for introducing at least a gaseous and / or liquid fuel in the combustion air flow below Formation of a swirl flow with an axial movement component towards Burner mouth at which the swirl flow induces a backflow zone bursts.
- a generic burner based on at least two hollow ones Flow direction of the hot gases nested conically widening Partial bodies whose central axes are offset from one another is described in EP 0321809 described, which is an integral part of this protection request.
- Such burner types also known as cone burners or double-cone burners, have a tear-off edge at their burner outlet, the edge course of which there are two staggered semicircles with closed edges however almost circular and therefore approximately rotationally symmetrical to the burner axis is trained.
- the fuel / air mixture that forms in the burner cavity spreads in the form of a rotationally symmetrical swirl flow an axial component towards the burner mouth, with all its known Disadvantages with regard to the formation of coherent structures and the associated ones thermoacoustic pressure fluctuations.
- Such influence on the flow geometry can be at least take a section of the cavity wall, which wall section in one downstream end portion of the burner cavity has a smaller slope than in an upstream area.
- This at least one section leads with it compared to those wall sections at the same axis height that this property do not have a radial deviation from the circular shape towards the Brenner axis.
- Any partial contours in the burner cavity that deviate from the circular shape and at the trailing edge, e.g. straight or aspherically curved Wall sections across the circumference help to reduce eddies at.
- the geometric deviation from a round geometry at least is to be chosen so large that the resulting distance between the two geometries is greater than the boundary layer thickness of the flow caused by the exit geometry flowing.
- the premix burner consists of two hollow, conically widening partial bodies (1) and (2) which are arranged so as to be axially parallel and offset from one another in such a way that they form tangential gaps (3) in two overlapping areas opposite each other in mirror image.
- two conically widening partial bodies (1) and (2) are shown as examples in FIGS. 1a and 1b, other configurations are also conceivable. So these burners are neither limited to the arrangement of two partial bodies (1) and (2), nor is their conical configuration absolutely necessary. This is familiar to the person skilled in the art.
- the gaps (3) resulting from the displacement of the longitudinal axes serve as inlet channels through which the combustion air (5) flows tangentially into the burner cavity (6) during burner operation.
- the tangential inlet channels (3) there are injection openings (7) through which a preferably gaseous fuel is injected into the combustion air (5) flowing past.
- the fuel is preferably injected within the column (3) immediately before entering the burner cavity (6).
- the initial area of the burner which can also be cylindrical (not shown), there is a central nozzle (8) for atomizing a liquid fuel, the capacity and operating mode of which depend on the burner parameters.
- the liquid fuel emerges from the nozzle (8) at an acute angle and forms a conical fuel profile in the burner cavity (6), which is enclosed by the combustion air (5) entering tangentially and passing into a swirl flow (9) and continuously forms a mixture which process can be supported by preheated combustion air or admixture of recirculated exhaust gas.
- gaseous fuel to the nozzle (8).
- the premix burner has a front plate (10) which acts as anchoring of the partial bodies (1) and (2) and which has a number of bores (11) for introducing air into the combustion chamber (12).
- the fuel / air mixture crossing the burner cavity (6) in a swirl flow (9) reaches the optimum fuel concentration over the cross section at the downstream end of the premixing section (13) at the burner mouth (14).
- the swirl flow (9) bursts, forming a backflow zone (15) with a stabilizing effect with respect to the flame front (17) acting there.
- This aerodynamic flame stabilization takes over the function of a flame holder.
- the dreaded failure of mechanical flame holders due to overheating with possible subsequent severe accidents on machine sets is therefore excluded.
- the flame loses no heat to cold walls except through radiation. This also contributes to the uniformity of the flame temperature and thus to low pollutant emissions and good combustion stability.
- the wall (21) of the cavity (6) has at least one section (22) in a downstream area (20), which has a smaller gradient with respect to the burner axis (4) compared to an upstream area (19).
- 2a shows a known swirl generator geometry with which the invention can be implemented in a favorable manner, whereby - as mentioned elsewhere - the conical configuration of the swirl generator (13) is not mandatory.
- 2b-2d symbolize the idea of the invention, which consists in the wall (21) of the burner cavity (6) in at least one peripheral section (22) at the expense of the free flow cross section (18) in the direction of the burner axis for the purpose of deforming the flow profile (4) to bend. This can be done symmetrically or asymmetrically by at least one such section (22) constricting the flow cross section.
- FIGS. 3 to 7 show embodiments of burners designed according to the invention.
- FIG. 3 shows a preferred variant of the invention, according to which the burner mouth (14) has a polygonal outlet contour (16).
- the conically widening contour (23) of the burner cavity (6) is broken off in a downstream end region (20) and with a smaller gradient compared to the preceding region (19) Longitudinal axis (4) continued.
- the term reduced slope is also intended to include a course parallel to the longitudinal axis (4) or a convergent course, as can be seen from FIGS. A multitude of measures are available to the person skilled in the art to implement this suggestion.
- correspondingly shaped plates (28) are welded into the bowl-shaped partial bodies (1) and (2) according to the state of the art, which - viewed planimetrically - represent tendons, the circle segments from the free flow cross section (18) of the burner cavity Cut out (6).
- One to four such plates (28) are preferably welded onto the inner wall (21) for each partial body (1) or (2). With new burners, the wall contour is shaped in the manufacturing process.
- the burner is formed in an upstream region (19) in a manner known per se from two staggered partial bodies (1) and (2) of essentially circular cross-section.
- a convex course is particularly advantageous in the case of the arrangement of a small number or only one or two such sections (22).
- Another embodiment is not to provide the burner cavity (6) with a circular cross-section even in its upstream region (19), but rather to equip the burner with a cavity (6) which is contoured non-rotationally symmetrically.
- This embodiment is particularly suitable for polygonal contours (23) of the cavity cross section (18).
- inlet openings (27) running in a uniform circumferential distribution to the longitudinal axis (4) can be arranged to inject an additional quantity of combustion air.
- the rotationally symmetrical flow cross section of the mixing section (25) is deflected and radially deformed by the free cross section (29) restricting sections (22).
- the outlet opening (16) takes on a polygonal cross-sectional shape, composed of a plurality of rectilinear sections (22). Exit contours (16) in the form of a regular or irregular (Fig. 5) polygon are promising.
- the individual rectilinear sections (22) of the outlet edge (27) span the outlet opening (16) of the burner.
- FIG. 6 indicates a convex wall section (22) in an asymmetrical arrangement.
- FIG. 7 shows an embodiment variant with a cylindrical or convergent nozzle section (24) at the downstream end of the burner. According to the prior art, these downstream nozzles (24) serve primarily to accelerate the flow at the burner outlet and thus to stabilize the backflow zone (15).
- this desirable acceleration is achieved by an increasing and decreasing cross-sectional area in the flow direction such that this nozzle section (24) is narrowed in the flow direction from an essentially circular cross-sectional shape to another cross-sectional shape, for example that of a regular or irregular polygon or one oval.
