EP1217297A1

EP1217297A1 - Burner with increased flame stability

Info

Publication number: EP1217297A1
Application number: EP01128806A
Authority: EP
Inventors: Thomas Ruck; Hans Peter Knoepfel
Original assignee: Alstom Schweiz AG; Alstom Power NV
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2002-06-26
Also published as: US20040018459A1; US20020172905A1; DE10064259A1; DE10064259B4; US6640545B2

Abstract

The burner for a gas turbine comprises a conical premixer (100) with tangential air inlets and fuel feeds along its walls, so that a turbulent air/fuel mixture is produced. A wider mixing section (300) is fitted on the end of the premixer. This has outlets (311) at the upstream end connecting it with a combustion chamber (50). An Independent claim is included for a method for burning lean fuel mixtures produced in a premixer as described above.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung beschreibt einen Brenner für einen Wärmeerzeuger gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention describes a burner for a heat generator according to the Preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Aus der EP 0 321 809, aus der EP 0 780 629, aus der WO 9317279, sowie aus der EP 0 945 677 sind Vormischbrenner bekanntgeworden, bei denen ein Verbrennungsluftstrom über einen Drallerzeuger tangential in einen Brennerinnenraum eingebracht und mit Brennstoff vermischt wird. am Brenneraustritt platzt die entstehende Wirbelströmung an einem Querschnittssprung auf, wodurch eine Rückströmzone induziert wird, welche im Betrieb des Brenners zur Stabilisierung einer Flamme dient.From EP 0 321 809, from EP 0 780 629, from WO 9317279, and from EP 0 945 677 premix burners are known in which a combustion air flow tangentially into a burner interior via a swirl generator introduced and mixed with fuel. bursts at the burner outlet the resulting vortex flow on a cross-sectional jump, whereby a backflow zone is induced, which stabilizes during operation of the burner serves a flame.

Wiewohl derartige Brenner einen Betrieb mit sehr niedrigen Schadstoffemissionen ermöglichen, operieren sie oft gefährlich nahe an der Löschgrenze der Flamme: Übliche realisierte Flammentemperaturen mit den mageren Vormischflammen derartiger Brenner liegen um 1700K bis 1750K. Die Löschgrenze der Flammen wird um 1650K angegeben. Dieser Wert ist vergleichsweise hoch. Dies liegt in der Brennstoffarmut des Brennstoff-Luft-Gemisches begründet. Diese reduziert die Flammengeschwindigkeit, was letztlich in einer grösser räumlich ausgedehnten und daher instabileren Flammenfront resultiert.Although such burners operate with very low pollutant emissions they often operate dangerously close to the extinction limit the flame: Usual realized flame temperatures with the lean premix flames such burners are around 1700K to 1750K. The deletion limit the flames are stated around 1650K. This value is comparative high. This is due to the low fuel consumption of the fuel-air mixture. This reduces the flame speed, which ultimately results in a bigger one spatially extensive and therefore more unstable flame front results.

Eine stärkere Anfettung des Gemisches würde jedoch die Schadstoffemissionen nach oben treiben und den Einsatz magerer Vormischbrenner ad absurdum führen.A stronger enrichment of the mixture would, however, pollutant emissions drive up and the use of lean premix burners ad absurdum to lead.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stabilität der mageren Vormischverbrennung moderner Brenner der eingangs genannten Art, wie sie insbesondere in den Brennkammern von Gasturbinen eingesetzt werden, zu verbessern, indem der Abstand zwischen der Flammentemperatur und der Löschgrenzentemperatur vergrössert wird. Dabei ist eine essentielle Anhebung der Verbrennungstemperatur zu vermeiden, um weiterhin einen schadstoffarmen Betrieb zu gewährleisten.The present invention has for its object the stability of the lean Premix combustion of modern burners of the type mentioned above, such as they are used in particular in the combustion chambers of gas turbines, to improve by the distance between the flame temperature and the Extinguishing limit temperature is increased. There is an essential increase the combustion temperature to avoid a low pollutant To ensure operation.

Erfindungsgemäss wird dies erreicht, indem der Brenner an einem stromabwärtigen Ende eine Verbrennungsgasmischstrecke aufweist, welche Verbrennungsgasmischstrecke wenigstens teilweise in einen Brennraum hineinragt, und welche stromauf ihrer Mündung in den Brennraum Verbrennungsgaseinlassöffnungen aufweist, über welche Verbrennungsgaseinlassöffnungen im Betrieb des Brenners eine Verbrennungsgasmenge aus dem Brennraum in die Verbrennungsgasmischstrecke einströmt.According to the invention, this is achieved by the burner on a downstream one End has a combustion gas mixing section, which combustion gas mixing section at least partially protrudes into a combustion chamber, and which combustion gas inlet openings upstream of their mouth into the combustion chamber has, via which combustion gas inlet openings in the Operation of the burner a quantity of combustion gas from the combustion chamber into the Combustion gas mixing section flows.

Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, dass eine Erhöhung der Temperatur des Frischgases - also des Brennstoff-Luft-Gemisches - eine Erhöhung der Flammengeschwindigkeit zur Folge hat. Im relevanten Bereich führt eine Erhöhung der Frischgastemperatur um 300K in etwa zu einer Verdoppelung der Flammengeschwindigkeit. In der Folge reduziert sich die Ausdehnung der Flammenfront, und die Löschgrenzentemperatur des Brenners sinkt.The invention makes use of the knowledge that an increase the temperature of the fresh gas - i.e. the fuel-air mixture - one Increase in flame speed. In the relevant area an increase of the fresh gas temperature by 300K roughly doubles the flame speed. As a result, the expansion is reduced the flame front, and the extinguishing limit temperature of the burner sinks.

Kern der Erfindung ist also eine Erhöhung der Temperatur des Brennstoff-Luft-Gemisches vorgängig der Verbrennung. Eine Vorwärmung der Verbrennungsluft ist dabei gerade in Gasturbinenanwendungen eigentlich nicht mehr realisierbar. Erfindungsgemäss wird daher eine in die Verbrennungszone hineinragende Verbrennungsgasmischstrecke verwendet, in welche einerseits das vorgemischte Brennstoff-/Luftgemisch als Frischgas einströmt, in welche andererseits aber auch in einem stromaufwärtigen Bereich der Mischstrecke heisse Verbrennungsgase aus dem Brennraum in die Verbrennungsgasmischstrecke einströmen, die sich in der Mischstrecke mit dem Frischgas vermischen und so die Temperatur des in eine stromab der Verbrennungsgasmischstrecke sich ausbildende Verbrennungszone zuströmenden Gases anheben. Wie oben beschrieben, wird dadurch die Löschgrenzentemperatur der Flamme gesenkt, und so bei gleicher Verbrennungstemperatur die Flammenstabilität verbessert.The essence of the invention is therefore an increase in the temperature of the fuel-air mixture prior to the combustion. Preheating the combustion air is actually no longer feasible, especially in gas turbine applications. According to the invention, therefore, a protruding into the combustion zone Combustion gas mixing section used, in which on the one hand the premixed Fuel / air mixture flows as fresh gas, in which on the other hand but also in an upstream area of the mixing section Combustion gases from the combustion chamber into the combustion gas mixing section inflow, which mix in the mixing section with the fresh gas and so the temperature of the in a downstream of the combustion gas mixing section raise the forming combustion zone of the incoming gas. As described above, this lowers the extinguishing limit temperature of the flame, and thus improves flame stability at the same combustion temperature.

Durch die Erhöhung der Gemischtemperatur wird zwar vordergründig die Verbrennungstemperatur und damit die Stickoxidbildung erhöht; jedoch darf nicht unberücksichtigt bleiben, dass das Brennstoff-/Luftgemisch mit inertem Verbrennungsgas vermischt ist. Daher wird zwar die mittlere Flammentemperatur angehoben, die Leistungsdichte und die Temperaturerhöhung aber nehmen ab, was die Effekte auf die Schadstoff- und insbesondere Stickoxidbildung insgesamt kompensiert. Die Effekte kombinieren sich besonders günstig, wenn der Massenstrom der beigemischten Verbrennungsgase zwischen 5% und 60% des zugeführten Luftmassenstroms beträgt.By increasing the mixture temperature, the combustion temperature becomes apparent and thus increases nitrogen oxide formation; however, must not do not take into account that the fuel / air mixture with inert combustion gas is mixed. Therefore, the mean flame temperature increased, but the power density and the temperature increase decrease, what the overall effects on pollutant and especially nitrogen oxide formation compensated. The effects combine particularly favorably if the Mass flow of the added combustion gases between 5% and 60% of the supplied air mass flow.

Die Zumischung von Verbrennungsgasen lässt sich durch geeignete konstruktive Massnahmen unterstützen. Insbesondere kann der axiale Strömungsquerschnitt der Mischstrecke derart gestaltet werden, dass an der Stelle, an der die Verbrennungsgaseinlassöffnungen angeordnet sind, ein Unterdruck gegenüber dem Brennraum vorherrscht. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem der axiale Strömungsquerschnitt eine sprunghafte Querschnittserweiterung aufweist, an dem sich ein Totwasser mit einem Unterdruck ausbildet. Die Verbrennungsgaseintrittsöffnungen sind in diesem Falle unmittelbar stromab des Querschnittssprungs angeordnet. Im Betrieb werden Verbrennungsgase in das Totwasser eingesogen. Hierbei sollte Sorge getragen werden, dass das Querschnittsverhältnis der Strömungssektionen stromauf und stromab des Querschnittssprunges nicht zu gross wird, damit die im Brenner erzeugte Drallströmung bis zur Mündung der Mischstrecke in den Brennraum erhalten bleibt, was wesentlich für die Funktion der im Oberbegriff der Ansprüche genannten Brenner ist. Ein gutes Betriebsverhalten gewährleistet ein Querschnittsflächenverhältnis im Bereich von 1,05 bis 2,5.The admixture of combustion gases can be done by suitable constructive Support measures. In particular, the axial flow cross section the mixing section can be designed so that at the point where the Combustion gas inlet openings are arranged opposite a negative pressure prevails in the combustion chamber. This can be achieved, for example, by the axial flow cross section an abrupt expansion of the cross section has, on which a dead water with a negative pressure forms. The combustion gas inlet openings are in this case immediately downstream of the Cross-sectional jump arranged. In operation, combustion gases are in the Dead water sucked in. Care should be taken that the cross-sectional ratio the flow sections upstream and downstream of the cross-sectional jump does not become too large so that the swirl flow generated in the burner until the mouth of the mixing section into the combustion chamber, what remains essential for the function of the burner mentioned in the preamble of the claims is. A good operating behavior ensures a cross-sectional area ratio in the range of 1.05 to 2.5.