- FIG. 8 shows a diagram that shows the combustion output along the abscissa shows the burner according to FIG. 3 and along the ordinate a scaling that the formation of thermoacoustic vibrations that as Result of coherent structures within the flow flow in the burner, quantified. Thermoacoustic vibrations in the 100 Hz range are considered. Comparing a burner with a conventional burner outlet according to the embodiment in Fig. 1 (see line traversed with squares) with an inventive trained burner outlet according to the embodiment in Fig. 3 (see line drawing interspersed with circles), it is clearly noticeable that in the latter case a significant lower proportion of thermoacoustic vibrations arises.
Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur strömungsmechanischen Stabilisierung
eines Vormischbrenners, in den ein Verbrennungsluftstrom tangential in einen
Brennerinnenraum eingeleitet wird, sich unter Ausbildung einer koaxial orientierten
Drallströmung mit einem eingedüsten gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff
vermischt und an einem Brenneraustritt eine Rückströmzone induziert, welche im
Betrieb des Brenners zur Stabilisierung der Flamme dient. Des weiteren bezieht sich
die Erfindung auf einen Vormischbrenner zur Durchführung des Verfahrens.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Betrieb einer Gasturbinenanlage.The invention relates to a method for fluid-mechanical stabilization of a premix burner, into which a combustion air flow is introduced tangentially into a burner interior, mixes with a coaxially oriented swirl flow with an injected gaseous and / or liquid fuel and induces a backflow zone at a burner outlet, which serves to stabilize the flame during operation of the burner. Furthermore, the invention relates to a premix burner for carrying out the method.
A preferred field of application of the invention is the operation of a gas turbine plant.
Aus EP 0 321 809 und EP 0 780 629 sind Vormischbrenner der hier diskutierten Art
bekannt. Derartige Brenner, die sich durch sehr niedrige Schadstoffemissionen auszeichnen,
werden weit verbreitet in Brennkammern von Gasturbinenanlagen zur
Heissgaserzeugung eingesetzt.
Beim Betrieb von Gasturbinenanlagen treten in den Brennkammern häufig thermoakustische Schwingungen auf. Am Brenner entstehende strömungsmechanische Instabilitätswellen führen zur Ausbildung von Strömungswirbeln, die den gesamten Verbrennungsvorgang stark beeinflussen und zu unerwünschten periodischen Wärmefreisetzungen innerhalb der Brennkammer führen, die mit starken Druckschwankungen verbunden sind. Mit den hohen Druckschwankungen sind hohe Schwingungsamplituden verknüpft, die zu unerwünschten Effekten, wie etwa zu einer hohen mechanischen Belastung des Brennkammergehäuses, einer erhöhten NOx-Emission durch eine inhomogene Verbrennung und sogar zu einem Erlöschen der Flamme innerhalb der Brennkammer führen können.When operating gas turbine systems, thermoacoustic vibrations often occur in the combustion chambers. Fluidic instability waves arising at the burner lead to the formation of flow vortices, which strongly influence the entire combustion process and lead to undesired periodic heat releases within the combustion chamber, which are associated with strong pressure fluctuations. The high pressure fluctuations are associated with high vibration amplitudes, which can lead to undesirable effects, such as a high mechanical load on the combustion chamber housing, an increased NO x emission due to inhomogeneous combustion and even an extinguishing of the flame within the combustion chamber.
Thermoakustische Schwingungen beruhen zumindest teilweise auf Strömungsinstabilitäten der Brennerströmung, die sich in kohärenten Strömungsstrukturen äußern, und die die Mischungsvorgänge zwischen Luft und Brennstoff beeinflussen. Bei herkömmlichen Brennkammern wird Kühlluft in Art eines Kühlluftfilms über die Brennkammerwände geleitet. Neben dem Kühleffekt wirkt der Kühlluftfilm auch schalldämpfend und trägt zur Verminderung von thermoakustischen Schwingungen bei. In modernen Gasturbinenbrennkammern mit hohen Wirkungsgraden, niedrigen Emissionen und einer konstanten Temperaturverteilung am Turbineneintritt ist der Kühlluftstrom in die Brennkammer deutlich reduziert, und nahezu die gesamte Luft wird durch den Brenner geleitet. Jedoch reduziert sich damit zugleich auch der schalldämpfende Kühlluftfilm, wodurch die schalldämpfende Wirkung herabgesetzt wird und die mit den unerwünschten Schwingungen verbundenen Probleme wieder verstärkt auftreten.Thermoacoustic vibrations are based, at least in part, on flow instabilities the burner flow, which is expressed in coherent flow structures, and that affect the mixing processes between air and fuel. With conventional Combustion chambers become cooling air in the manner of a cooling air film over the combustion chamber walls directed. In addition to the cooling effect, the cooling air film also has a sound-absorbing effect and contributes to the reduction of thermoacoustic vibrations. In modern gas turbine combustion chambers with high efficiency, low emissions and a constant temperature distribution at the turbine inlet is the cooling air flow into the combustion chamber significantly reduced, and almost all of the air is passed through the burner. However, this also reduces the noise damping Cooling air film, which reduces the sound-absorbing effect and exacerbates the problems associated with the unwanted vibrations occur.
Eine Möglichkeit der Schalldämpfung besteht im Ankoppeln so genannter Helmholtz-Dämpfer im Bereich der Brennkammer oder der Kühlluftzufuhr. Jedoch ist bei modernen Brennkammerkonstruktionen das Vorsehen derartiger Helmholtz-Dämpfer aufgrund enger Platzverhältnisse mit großen Schwierigkeiten verbunden.One way of sound absorption is to connect so-called Helmholtz dampers in the area of the combustion chamber or the cooling air supply. However, with modern Combustion chamber designs the provision of such Helmholtz dampers associated with great difficulties due to limited space.
Daneben ist bekannt, dass den im Brenner auftretenden strömungsmechanischen Instabilitäten und den damit verbundenen Druckschwankungen dadurch entgegengetreten werden kann, indem die Brennstoffflamme durch zusätzliche Eindüsung von Brennstoff stabilisiert werden kann. Eine derartige Eindüsung von zusätzlichem Brennstoff erfolgt über die Kopfstufe des Brenners, in der eine auf der Brennerachse liegende Düse für die Pilot-Brennstoffgaszuführung vorgesehen ist, was jedoch zu einer Anfettung der zentralen Flammstabilisierungszone führt. Diese Methode der Verminderung von thermoakustischen Schwingungsamplituden ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass die Eindüsung von Brennstoff an der Kopfstufe mit einer Erhöhung der Emission von NOx einhergehen kann.In addition, it is known that the fluid mechanical instabilities occurring in the burner and the pressure fluctuations associated therewith can be counteracted by stabilizing the fuel flame by additional injection of fuel. Such injection of additional fuel takes place via the head stage of the burner, in which a nozzle is provided on the burner axis for the pilot fuel gas supply, but this leads to an enrichment of the central flame stabilization zone. However, this method of reducing thermoacoustic vibration amplitudes has the disadvantage that the injection of fuel at the head stage can be accompanied by an increase in the emission of NO x .