Eine weitere Möglichkeit, mittels der Druckverhältnisse in der Verbrennungsgasmischstrecke die Druckverhältnisse im Sinne einer verstärkten Verbrennungsgaseinmischung zu beeinflussen, stellt eine diffusorartige Ausformung der Mischstrecke stromab der Verbrennungsgaseintrittsöffnungen dar; auch ein konvergent-divergenter Verlauf der Mischstrecke, bei dem die Verbrennungsgaseintrittsöffnungen im Bereich des engsten Strömungsquerschnittes angeordnet sind, ist möglich. Der Diffusorhalbwinkel des divergenten Teiles der Verbrennungsgasmischstrecke sollte in diesen Fällen im Bereich von 3° bis 10°, vorzugsweise bei 5° liegen.Another possibility, by means of the pressure conditions in the combustion gas mixing section the pressure conditions in the sense of increased combustion gas mixing a diffuser-like shape the mixing section downstream of the combustion gas inlet openings; also a convergent-divergent course of the mixing section, in which the combustion gas inlet openings arranged in the area of the narrowest flow cross-section are possible. The diffuser half angle of the divergent part of the In these cases, the combustion gas mixing section should be in the range of 3 ° to 10 °, preferably 5 °.

Die Erfindung beruht auf Vormischbrennern, welche aus dem eingangs zitierten Stand der Technik dem Fachmann als solche wohlbekannt und geläufig sind. Die Erfindung kann ohne weiteres mit allen in den dort zitierten Schriften offenbarten und den aus diesen Schriften weitergebildeten, dem Fachmann an sich geläufigen Drallerzeuger- und Brennerbauarten kombiniert werden, welche in der Vielgestalt der möglichen Ausführungsformen durch die in den Unteransprüchen angegebenen Vorzugsvarianten nur unvollständig reflektiert werden.The invention is based on premix burners, which from the above State of the art as such are well known and familiar to those skilled in the art. The invention can readily be used with all of the documents cited therein and those further developed from these writings, to the skilled worker per se common swirl generator and burner types are combined, which in the variety of possible embodiments by the in the subclaims specified preferred variants are only partially reflected.

Die Wandung der Verbrennungsgasmischstrecke befindet sich im Betrieb in einer starken Heissgasexposition. Insbesondere bei Verwendung herkömmlicher Werkstoffe wird sie mit Vorteil gekühlt ausgeführt. Aus Gründen der Kühleffizienz wird eine Filmkühlung zu bevorzugen sein.The wall of the combustion gas mixing section is in operation in a strong exposure to hot gas. Especially when using conventional ones Materials are advantageously cooled. For cooling efficiency reasons film cooling will be preferred.

Es ist andererseits möglich, die Verbrennungsgasmischstrecke von den übrigen Brennerbauteilen, das heisst vom Drallerzeuger und/oder einem eventuell dem Drallerzeuger nachgeschalteten Mischrohr, mechanisch zu entkoppeln. Das ermöglicht vorteilhaft den Einsatz von Werkstoffen, deren Ausdehnungskoeffizienten und thermische Beständigkeit von denen des Brennerwerkstoffs stark verschieden sind. Da die Verbrennungsgasmischstrecke weiterhin keine nennenswerten mechanischen Lasten zu tragen hat, kann sie mit Vorteil vollkeramisch ausgeführt werden. In diesem Falle kann gegebenenfalls trotz der Heissgasexposition der Mischstrecke auf eine Kühlung verzichtet werden, oder die Kühlung kann geschlossen ausgeführt werden. Ein solcher Verzicht auf die Ausblasung von Kühlmedium in den Bereich der Flamme bringt für den Fachmann sofort erkennbare erhebliche Vorteile mit sich.On the other hand, it is possible to separate the combustion gas mixing section from the others Burner components, i.e. from the swirl generator and / or one possibly to mechanically decouple the mixing tube downstream of the swirl generator. This advantageously enables the use of materials with expansion coefficients and thermal resistance of that of the burner material are very different. Since the combustion gas mixing section still none has to bear significant mechanical loads, it can advantageously be fully ceramic be carried out. In this case, despite the Hot gas exposure of the mixing section can be dispensed with cooling, or the cooling can be carried out closed. Such a waiver of the Blow out of cooling medium in the area of the flame brings for the specialist immediately recognizable significant advantages.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung seien nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche oder einander entsprechende Elemente figurieren unter demselben Bezugszeichen.Further features, advantages and details of the invention are as follows explained using the drawings. Only those essential to the invention will be described Elements shown. The same or corresponding elements figure under the same reference number.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention

Die Figuren 1 und 2 geben in stark schematisierter Weise das Wesen der Erfindung wieder. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100 wirksam, dessen Ausgestaltungsmöglichkeiten in den nachfolgenden Fig.3 - 5 noch ausführlich diskutiert werden. Wie dort gezeigt werden wird, kann es sich bei diesem Drallerzeuger 100 um einen an sich bekannten Vormischbrenner handeln, wie er unter anderem in den in dieser Darlegung zitierten Veröffentlichungen beschrieben ist. Diese beispielhaft zitierten Brenner beruhen allesamt auf einem gemeinsamen Prinzip. Sie weisen einen sich axial erstreckenden, wenigstens annähernd rotationssymmemetrischen Hohlraum 122 auf, in den über vorzugsweise parallel zur Längsachse verlaufende Einlassschlitze 121 Verbrennungsluft einströmt. Durch die tangentiale Ausrichtung dieser mehr oder weniger schlitzförmigen Einlassöffnungen 121 erhält die Verbrennungsluft eine starke tangentiale Geschwindigkeitskomponente, aus der in Wechselwirkung mit der zur Brennermündung hin gerichteten axialen Komponente eine Drallströmung durch den besagen Innenraum (122) resultiert. Die Anreicherung der Verbrennungsluft mit Brennstoff erfolgt alternativ oder ergänzend über Mittel (1111) am Gehäusemantel nahe den Verbrennungslufteinlassschlitzen (121) und/oder über zentrale Zuführmittel (113) in der Brennerachse (100a).
Ferner ist diesen Brennern gemein, dass sich der Strömungsquerschnitt in Richtung zum Brenneraustritt hin stetig erweitert, um mit dem zunehmenden Massenstrom annähernd konstante Strömungsbedingungen aufrechtzuerhalten.
Obgleich die in dieser Schrift beispielhaft genannten Brenner auf dem geschilderten einheitlichen Prinzip beruhen, soll die Erfindung nicht auf diese besondere Gattung von Drallbrennern beschränkt sein, sondern jegliche Art von Vormischbrennern umfassen, deren Flammenstabilität bei gleichbleibend niedriger Schadstoffemission erhöht werden soll.
Erfindungsgemäss schliesst sich nun an die Brennermündung in Verlängerung der Brennerachse eine in die Brennkammer (50) hineinragende Mischstrecke (300) an. Dies kann in jeder geeigneten Weise erfolgen. In Abhängigkeit von den konkreten Bedingungen des Anwendungsfalls erschliesst sich dem Fachmann eine Reihe von Möglichkeiten. So kann die Mischstrecke (300) beispielsweise über eine Flanschverbindung unmittelbar mit dem Drallerzeuger (100) verbunden sein. Alternativ können Drallerzeuger (100) und Mischstrecke (300) auch unter Zwischenschaltung der Brennkammerwand mittelbar verbunden sein. In dieser Mischstrecke (300) werden dem vorgemischten Brennstoff/Luftgemisch heisse Verbrennungsgase aus der Brennkammer (50) beigemischt. Zu diesem Zweck bildet die Mischstrecke (300) an ihrem stromaufwärtigen Ende einen Bereich relativen Unterdrucks aus, der mit einer Anzahl von Durchtrittskanälen (311) für die Verbrennungsgase aus der Brennkammer (50) ausgestattet ist. Der relative Unterdruck wird durch eine dementsprechende Gestaltung der Mischstrecke (300) erzeugt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform, wiedergegeben in Fig.1, besitzt die Mischstrecke (300) gegenüber der Drallzone (100) eine sprunghafte Querschnittserweiterung. Bei der Durchströmung dieses Bereichs kommt es zu einer Grenzschichtablösung der Aussenströmung, auf deren Rückseite sich ein Gebiet stark verzögerter Strömung ausbildet, in dem ein verminderter Druck herrscht, das Totwasser. Als vorteilhaft hat sich dabei ein Querschnittsflächenverhältnis von 1,05 bis 2,5 erwiesen.
Nach einer alternativen Ausführungsform, wiedergegeben in Fig. 2, nimmt die Innenkontur der Mischstrecke (300) einen konvergent-divergenten Verlauf, in dessen engstem Querschnitt die Verbrennungsgaseintrittsöffnungen (311) über den Umfang verteilt angeordnet sind. Um einen ungestörten Strömungsverlauf zu gewährleisten, nimmt der Diffusorhalbwinkel einen Wert von 5° ein. Innerhalb der Mischstrecke (300) mischen sich die Verbrennungsgase weitgehend homogen mit dem Brensstoff-/Luftgemisch, was zwangsläufig zu einem signifikanten Anstieg der Gemischtemperatur führt. Eben diese Temperaturerhöhung steigert die Flammenfrontgeschwindigkeit und senkt damit die Löschgrenzentemperatur, was bei gleicher oder nur unwesentlich höherer Verbrennungstemperatur die Flammenstabilität deutlich verbessert.
Die Verbrennungsgasdurchtrittskanäle (311) durchstossen das Mantelgehäuse (301) der Mischstrecke (300) entweder radial oder mit einer Komponente in Strömungsrichtung. Das heisst, die Längsachsen dieser Öffnungen (311) verlaufen senkrecht oder in einem spitzen Winkel zur Brennerachse 100a. Die Variationsbreite ihrer Querschnittsformen ist vielfältig und reicht vom Kreisrund bis hin zum Ringspalt. Sie können eine parallele oder sich konisch erweiternde Innenkontur besitzen.
Der Brenner, wie er im Oberbegriff der Ansprüche gekennzeichnet ist, ist dem Fachmann in unterschiedlichen Ausbildungen geläufig, die sich von dem in Figur 3 dargestellten Brenner, der im wesentlichen aus einem kegelförmigen Drallerzeuger besteht, in der konkreten Ausführung unterscheiden können. Gleichwohl sind alle diese Brenner nach einem gemeinsamen Prinzip aufgebaut: Sie weisen einen Drallerzeuger in Form eines Hohlkörpers mit einer Längserstreckung auf, welcher einen Drallerzeuger-Innenraum einschliesst. Der Drallerzeuger weist weiterhin in Richtung der Drallerzeuger-Längsachse erstreckte Einlassschlitze oder in Richtung der Längsachse angeordnete Einlassöffnungen auf, deren Durchströmquerschnitt im wesentlichen eine tangentiale Strömungsrichtung vorgibt. Durch diese Einlassöffnungen strömt Verbrennungsluft mit einer starken tangentialen Geschwindigkeitskomponente in den Drallerzeuger-Innenraum ein, und bildet dort eine Drallströmung mit einer gewissen zur Brennermündung in den Brennraum gerichteten Axialkomponente aus. Zumindest im Bereich der Luft-Einlassöffnungen ist dabei der axiale Srömungsquerschnitt des Drallerzeuger-Innenraums mit Vorteil zur Brennermündung hin erweitert. Diese Ausbildung ist günstig, um bei dem in Richtung der Drallerzeugerachse zunehmenden Verbrennungsluft-Massenstrom im Drallerzeuger-Innenraum eine konstante Drallzahl der Drallströmung zu erreichen. Weiterhin weisen diese Brenner Mittel auf, um Brennstoff in die Verbrennungsluft-Strömung einzubringen, welcher sich im Drallerzeuger und in einer fakultativ stromab des Drallerzeugers anzuordnenden Mischzone, beispielsweise einem Mischrohr, möglichst homogen mit der verdrallten Verbrennungsluft vermischt. Am Austritt aus dem Brenner in den Brennraum liegt ein Querschnittssprung des axialen