Nähere Untersuchungen zur Ausbildung thermoakustischer Schwingungen haben gezeigt, dass derartig unerwünschte kohärente Strukturen bei Mischvorgängen entstehen. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die sich zwischen zwei mischenden Strömungen ausbildenden Scherschichten, die innerhalb der kohärente Strukturen gebildet werden. Nähere Ausführungen hierzu sind folgenden Druckschriften zu entnehmen: Oster & Wygnanski 1982, "The forced mixing layer between parallel streams", Journal of Fluid mechanics, Vol. 123, 91-130; Paschereit et al. 1995, "Experimental investigation of subharmonic resonance in an axisymmetric jet", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 283, 365-407).Have more detailed studies on the formation of thermoacoustic vibrations demonstrated that such undesirable coherent structures arise during mixing processes. Of particular importance are those that mix between two Shear currents forming currents within the coherent structures be formed. More detailed information on this can be found in the following publications: Oster & Wygnanski 1982, "The forced mixing layer between parallel streams ", Journal of Fluid mechanics, vol. 123, 91-130; Paschereit et al. 1995," Experimental investigation of subharmonic resonance in an axisymmetric jet ", Journal of Fluid Mechanics, vol. 283, 365-407).
Wie aus den vorstehenden Berichten hervorgeht, ist es möglich, die sich innerhalb der Scherschichten ausbildenden kohärenten Strukturen durch gezieltes Einbringen einer akustischen Anregung derart zu beeinflussen, dass Ihre Entstehung verhindert wird. Eine weitere Methode ist das Einbringen eines akustischen Gegenschallfeldes, so dass das vorhandene unerwünschte Schallfeld durch ein gezielt eingebrachtes, phasenverschobenes Schallfeld regelrecht ausgelöscht wird. Diese Antischall-Technik benötigt jedoch verhältnismäßig viel Energie, die entweder extern dem Brennersystem zur Verfügung gestellt werden muss oder die dem gesamten System an einer anderen Stelle abzuzweigen ist, was jedoch zu einer, wenn auch geringen, aber dennoch vorhandenen Wirkungsgradeinbuße führt.As can be seen from the above reports, it is possible to look inside the coherent structures forming the shear layers by targeted introduction to influence an acoustic excitation in such a way that it does not arise becomes. Another method is to introduce an acoustic counter-sound field, so that the existing unwanted sound field through a specifically introduced phase-shifted sound field is literally canceled. This anti-noise technique however, requires a relatively large amount of energy, which is either external to the Burner system must be made available or the entire system to be branched off at another point, but this leads to a, albeit small, but still leads to a loss of efficiency.
Neben den vorstehend genannten aktiven Möglichkeiten zur gezielten Einflußnahme zur Reduzierung sich im Inneren von Brennern ausbildenden kohärenten Strukturen kann alternativ auch mit passiven Maßnahmen derartigen Störungen in der Brennerströmung entgegengetreten werden. Passive Maßnahmen, das sind vorwiegend konstruktive Gestaltungsmerkmale der Brenner, die den Betriebsbereich eines Brenners in Bezug auf Pulsationen und Emissionen erweitern, sind besonders attraktiv, da sie, einmal installiert, keiner weiteren Wartung bedürfen.In addition to the above-mentioned active options for targeted influence to reduce coherent structures forming inside the burner can alternatively with passive measures such disturbances in the burner flow be opposed. Passive measures are predominant constructive design features of the burner covering the operating area of a burner expand in terms of pulsations and emissions are particularly attractive since once installed, they require no further maintenance.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der strömungsmechanischen Stabilität eines Vormischbrenners bereitzustellen, welches die unerwünschten Strömungswirbel, die sich als kohärente Druckschwankungsstrukturen ausbilden, effizient und ohne zusätzlichen Energieaufwand unterdrückt. Die hierzu notwendigen Maßnahmen an einem Vormischbrenner sollen einen geringen konstruktiven Aufwand verursachen und kostengünstig in ihrer Realisierung sein. Die eingesetzten Maßnahmen sollen überdies vollständig wartungsfrei sein.The invention has for its object a method for increasing the fluid mechanical Provide stability of a premix burner, which the undesirable flow vortices, which are known as coherent pressure fluctuation structures educate, suppressed efficiently and without additional energy expenditure. The for this necessary measures on a premix burner should have a low design Cause effort and be inexpensive to implement. The The measures used should also be completely maintenance-free.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Erhöhung der strömungsmechanischen
Stabilität eines Vormischbrenners sowie durch einen Vormischbrenner
der in den unabhängigen Ansprüchen genannten Art gelöst.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der
abhängigen Ansprüche sowie der Beschreibung und den Ausführungsbeispielen zu
entnehmen.According to the invention, the object is achieved by a method for increasing the fluid mechanical stability of a premix burner and by a premix burner of the type mentioned in the independent claims.
Features which advantageously further develop the inventive concept are the subject of the dependent claims and of the description and the exemplary embodiments.
Das erfindungsgemässe Verfahren basiert auf dem Grundgedanken, zur strömungsmechanischen Stabilisierung eines Vormischbrenners, in den mindestens ein Verbrennungsluftstrom tangential in einen Brennerhohlraum eingeleitet wird und sich unter Ausbildung einer koaxial zur Brennerachse orientierten Drallströmung mit einem eingedüsten gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff vermischt und an einem Querschnittssprung an der Brennermündung eine Rückströmzone induziert, welche im Betrieb des Brenners zur Stabilisierung der Flamme dient, die Drallströmung innerhalb des Brennerhohlraums in Richtung auf die Brennermündung auf mindestens einem Umfangsabschnitt zunehmend radial zu deformieren und in einem nichtrotationssymmetrischen Strömungsquerschnitt in den Brennraum eintreten zu lassen, wobei diese Deformation zu Lasten des freien Strömungsquerschnitts des Brennerhohlraums erzeugt wird.The method according to the invention is based on the basic idea of fluid mechanics Stabilization of a premix burner in which at least one Combustion air flow is introduced tangentially into a burner cavity and itself forming a swirl flow oriented coaxially to the burner axis with a injected gaseous and / or liquid fuel mixed and at one Cross-sectional jump at the burner mouth induces a backflow zone, which during burner operation to stabilize the flame, the swirl flow inside of the burner cavity towards the burner mouth at least increasingly radially deform a peripheral portion and in a non-rotationally symmetrical To let the flow cross-section enter the combustion chamber, this deformation at the expense of the free flow cross section of the burner cavity is produced.
Die Ausbildung kohärenter Wirbelstrukturen wird durch eine von der Rotationssymmetrie abweichende Formgebung des Strömungsquerschnitts im Brennerhohlraum und beim Eintritt in den Brennraum gestört. In bestimmten Betriebspunkten ist bei Vormischbrennern nach dem Stand der Technik der Zeitverzug des Brennstoffs vom Eindüsungsort bis zur Flamme konstant. Aus der erfindungsgemässen Deformation des Strömungsquerschnitts resultiert eine breite Verteilung der Verzugszeit. Durch die Verhinderung der Entstehung von Wirbelstrukturen am Brenneraustritt und einen verschmierten Zeitverzug wird auch eine periodische Wärmefreisetzung unterdrückt, die ihrerseits für das Auftreten thermoakustischer Schwingungen verantwortlich ist. Indem die Deformation der Drallströmung durch einengende Abschnitte der Hohlraumkontur erzwungen wird, wie an anderer Stelle noch zu erläutern sein wird, kommt es darüber hinaus zu einer Beschleunigung der Strömung, die sich stabilisierend auf die Rückströmzone auswirkt.The formation of coherent vortex structures is due to a rotational symmetry different shape of the flow cross section in the burner cavity and disturbed when entering the combustion chamber. At certain operating points is at Premix burners according to the prior art, the time delay of the fuel from Injection site constant up to the flame. From the deformation according to the invention of the flow cross section results in a wide distribution of the delay time. By the prevention of the formation of vortex structures at the burner outlet and one smeared time delay also suppresses periodic heat release, which in turn is responsible for the occurrence of thermoacoustic vibrations. By deforming the swirl flow through constricting portions of the cavity contour is forced, as will be explained elsewhere, there is also an acceleration of the flow, which is stabilizing affects the backflow zone.
Ein Vormischbrenner gemäss der Erfindung geht aus von einem Vormischbrenner zum Einsatz in einem Wärmeerzeuger, im wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger mit Mitteln zum tangentialen Einbringen eines Verbrennungsluftstroms in einen Hohlraum des Drallerzeugers sowie Mitteln zum Einbringen von wenigstens einem gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom unter Ausbildung einer Drallströmung mit einer axialen Bewegungskomponente hin zur Brennermündung, an der die Drallströmung unter Induzierung einer Rückströmzone aufplatzt. Ein gattungsbildender Brenner, basierend auf mindestens zwei hohlen, in Strömungsrichtung der Heißgase ineinandergeschachtelten sich konisch erweiternden Teilkörpern, deren Mittelachsen zueinander versetzt verlaufen, ist in EP 0321809 beschrieben, die einen integrierenden Bestandteil dieses Schutzbegehrens darstellt. Derartige, auch als Kegelbrenner oder Doppelkegelbrenner bezeichnete Brennertypen, weisen an ihrem Brenneraustritt eine Abrisskante auf, deren Kantenverlauf aus zwei zueinander versetzten Halbkreisen besteht, deren geschlossener Kantenverlauf jedoch nahezu kreisrund und somit annähernd rotationssymmetrisch zur Brennerachse ausgebildet ist. Das sich im Brennerhohlraum ausbildende Brennstoff-/Luftgemisch breitet sich in Form einer rotationssymmetrischen Drallströmung mit einer axialen Komponente zur Brennermündung hin aus, mit all ihren bekannten Nachteilen bezüglich der Bildung kohärenter Strukturen und den damit verbundenen thermoakustischen Druckschwankungen.A premix burner according to the invention is based on a premix burner for use in a heat generator, essentially consisting of a swirl generator with means for the tangential introduction of a combustion air flow in a cavity of the swirl generator and means for introducing at least a gaseous and / or liquid fuel in the combustion air flow below Formation of a swirl flow with an axial movement component towards Burner mouth at which the swirl flow induces a backflow zone bursts. A generic burner based on at least two hollow ones Flow direction of the hot gases nested conically widening Partial bodies whose central axes are offset from one another is described in EP 0321809 described, which is an integral part of this protection request. Such burner types, also known as cone burners or double-cone burners, have a tear-off edge at their burner outlet, the edge course of which there are two staggered semicircles with closed edges however almost circular and therefore approximately rotationally symmetrical to the burner axis is trained. The fuel / air mixture that forms in the burner cavity spreads in the form of a rotationally symmetrical swirl flow an axial component towards the burner mouth, with all its known Disadvantages with regard to the formation of coherent structures and the associated ones thermoacoustic pressure fluctuations.
Sorgt man hingegen dafür, dass gezielte radiale Deformationen in den Strömungsfluß des Brennstoff-/Luftgemischs eingebracht werden, so dass sich der Strömungsquerschnitt von dem einer rotationssymmetrisch Strömung unterscheidet, so kann auf diese Weise der Ausbildung kohärenter Strukturen und einem konstanten Zeitverzug des Brennstoffswirksam begegnet werden.On the other hand, one ensures that targeted radial deformations in the flow flow of the fuel / air mixture are introduced so that the flow cross-section differs from that of a rotationally symmetrical flow, so can in this way form coherent structures and a constant Delays in fuel can be effectively countered.
Eine derartige Einflußnahme auf die Strömungsgeometrie kann durch mindestens einen Abschnitt der Hohlraumwandung erfolgen, welcher Wandabschnitt in einem stromabwärtigen Endbereich des Brennerhohlraums eine geringere Steigung besitzt als in einem stromaufwärtigen Bereich. Dieser mindestens eine Abschnitt führt damit gegenüber jenen Wandabschnitten auf gleicher Achshöhe, die diese Eigenschaft nicht besitzen, zu einer radialen Abweichung von der Kreisform in Richtung auf die Brennerachse. Jedwede von der Kreisform abweichende Teilkonturen im Brennerhohlraum und an der Austrittskante, bspw. geradlinige oder asphärisch gekrümmte Wandabschnitte über den Umfang, tragen zur Reduzierung von Strömungswirbeln bei.Such influence on the flow geometry can be at least take a section of the cavity wall, which wall section in one downstream end portion of the burner cavity has a smaller slope than in an upstream area. This at least one section leads with it compared to those wall sections at the same axis height that this property do not have a radial deviation from the circular shape towards the Brenner axis. Any partial contours in the burner cavity that deviate from the circular shape and at the trailing edge, e.g. straight or aspherically curved Wall sections across the circumference help to reduce eddies at.
Als grundsätzliche Auslegungsregel für die Ausgestaltung der Brenneraustrittskante ist zu beachten, daß die geometrische Abweichung von einer runden Geometrie zumindest so groß zu wählen ist, daß die sich ergebende Distanz zwischen beiden Geometrien größer als die Grenzschichtdicke der Strömung ist, die durch die Austrittsgeometrie hindurchströmt.As a basic design rule for the design of the burner outlet edge it should be noted that the geometric deviation from a round geometry at least is to be chosen so large that the resulting distance between the two geometries is greater than the boundary layer thickness of the flow caused by the exit geometry flowing.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch dargestellt. Es zeigen:
- Fig. 1a
- perspektivische Darstellung eines Vormischbrenners nach dem Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht
- Fig.1b
- weitere Darstellung eines solchen Brenners in vereinfachter Form
- Fig. 2a-d
- stark schematisierte Wiedergabe des Erfindungsgedankens anhand verschiedener Formen von Drallerzeugern
- Fig. 3
- eine Ausführungsform eines erfindungsgemäss abgeänderten Brenners
- Fig. 4-7
- alternative Ausführungsformen der Erfindung
- Fig. 8
- Darstellung der Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen durch Unterdrückung von Strömungswirbeln in einem Brenner.
- Fig. 1a
- Perspective view of a premix burner according to the prior art, from which the invention is based
- 1b shows
- further representation of such a burner in a simplified form
- 2a-d
- highly schematic representation of the inventive concept based on various forms of swirl generators
- Fig. 3
- an embodiment of a burner modified according to the invention
- Fig. 4-7
- alternative embodiments of the invention
- Fig. 8
- Representation of the suppression of combustion vibrations by suppression of flow eddies in a burner.