Strömungsquerschnittes vor. Hier kommt es zu einem Aufplatzen der Drallströmung, und der Ausbildung einer zentralen Rückströmzone, die, wie oben bereits ausführlich beschrieben, zur Stabilisierung einer mageren Vormischflamme nutzbar ist.Figures 1 and 2 reflect the essence of the invention in a highly schematic manner. Initially, a swirl generator 100 is effective, the design options of which are discussed in detail in the following FIGS. 3-5. As will be shown there, this swirl generator 100 can be a premix burner known per se, as is described, inter alia, in the publications cited in this description. These burners cited as examples are all based on a common principle. They have an axially extending, at least approximately rotationally symmetrical cavity 122, into which combustion air flows, preferably via inlet slots 121 that run parallel to the longitudinal axis. Due to the tangential orientation of these more or less slit-shaped inlet openings 121, the combustion air receives a strong tangential velocity component, from which, in interaction with the axial component directed towards the burner mouth, a swirl flow through said interior space (122) results. The combustion air is enriched with fuel alternatively or additionally via means (1111) on the housing jacket near the combustion air inlet slots (121) and / or via central feed means (113) in the burner axis (100a).
Furthermore, these burners have in common that the flow cross-section widens steadily in the direction of the burner outlet in order to maintain approximately constant flow conditions with the increasing mass flow.
Although the burners mentioned by way of example in this document are based on the uniform principle described, the invention is not intended to be limited to this particular type of swirl burner, but rather to encompass any type of premix burner whose flame stability is to be increased while the pollutant emissions remain low.
According to the invention, a mixing section (300) protruding into the combustion chamber (50) now adjoins the burner mouth in the extension of the burner axis. This can be done in any suitable manner. Depending on the specific conditions of the application, a number of possibilities open up to the person skilled in the art. For example, the mixing section (300) can be connected directly to the swirl generator (100) via a flange connection. Alternatively, swirl generator (100) and mixing section (300) can also be indirectly connected by interposing the combustion chamber wall. In this mixing section (300), hot combustion gases from the combustion chamber (50) are added to the premixed fuel / air mixture. For this purpose, the mixing section (300) forms an area of relative negative pressure at its upstream end, which is equipped with a number of passage channels (311) for the combustion gases from the combustion chamber (50). The relative negative pressure is generated by designing the mixing section (300) accordingly.
According to a preferred embodiment, shown in FIG. 1, the mixing section (300) has an abrupt cross-sectional widening in relation to the swirl zone (100). When flowing through this area, a boundary layer separation of the external flow occurs, on the back of which an area of strongly delayed flow is formed, in which a reduced pressure prevails, the dead water. A cross-sectional area ratio of 1.05 to 2.5 has proven to be advantageous.
According to an alternative embodiment, shown in Fig. 2, the inner contour of the mixing section (300) takes a convergent-divergent course, in the narrowest cross-section of which the combustion gas inlet openings (311) are arranged distributed over the circumference. In order to ensure an undisturbed flow, the half angle of the diffuser is 5 °. Within the mixing section (300), the combustion gases mix largely homogeneously with the fuel / air mixture, which inevitably leads to a significant increase in the mixture temperature. It is precisely this increase in temperature that increases the flame front speed and thus lowers the extinguishing limit temperature, which significantly improves the flame stability with the same or only slightly higher combustion temperature.
The combustion gas passage channels (311) penetrate the casing (301) of the mixing section (300) either radially or with one component in the direction of flow. This means that the longitudinal axes of these openings (311) run perpendicularly or at an acute angle to the burner axis 100a. The range of their cross-sectional shapes is varied and ranges from circular to annular gap. They can have a parallel or flared inner contour.
The burner, as characterized in the preamble of the claims, is familiar to the person skilled in the art in different designs, which can differ in the specific embodiment from the burner shown in FIG. 3, which essentially consists of a conical swirl generator. Nevertheless, all of these burners are constructed according to a common principle: they have a swirl generator in the form of a hollow body with a longitudinal extension, which includes a swirl generator interior. The swirl generator furthermore has inlet slots extending in the direction of the swirl generator longitudinal axis or inlet openings arranged in the direction of the longitudinal axis, the flow cross section of which essentially specifies a tangential flow direction. Combustion air flows through these inlet openings with a strong tangential speed component into the interior of the swirl generator, where it forms a swirl flow with a certain axial component directed towards the burner orifice in the combustion chamber. At least in the area of the air inlet openings, the axial flow cross section of the swirl generator interior is advantageously expanded toward the burner mouth. This design is favorable in order to achieve a constant swirl number of the swirl flow in the combustion air mass flow increasing in the direction of the swirl generator axis in the swirl generator interior. Furthermore, these burners have means for introducing fuel into the combustion air flow, which mixes as homogeneously as possible with the swirled combustion air in the swirl generator and in a mixing zone, for example a mixing tube, to be arranged downstream of the swirl generator. At the outlet from the burner into the combustion chamber there is a cross-sectional jump in the axial flow cross-section. This causes the swirl flow to burst open and the formation of a central backflow zone which, as already described in detail above, can be used to stabilize a lean premix flame.