Die Fig. 1a und 1b geben in stark schematisierter Form Aufbau und Wirkungsweise
eines Vormischbrenners wieder, wie er Ausgangspunkt der hier vorgestellten Erfindung
ist.
Der Vormischbrenner besteht aus aus zwei hohlen sich konisch erweiternden Teilkörpern
(1) und (2), die derart achsparallel und zueinander versetzt angeordnet sind,
dass sie in zwei spiegelbildlich gegenüberliegenden Überlappungsbereichen tangentiale
Spalte (3) bilden. Obgleich in den Figuren 1a und 1b zwei sich konisch erweiternde
Teilkörper (1) und (2) beispielhaft dargestellt sind, sind indes auch andere
Konfigurationen denkbar. So sind diese Brenner weder auf die Anordnung von zwei
Teilkörpern (1) und (2) beschränkt, noch ist deren konische Konfiguration zwingend
erforderlich. Dies ist dem Fachmann geläufig. Die aus der Versetzung der Längsachsen
resultierenden Spalte (3) dienen als Eintrittskanäle, durch die im Brennerbetrieb
die Verbrennungsluft (5) tangential in den Brennerhohlraum (6) einströmt. Entlang
der tangentialen Eintrittskanäle (3) befinden sich Eindüsungsöffnungen (7), durch
welche ein vorzugsweise gasförmiger Brennstoff in die vorbeiströmende Verbrennungsluft
(5) eingedüst wird. Im Interesse einer guten Durchmischung erfolgt die
Brennstoffeindüsung vorzugsweise innerhalb der Spalte (3) unmittelbar vor Eintritt in
den Brennerhohlraum (6). In dem Anfangsbereich des Brenners, der auch zylindrisch
ausgebildet sein kann (nicht dargestellt), ist eine zentrale Düse (8) zur Zerstäubung
eines flüssigen Brennstoffes vorgesehen, deren Kapazität und Betriebsart sich nach
den Brennerparametern richten. Der flüssige Brennstoff tritt in einem spitzen Winkel
aus der Düse (8) aus und bildet in dem Brennerhohlraum (6) ein kegelförmiges
Brennstoffprofil, das von der tangential eintretenden und in eine Drallströmung (9)
übergehenden Verbrennungsluft (5) umschlossen und fortlaufend zu einem Gemisch
abgebaut wird, welcher Vorgang durch vorgewärmte Verbrennungsluft oder Zumischung
von rückgeführtem Abgas unterstützt werden kann. Es ist alternativ auch
möglich, die Düse (8) mit gasförmigem Brennstoff zu beaufschlagen. Brennraumseitig
besitzt der Vormischbrenner eine als Verankerung der Teilkörper (1) und (2) fungierende
Frontplatte (10), welche eine Anzahl von Bohrungen (11) zur Lufteinbringung
in den Brennraum (12) aufweist. Das in einer Drallströmung (9) den Brennerhohlraum
(6) durchquerende Brennstoff-/Luftgemisch erreicht am stromabwärtigen
Ende der Vormischstrecke (13) an der Brennermündung (14) die optimale Brennstoffkonzentration
über den Querschnitt. Beim Austritt aus dem Brenner platzt die
Drallströmung (9) auf unter Ausbildung einer Rückströmzone (15) mit einem gegenüber
der dort wirkenden Flammenfront (17) stabilisierenden Effekt. Diese aerodynamische
Flammenstabilisierung übernimmt quasi die Funktion eines Flammenhalters.
Das gefürchtete Versagen mechanischer Flammenhalter aufgrund von Überhitzung
mit eventuell nachfolgenden schwerwiegenden Havarien an Maschinensätzen ist
somit ausgeschlossen. Weiterhin verliert die Flamme ausser durch Strahlung keine
Wärme an kalte Wände. Dies trägt zusätzlich zur Vergleichmässigung der Flammentemperatur
und damit zu geringen Schadstoffemissionen und guter Verbrennungsstabilität
bei.
Erfindungsgemäss werden nun Massnahmen vorgesehen, die Drallströmung (9) innerhalb
der Vormischstrecke (13) zunehmend radial zu deformieren. Vorzugsweise
soll diese Deformation symmetrisch erfolgen. Dies ist indes nicht zwingend. Dabei ist
es ein wesentliches Kennzeichen, diese Deformation zu Lasten des freien Strömungsquerschnitts
(18) zu erzielen. Die Wand (21) des Hohlraums (6) weist in einem
stromabwärtigen Bereich (20) wenigstens einen Abschnitt (22) auf, der gegenüber
einem stromaufwärtigen Bereich (19) eine geringere Steigung, bezogen auf die
Brennerachse (4), besitzt. Das heisst, die über den Querschnitt betrachtet annähernd
kreisrunde Kontur (21) des Brennerhohlraums (6) weist, verteilt über den Umfang,
vom Kreisrund der Hohlraumkontur (21) in Richtung auf die Mittelachse (4) abweichende,
also den Hohlraum (6) einengende Abschnitte (22) auf, wie in Fig.2a - 2d im
Längsschnitt schematisch wiedergegeben. Es hat sich nämlich in diesem Zusammenhang
als vorteilhaft erwiesen, die Deformation der Strömung gleichzeitig mit einer
Beschleunigung der Strömung einhergehen zu lassen. Diese Massnahme wirkt
sich besonders günstig auf die Stabilität des Brenners aus. So wirkt sich zum einen
die von der Rotationssymmetrie abweichende Querschnittsform der aus dem Brenner
austretenden Strömung (9) störend auf die Bildung kohärenter Wirbelstrukturen
aus und hemmt damit letztlich die Entstehung thermoakustischer Schwingungen.
Zum anderen führt die aus der absoluten oder relativen Verengung des Strömungsquerschnitts
(18) resultierende Beschleunigung der Drallströmung (9) am Brenneraustritt
(14) zu einer Stabilisierung der Rückströmzone (15), wodurch Fluktuationen
der Rückströmzone (15), die damit verbundene periodische Wärmefreisetzung und
damit wiederum die Entstehung thermoakustischer Schwingungen gehemmt werden.
Aus der Kombination dieser gleichwirkenden Effekte resultieren Synergieeffekte, die
es in besonders vorteilhafter Weise gestatten, mit einem sehr geringen technischen
Aufwand die strömungsmechanische Stabilität eines Vormischbrenners zu erhöhen.
Die Fig.2a - 2d sollen den Erfindungsgedanken anhand stark schematisierter Darstellungen
erläutern. Fig.2a zeigt eine bekannte Drallerzeugergeometrie, mit der die
Erfindung in günstiger Weise verwirklicht werden kann, wobei- wie an anderer Stelle
erwähnt - die konische Konfiguration des Drallerzeugers (13) indes nicht zwingend
ist.
Die Fig.2b - 2d versinnbildlichen den Erfindungsgedanken, der darin besteht, zum
Zwecke der Deformation des Strömungsprofils die Wandung (21) des Brennerhohlraums
(6) in mindestens einem Umfangsabschnitt (22) zu Lasten des freien Strömungsquerschnitts
(18) in Richtung auf die Brennerachse (4) abzuwinkeln. Dies
kann symmetrisch oder asymmetrisch durch mindestens einen solchen den Strömungsquerschnitt
einengenden Abschnitt (22) erfolgen. In einem stromabwärtigen
Bereich (20) des Hohlraums (6), welcher Bereich (20) beispielsweise bei 2/3 der axialen
Länge einsetzen kann, knickt in wenigstens einem Umfangsabschnitt (22) die
Hohlraumwandung (21) in einem Winkel im Bereich von 2° bis 45°, insbesondere 5°
bis 15°, in Richtung auf die Brennerachse (4) ab. Aus diesen schematischen Darstellungen
erschliesst sich dem Fachmann gleichzeitig ein weiterer Vorteil der Erfindung,
nämlich die mit geringem Aufwand mögliche Nachrüstbarkeit vorhandener
Brenner. Die den Strömungsquerschnitt (18) einengenden Abschnitte (22) können
durch nachträglich aufgebrachte strömungsleitende Einbauten (28) realisiert werden.
Die Figuren 3 bis 7 zeigen Ausführungsformen von gemäss der Erfindung gestalteten
Brennern.
Fig.3 gibt eine bevorzugte Variante der Erfindung wieder, nach der die Brennermündung
(14) eine vieleckige Austrittskontur (16) besitzt. Wie aus den schematischen
Darstellungen der Fig.2 am deutlichsten hervorgeht, wird die sich konisch erweiternde
Kontur (23) des Brennerhohlraums (6) in einem stromabwärtigen Endbereich (20)
abgebrochen und mit einer gegenüber dem vorhergehenden Bereich (19) geringeren
Steigung im Verhältnis zur Längsachse (4) fortgeführt. Der Begriff verringerte Steigung
soll auch einen Verlauf parallel zur Längsachse (4) oder einen konvergenten
Verlauf umfassen, wie aus den Figuren 2 ersichtlich. Zur Realisierung dieser Anregung
bietet sich dem Fachmann eine Vielzahl von Massnahmen an. Nach einer bevorzugten
Ausführungsform werden in die schalenförmigen Teilkörper (1) und (2)
nach dem Stand der Technik ausgebildeter Brenner entsprechend ausgeformte
Platten (28) eingeschweisst, die - planimetrisch betrachtet - Sehnen darstellen,
die Kreissegmente aus dem freien Strömungsquerschnitt (18) des Brennerhohlraums
(6) herausschneiden. Je Teilkörper (1) oder (2) werden vorzugsweise eine bis vier
solcher Platten (28) auf die Innenwandung (21) aufgeschweisst. Bei neuen Brennern
erfolgt die Formgebung der Wandkontur im Herstellungsprozess.
Nach einer anderen aus Fig.4 in Verbindung mit Fig.2c ersichtlichen Ausführungsform
ist der Brenner in einem stromaufwärtigen Bereich (19) in an sich bekannter
Weise aus zwei versetzt ineinandergeschachtelten Teilkörpern (1) und (2) von im
wesentlichen kreisförmigem Querschnitt ausgebildet. In einem Übergangsbereich auf
etwa 2/3 der axialen Länge geht die Innenwand (21) aus ihrer im wesentlichen kreisförmigen
Kontur in eine vieleckige über, die sich im weiteren Verlauf zur Brennermündung
(14) hin zunehmend ausprägt. Diese den Strömungsquerschnitt (18) sehnenartig
einengenden Abschnitte (22) der Hohlraumwandung (21) besitzen eine gegenüber
den stomaufwärtigen Bereichen (19) der Hohlraumwandung (6) geringere
Divergenz in Relation zur Längsachse (4). Der Begriff geringere Differenz soll dabei
auch die Möglichkeit eines parallelen oder konvergenten Verlaufs zur Längsachse (4)
mit einschliessen. In Betrachtung des Querschnitts weisen die einengenden Abschnitte
(22) in der Regel eine geradlinige Kontur auf. Ein leicht konvexer oder konkaver
Verlauf ist indes ebenfalls möglich. Ein konvexer Verlauf ist insbesondere im
Falle der Anordnung einer geringen Anzahl oder lediglich eines oder zweier solcher
Abschnitte (22) vorteilhaft.
Eine weitere, nicht in einer Figur gezeigte Ausfürhungsform besteht darin, den Brennerhohlraum
(6) auch in seinem stromaufwärtigen Bereich (19) nicht mit einem
kreisförmigen Querschnitt auszustatten, sondern den Brenner mit einem durchgehend
nicht-rotationssymmetrisch konturierten Hohlraum (6) auszurüsten. Diese Ausführungsform
bietet sich insbesondere für vieleckige Konturen (23) des Hohlraumquerschnitts
(18) an.
Es ist aus dem Stand der Technik an sich bekannt, Brenner, so wie sie vorstehend
definiert sind, zum Zwecke einer verbesserten Durchmischung und Flammenpositionierung
bei schwierigen Brennstoffen mit Düsen (24) oder Mischrohren (25) auszurüsten,
die dem Drallerzeuger (13) nachgeschaltet sind. Auch für derartige Brennervarianten
ist die Erfindung geeignet, durch Störung der Strömungsinstabilitäten und
Erzeugung eines verschmierten Zeitverzugs des Brennstoffs vom Eindüsungsort bis
zur Flamme die strömungsmechanische Stabilität solcher Brenner zu erhöhen.
Die Fig.5 und 6 geben einen Vormischbrenner wieder, bestehend aus einem Drallerzeuger
(13) für einen Verbrennungsluftstrom (5) und Mitteln zur Eindüsung mindestens
eines Brennstoffs (7) und/oder (8), wobei stromab des Drallerzeugers (13) eine
Mischstrecke (25) angeordnet ist. In das die Mischstrecke (25) umgrenzende Gehäuse
(26) können in gleichmässiger Umfangsverteilung spitz zur Längsachse (4) verlaufende
Einlassöffnungen (27) zum Eindüsen einer zusätzlichen Verbrennungsluftmenge
angeordnet sein. Vorzugsweise in einem Bereich stromab der Einlassöffnungen
(27) wird der rotationssymmetrische Strömungsquerschnitt der Mischstrecke (25)
durch den freien Querschnitt (29) verengende Abschnitte (22) abgelenkt und radial
deformiert. Die Austrittsöffnung (16) nimmt eine vieleckige Querschnittsform ein, zusammengesetzt
aus einer Mehrzahl geradliniger Abschnitte (22). Vielversprechend
sind Austrittskonturen (16) in Form eines regelmässigen oder unregelmässigen
(Fig.5) Vielecks. Die einzelnen geradlinigen Abschnitte (22) der Austrittskante (27)
umspannen die Austrittsöffnung (16) des Brenners. Indes ist diese Geradlinigkeit, wie
an anderer Stelle bereits erwähnt, nicht zwingend, und diese Abschnitte (22) können
auch konvex oder konkav ausgebildet sein. Fig.6 deutet einen konvex ausgeformten
Wandabschnitt (22) in asymmetrischer Anordnung an.