Die Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines im Oberbegriff der Ansprüche gekennzeichneten Vormischbrenners, wie er an sich aus der EP 0 321 809 bekanntgeworden ist. Der Brenner besteht im wesentlichen aus einem Drallerzeuger 100 für einen Verbrennungsluftstrom, welcher aus zwei kegelförmigen Teilkörpern 101, 102 gebildet ist. In dem in der Fig. 7 dargestellten Querschnitt ist erkennbar, dass die Teilkörper 101 und 102 mit ihren Achsen 101a und 102 a gegenüber der Brennerachse 100a wie auch gegenseitig lateral versetzt angeordnet sind. Aufgrund dieses lateralen Versatzes der Teilkörper sind zwischen den Teilkörpern tangentiale Einlassschlitze 121 ausgebildet. Durch die tangentialen Einlassschlitze 121 strömt ein Verbrennungsluftstrom 141 im wesentlichen tangential in den Innenraum 122 des Drallerzeugers 100 ein. Es ist selbstverständlich auch möglich, einen derartigen Drallerzeuger 100 mit einer anderen Anzahl von Teilkörpern auszuführen; in Fig. 8 ist der vollkommen analoge Aufbau mit beispielsweise vier Drallerzeuger-Teilkörpern 101, 102, 103 und 104 dargestellt, mit den gegeneinander versetzten Achsen 101a, 102a, 103a, 104a der Teilkörper. Wieder mit Bezug auf Figur 3 bildet sich im Inneren des Drallerzeugers in Folge eine Drallströmung 144 aus, deren axiale Strömungskomponente zur stromabwärtigen Mündung des Drallerzeugers 100 hin weist. Die Teilkörper 101, 102 grenzen am stromabwärtigen Ende des Drallerzeugers 100 an eine Frontplatte 108. Die Frontplatte 108 bildet üblicherweise die Stirnwand eines Brennraumes 50 aus und ist im Normalfall gekühlt. Im Ausführungsbeispiel strömt Kühlluft 148 durch Kühlbohrungen 1081 aus. Der Innenraum 122 des Drallerzeugers 100 weist im wesentlichen die Form eines sich von einem stromaufwärtigen zu einem stromabwärtigen Ende des Drallerzeugers (100) respektive Brenners erweiternden Kegelstumpfes auf. Der so gebildete axiale Strömungsquerschnitt weist an seinem stromabwärtigen Ende, an der Mündung in den Brennraum 50, eine sprunghafte Querschnittserweiterung auf. Durch den Querschnittssprung kommt es zum Aufplatzen der Wirbelströmung 144 und zur Ausbildung einer Rückströmzone 123 im Bereich der Brennermündung. Im Drallerzeuger 100 wird der Verbrennungsluftströmung auf geeignete Weise eine Brennstoffmenge zugeführt. Im Ausführungsbeispiel sind in axialer Richtung des Drallerzeugers 100, im Bereich der tangentialen Einlassschlitze 121, Brennstoffleitungen 111 entlang der Teilkörper 101,102 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind Reihen von Brennstoff-Austrittsbohrungen 1111 zu erkennen. Eine Brennstoffmenge 142 wird über die Brennstoffleitungen 111 herangeführt, und strömt über die Brennstoffaustrittsöffnungen 1111 in den Innenraum 122 des Drallerzeugers 100. Diese Art der Brennstoffzumischung findet häufig und bevorzugt mit gasförmigen Brennstoffen Verwendung. Weiterhin kann über eine zentrale Brennstoffdüse 113 ein Brennstoff 146 ergänzend oder alternativ zu der Brennstoffmenge 142 in den Drallerzeugerinnenraum 122 eingebracht werden; im Beispiel in Figur 3 ist dies ein Flüssigbrennstoff, der einen Spraykegel 147 im Drallerzeugerinnenraum ausbildet. Im Innenraum des Drallerzeugers 100 kommt es zu einer intensiven Vermischung der Brennstoffmenge 142 mit der tangential einströmenden Verbrennungsluft 141. Am Austritt aus dem Brenner in den Brennraum 50 liegt in der Drallströmung 144 ein sehr homogenes Gemisch von Luft und Brennstoff vor. Im Bereich der Rückströmzone 123 kann sich eine Flamme aus dem vorgemischten Brennstoff-/Luftgemisch stabilisieren. Aufgrund der guten Vormischung von Luft und Brennstoff kann diese Flamme unter Vermeidung stöchiometrischer Zonen mit der Ausbildung von "Hot Spots" mit einem recht hohen Luftüberschuss - in der Regel findet man am Brenner selbst Luftzahlen von zwei und darüber - betrieben werden. Aufgrund dieser vergleichsweise kühlen Verbrennungstemperaturen können mit derartigen Brennern sehr geringe Stickoxidemissionen ohne aufwendige Abgasnachbehandlung erreicht werden. Aufgrund der guten Vormischung des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft und einer guten Flammenstabilisierung durch die Rückströmzone kommt es weiterhin trotz der geringen Verbrennungstemperaturen zu einem guten Ausbrand und damit auch geringen Emissionen an Teil- und Unverbranntem, insbesondere also Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, aber auch anderen unerwünschten organischen Verbindungen. Weiterhin erweist sich die rein aerodynamische Flammenstabilisierung durch das Aufplatzen der Drallströmung 144 ("Vortex Breakdown") als vorteilhaft. Durch den Verzicht auf mechanische Flammenhalter kommen an sich keine mechanischen Bauteile in Berührung mit der Flamme. Das gefürchtete Versagen mechanischer Flammenhalter aufgrund von Überhitzung mit eventuell nachfolgenden schwerwiegenden Havarien von Maschinensätzen ist somit ausgeschlossen. Weiterhin verliert die Flamme ausser durch Strahlung keine Wärme an kalte Wände. Dies trägt zusätzlich zur Vergleichmässigung der Flammentemperatur und somit geringen Schadstoffemissionen und guter Verbrennungsstabilität bei. 3 shows a preferred embodiment of one in the preamble of the claims characterized premix burner, as it is known from EP 0 321 809 became known. The burner consists essentially of one Swirl generator 100 for a combustion air flow, which consists of two conical Partial bodies 101, 102 is formed. In that shown in FIG. 7 Cross section can be seen that the partial body 101 and 102 with their axes 101a and 102a relative to the burner axis 100a as well as mutually laterally are staggered. Because of this lateral offset of the partial body Tangential inlet slots 121 are formed between the partial bodies. A stream of combustion air flows through the tangential inlet slots 121 141 essentially tangentially into the interior 122 of the swirl generator 100 on. It is of course also possible to use a swirl generator 100 of this type to be carried out with a different number of partial bodies; in Fig. 8 that is perfect analog structure with, for example, four swirl generator partial bodies 101, 102, 103 and 104, with the axes 101a offset against one another, 102a, 103a, 104a of the partial body. Again with reference to Figure 3 forms in Inside the swirl generator in a row a swirl flow 144, the axial Flow component to the downstream mouth of the swirl generator 100 points out. The partial bodies 101, 102 border on the downstream end of the Swirl generator 100 to a front plate 108. The front plate 108 usually forms the end wall of a combustion chamber 50 and is cooled in the normal case. In the exemplary embodiment, cooling air 148 flows through cooling bores 1081 out. The interior 122 of the swirl generator 100 essentially has the Form one from an upstream to a downstream end of the swirl generator (100) or burner expanding truncated cone. The axial flow cross section formed in this way points at its downstream At the end, at the mouth into the combustion chamber 50, an abrupt cross-sectional expansion on. The cross-sectional jump leads to bursting the vortex flow 144 and to form a backflow zone 123 in Area of the burner mouth. The combustion air flow is in the swirl generator 100 a suitable amount of fuel supplied. In the embodiment are in the axial direction of the swirl generator 100, in the area of tangential inlet slots 121, fuel lines 111 along the partial body 101,102 arranged. In the exemplary embodiment there are rows of fuel outlet bores 1111 recognizable. A fuel amount 142 is about Fuel lines 111 brought up, and flows through the fuel outlet openings 1111 in the interior 122 of the swirl generator 100. This type The fuel admixture takes place frequently and preferably with gaseous fuels Use. Furthermore, a central fuel nozzle 113 can be used Fuel 146 in addition or as an alternative to fuel quantity 142 in FIGS Swirl generator interior 122 are introduced; in the example in Figure 3 this is a liquid fuel that has a spray cone 147 in the swirl generator interior formed. An intense occurs in the interior of the swirl generator 100 Mixing the amount of fuel 142 with the tangentially flowing Combustion air 141. At the outlet from the burner into the combustion chamber 50 there is a very homogeneous mixture of air and Fuel before. A flame can develop in the area of the backflow zone 123 stabilize the premixed fuel / air mixture. Because of the good Premixing air and fuel can avoid this flame stoichiometric zones with the formation of "hot spots" with a right high excess air - you can usually find air figures on the burner itself of two and above - operated. Because of this comparatively Cool combustion temperatures can be very low with such burners Nitrogen oxide emissions can be achieved without complex exhaust gas aftertreatment. Due to the good premixing of the fuel with the combustion air and there is good flame stabilization through the backflow zone continued to burn out well despite the low combustion temperatures and thus also low emissions of partial and unburned, in particular So carbon monoxide and unburned hydrocarbons, however also other undesirable organic compounds. Still proves the purely aerodynamic flame stabilization by the bursting of the Swirl flow 144 ("vortex breakdown") as advantageous. By doing without mechanical flame holders do not contain mechanical components Touch with the flame. The feared failure of mechanical flame holders due to overheating with possible serious consequences Accidents in machine sets are therefore excluded. Farther Except for radiation, the flame loses no heat to cold walls. This contributes to the uniformity of the flame temperature and thus low Pollutant emissions and good combustion stability.