Fig.7 schliesslich zeigt eine Ausführungsvariante mit einem zylindrischen oder konvergenten
Düsenabschnitt (24) am stromabwärtigen Brennerende. Nach dem Stand
der Technik dienen diese nachgeschalteten Düsen (24) vorrangig einer Beschleunigung
der Strömung am Brenneraustritt und damit einer Stabilisierung der Rückströmzone
(15). Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird diese wünschenswerte
Beschleunigung durch eine in Strömungsrichtung einsetzende und zunehmende
Querschnittsverringerung dergestalt erreicht, dass dieser Düsenabschnitt (24) in
Strömungsrichtung aus einer im wesentlichen kreisförmigen Querschnittsform auf
eine andere Querschnittsform eingeengt wird, beispielsweise die eines regelmässigen
oder unregelmässigen Vielecks oder eines Ovals.1a and 1b show the structure and mode of operation of a premix burner in a highly schematic form, as is the starting point of the invention presented here.
The premix burner consists of two hollow, conically widening partial bodies (1) and (2) which are arranged so as to be axially parallel and offset from one another in such a way that they form tangential gaps (3) in two overlapping areas opposite each other in mirror image. Although two conically widening partial bodies (1) and (2) are shown as examples in FIGS. 1a and 1b, other configurations are also conceivable. So these burners are neither limited to the arrangement of two partial bodies (1) and (2), nor is their conical configuration absolutely necessary. This is familiar to the person skilled in the art. The gaps (3) resulting from the displacement of the longitudinal axes serve as inlet channels through which the combustion air (5) flows tangentially into the burner cavity (6) during burner operation. Along the tangential inlet channels (3) there are injection openings (7) through which a preferably gaseous fuel is injected into the combustion air (5) flowing past. In the interest of thorough mixing, the fuel is preferably injected within the column (3) immediately before entering the burner cavity (6). In the initial area of the burner, which can also be cylindrical (not shown), there is a central nozzle (8) for atomizing a liquid fuel, the capacity and operating mode of which depend on the burner parameters. The liquid fuel emerges from the nozzle (8) at an acute angle and forms a conical fuel profile in the burner cavity (6), which is enclosed by the combustion air (5) entering tangentially and passing into a swirl flow (9) and continuously forms a mixture which process can be supported by preheated combustion air or admixture of recirculated exhaust gas. Alternatively, it is also possible to apply gaseous fuel to the nozzle (8). On the combustion chamber side, the premix burner has a front plate (10) which acts as anchoring of the partial bodies (1) and (2) and which has a number of bores (11) for introducing air into the combustion chamber (12). The fuel / air mixture crossing the burner cavity (6) in a swirl flow (9) reaches the optimum fuel concentration over the cross section at the downstream end of the premixing section (13) at the burner mouth (14). When exiting the burner, the swirl flow (9) bursts, forming a backflow zone (15) with a stabilizing effect with respect to the flame front (17) acting there. This aerodynamic flame stabilization takes over the function of a flame holder. The dreaded failure of mechanical flame holders due to overheating with possible subsequent severe accidents on machine sets is therefore excluded. Furthermore, the flame loses no heat to cold walls except through radiation. This also contributes to the uniformity of the flame temperature and thus to low pollutant emissions and good combustion stability.
According to the invention, measures are now provided to radially deform the swirl flow (9) within the premixing section (13). This deformation should preferably take place symmetrically. However, this is not mandatory. It is an essential characteristic to achieve this deformation at the expense of the free flow cross section (18). The wall (21) of the cavity (6) has at least one section (22) in a downstream area (20), which has a smaller gradient with respect to the burner axis (4) compared to an upstream area (19). This means that, viewed over the cross section, has an approximately circular contour (21) of the burner cavity (6), distributed over the circumference, deviating from the circular contour of the cavity contour (21) in the direction of the central axis (4), i.e. constricting the cavity (6) Sections (22), as shown schematically in Fig. 2a - 2d in longitudinal section. In this context, it has proven to be advantageous to have the deformation of the flow accompanied by an acceleration of the flow. This measure has a particularly favorable effect on the stability of the burner. On the one hand, the cross-sectional shape of the flow (9) emerging from the burner, which deviates from the rotational symmetry, has a disruptive effect on the formation of coherent vortex structures and ultimately inhibits the formation of thermoacoustic vibrations. On the other hand, the acceleration of the swirl flow (9) at the burner outlet (14) resulting from the absolute or relative narrowing of the flow cross section (18) leads to a stabilization of the return flow zone (15), which means fluctuations in the return flow zone (15), the associated periodic heat release and this in turn inhibits the generation of thermoacoustic vibrations. The combination of these effects, which have the same effect, results in synergy effects which, in a particularly advantageous manner, allow the fluid-mechanical stability of a premix burner to be increased with very little technical effort. 2a-2d are intended to explain the inventive concept on the basis of highly schematic representations. Fig. 2a shows a known swirl generator geometry with which the invention can be implemented in a favorable manner, whereby - as mentioned elsewhere - the conical configuration of the swirl generator (13) is not mandatory.
2b-2d symbolize the idea of the invention, which consists in the wall (21) of the burner cavity (6) in at least one peripheral section (22) at the expense of the free flow cross section (18) in the direction of the burner axis for the purpose of deforming the flow profile (4) to bend. This can be done symmetrically or asymmetrically by at least one such section (22) constricting the flow cross section. Can insert into a downstream portion (20) of the cavity (6), which area (20), for example, at 2/3 of the axial length, the cavity wall (21) bends in at least one peripheral portion (22) at an angle in the range of 2 ° up to 45 °, in particular 5 ° to 15 °, in the direction of the burner axis (4). From these schematic representations, a further advantage of the invention is evident to the person skilled in the art, namely the fact that existing burners can be retrofitted with little effort. The sections (22) constricting the flow cross section (18) can be realized by subsequently applied flow-guiding internals (28). FIGS. 3 to 7 show embodiments of burners designed according to the invention.
3 shows a preferred variant of the invention, according to which the burner mouth (14) has a polygonal outlet contour (16). As can be seen most clearly from the schematic representations of FIG. 2, the conically widening contour (23) of the burner cavity (6) is broken off in a downstream end region (20) and with a smaller gradient compared to the preceding region (19) Longitudinal axis (4) continued. The term reduced slope is also intended to include a course parallel to the longitudinal axis (4) or a convergent course, as can be seen from FIGS. A multitude of measures are available to the person skilled in the art to implement this suggestion. According to a preferred embodiment, correspondingly shaped plates (28) are welded into the bowl-shaped partial bodies (1) and (2) according to the state of the art, which - viewed planimetrically - represent tendons, the circle segments from the free flow cross section (18) of the burner cavity Cut out (6). One to four such plates (28) are preferably welded onto the inner wall (21) for each partial body (1) or (2). With new burners, the wall contour is shaped in the manufacturing process.
According to another embodiment shown in FIG. 4 in connection with FIG. 2c, the burner is formed in an upstream region (19) in a manner known per se from two staggered partial bodies (1) and (2) of essentially circular cross-section. In a transition region to about 2/3 of the axial length of the inner wall (21) goes from its substantially circular contour over in a polygonal, the through increasingly expresses itself in the further course to the burner mouth (14). These sections (22) of the cavity wall (21) constricting the flow cross-section (18) like tendons have a lower divergence in relation to the longitudinal axis (4) compared to the upstream regions (19) of the cavity wall (6). The term smaller difference is also intended to include the possibility of a parallel or convergent course to the longitudinal axis (4). Considering the cross-section, the constricting sections (22) generally have a straight contour. A slightly convex or concave course is also possible. A convex course is particularly advantageous in the case of the arrangement of a small number or only one or two such sections (22).
Another embodiment, not shown in a figure, is not to provide the burner cavity (6) with a circular cross-section even in its upstream region (19), but rather to equip the burner with a cavity (6) which is contoured non-rotationally symmetrically. This embodiment is particularly suitable for polygonal contours (23) of the cavity cross section (18).
It is known per se from the prior art to equip burners, as defined above, with nozzles (24) or mixing tubes (25) downstream of the swirl generator (13) for the purpose of improved mixing and flame positioning in the case of difficult fuels , The invention is also suitable for such burner variants, by disturbing the flow instabilities and producing a smeared time delay of the fuel from the injection point to the flame, to increase the fluid-mechanical stability of such burners.
5 and 6 show a premix burner consisting of a swirl generator (13) for a combustion air stream (5) and means for injecting at least one fuel (7) and / or (8), with a mixing section downstream of the swirl generator (13) (25) is arranged. In the housing (26) bordering the mixing section (25), inlet openings (27) running in a uniform circumferential distribution to the longitudinal axis (4) can be arranged to inject an additional quantity of combustion air. Preferably in a region downstream of the inlet openings (27), the rotationally symmetrical flow cross section of the mixing section (25) is deflected and radially deformed by the free cross section (29) restricting sections (22). The outlet opening (16) takes on a polygonal cross-sectional shape, composed of a plurality of rectilinear sections (22). Exit contours (16) in the form of a regular or irregular (Fig. 5) polygon are promising. The individual rectilinear sections (22) of the outlet edge (27) span the outlet opening (16) of the burner. However, as already mentioned elsewhere, this straightness is not mandatory, and these sections (22) can also be convex or concave. Fig. 6 indicates a convex wall section (22) in an asymmetrical arrangement.
Finally, FIG. 7 shows an embodiment variant with a cylindrical or convergent nozzle section (24) at the downstream end of the burner. According to the prior art, these downstream nozzles (24) serve primarily to accelerate the flow at the burner outlet and thus to stabilize the backflow zone (15). According to one embodiment of the invention, this desirable acceleration is achieved by an increasing and decreasing cross-sectional area in the flow direction such that this nozzle section (24) is narrowed in the flow direction from an essentially circular cross-sectional shape to another cross-sectional shape, for example that of a regular or irregular polygon or one oval.
In Figur 8 ist ein Diagramm dargestellt, das entlang der Abszisse die Verbrennungsleistung des Brenners gemäß Figur 3 aufgetragen zeigt und entlang der Ordinate eine Skalierung, die die Ausbildung von thermoakustischen Schwingungen, die als Folge kohärenter Strukturen innerhalb des Strömungsflusses im Brenner entstehen, quantifiziert. Betrachtet werden thermoakustische Schwingungen im 100 Hz-Bereich. Vergleicht man einen Brenner mit konventionellem Brenneraustritt gemäss Ausführungsform in Fig.1 (siehe Linienzug mit Quadraten durchsetzt) mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Brenneraustritt gemäß Ausführungsform in Fig.3 (siehe Linienzug mit Kreisen durchsetzt), so fällt deutlich auf, dass im letzteren Fall ein erheblich geringerer Anteil thermoakustischer Schwingungen entsteht.FIG. 8 shows a diagram that shows the combustion output along the abscissa shows the burner according to FIG. 3 and along the ordinate a scaling that the formation of thermoacoustic vibrations that as Result of coherent structures within the flow flow in the burner, quantified. Thermoacoustic vibrations in the 100 Hz range are considered. Comparing a burner with a conventional burner outlet according to the embodiment in Fig. 1 (see line traversed with squares) with an inventive trained burner outlet according to the embodiment in Fig. 3 (see line drawing interspersed with circles), it is clearly noticeable that in the latter case a significant lower proportion of thermoacoustic vibrations arises.
Die vorstehend ausgeführten Ausführungsbeispiele sind keineswegs in einem für die Erfindung einschränkenden Sinne zu verstehen. Sie sind instruktiv und als Abriss der Mannigfaltigkeit möglicher Ausführungsformen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung zu verstehen. The exemplary embodiments set out above are in no way in one for the To understand the invention restricting meaning. They are instructive and as an outline of the Diversity of possible embodiments of those characterized in the claims Understanding invention.
- 11
- Teilkörperpartial body
- 22
- Teilkörperpartial body
- 33
- tangentialer Verbrennungslufteintrittskanaltangential combustion air inlet duct
- 44
- BrennerachseBrenner
- 55
- Verbrennungsluftcombustion air
- 66
- Brennerhohlraumburner chamber
- 77
- Eindüsungsöffnungen für BrennstoffInjection openings for fuel
- 88th
- zentrale Brennstoffdüsecentral fuel nozzle
- 99
- Drallströmungswirl flow
- 1010
- Frontplattefront panel
- 1111
- KühlluftbohrungenCooling air holes
- 1212
- Brennraumcombustion chamber
- 1313
- Drallerzeuger, VormischstreckeSwirl generator, premixing section
- 1414
- Brennermündungburner mouth
- 1515
- Rückströmzonebackflow
- 1616
- Austrittsquerschnitt in den BrennraumOutlet cross section into the combustion chamber
- 1717
- Flammenfrontflame front
- 1818
- Strömungsquerschnitt des BrennerhohlraumsFlow cross section of the burner cavity
- 1919
- stromaufwärtiger Bereich des Brennerhohlraumsupstream area of the burner cavity
- 2020
- stromabwärtiger Bereich des Brennerhohlraumsdownstream area of the burner cavity
- 2121
- Wand des BrennerhohlraumsWall of the burner cavity
- 2222
- Wandabschnittwall section
- 2323
- Innenkontur des BrennerhohlraumsInner contour of the burner cavity
- 2424
- Brennerdüseburner
- 2525
- Mischstreckemixing section
- 2626
- MischstreckengehäuseMixing section housing
- 2727
- Austrittskantetrailing edge
- 2828
- Einbauten fixtures
- 2929
- Strömungsquerschnitt in der MischstreckeFlow cross-section in the mixing section
- 3030
- Wand der MischstreckeWall of the mixing section
- 3131
- stromaufwärtiger Bereich der Mischstreckeupstream area of the mixing section
- 3232
- stromabwärtiger Bereich der Mischstreckedownstream area of the mixing section
- 3333
- Strömungsquerschnitt der BrennerdüseFlow cross section of the burner nozzle
- 3434
- Wand der DüseWall of the nozzle
- 3535
- stromaufwärtiger Bereich der Düseupstream area of the nozzle
- 3636
- stromabwärtiger Bereich der Düsedownstream area of the nozzle
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