Erfindungsgemäss werden dem vorgemischten Brennstoff-/Luftgemisch in der Drallströmung 144 Verbrennungsgase zugemischt. Wie in Fig. 4 in einer gegenüber Fig.1 detailreicheren Darstellung wiedergegeben,.ist stromab des Drallerzeugers 100 eine Verbrennungsgasmischstrecke 300 angeordnet, welche in die Brennkammer 50 hineinragt. Am Übergang vom Drallerzeuger (100) zur Verbrennungsgasmischstrecke (300) weist die Konfiguration eine kleine sprunghafte Querschnittserweiterung auf. Diese ist ausreichend, um ein Totwasser 320 entstehen zu lassen. Andererseits ist die Querschnittserweiterung auch klein genug, damit die Drallströmung 144 im grossen und ganzen ungestört weiterexistieren kann und sich transversal durch das Innere 310 der Verbrennungsgasmischstrecke 300 hindurch weitererstreckt. In der Wand 301 der Mischstrecke 300 sind Verbrennungsgasdurchtrittskanäle 311 angeordnet. Diese sind mit Vorteil in einem Bereich angeordnet, in dem das Totwasser 320 mit dem resultierenden Unterduck wirksam ist. Hierdurch wird eine Verbrennungsgasmenge 145 in die Mischstrecke 300 eingesaugt. Innerhalb der Verbrennungsgasmischstrecke 300 können sich diese Verbrennungsgase 145 weitgehend homogen mit dem verdrallten Brennstoff-/Luftgemisch vermischen. Die Temperatur der Drallströmung 144 wird durch die Vermischung mit den heissen Verbrennungsgasen 145 signifikant angehoben. Wie an anderer Stelle bereits erläutert, steigert diese Anhebung der Temperatur die Flammenfrontgeschwindigkeit und senkt damit die Löschgrenzentemperatur. Bei gleicher oder nur unwesentlich höherer Verbrennungstemperatur ist damit die Flammenstabilität deutlich verbessert.According to the premixed fuel / air mixture in the Swirl flow 144 mixed with combustion gases. As in Fig. 4 in one opposite Fig. 1 reproduced more detailed representation, is downstream of the Swirl generator 100 arranged a combustion gas mixing section 300, which protrudes into the combustion chamber 50. At the transition from the swirl generator (100) to the combustion gas mixing section (300), the configuration has a small one sudden cross-sectional expansion. This is sufficient to make a dead water Let 320 arise. On the other hand, the cross-sectional expansion also small enough so that the swirl flow 144 is largely undisturbed can continue to exist and extend transversely through the interior 310 of the combustion gas mixing section 300 stretched through. In the wall 301 of the Mixing section 300, combustion gas passage channels 311 are arranged. These are advantageously arranged in an area in which the dead water 320 with the resulting negative pressure is effective. As a result, an amount of combustion gas 145 sucked into the mixing section 300. Within the combustion gas mixing section 300 these combustion gases 145 Mix largely homogeneously with the swirled fuel / air mixture. The temperature of the swirl flow 144 is determined by the mixing with the hot combustion gases 145 significantly increased. As elsewhere already explained, this increase in temperature increases the flame front speed and thus lowers the extinguishing limit temperature. With the same or The flame stability is therefore only insignificantly higher clearly improved.

Aus WO 93/17279 und EP 0 945 677 sind gleichfalls Brenner gemäss dem Oberbegriff der Ansprüche bekannt, welche zylindrische Drallerzeuger mit tangentialen Verbrennungslufteinlässen aufweisen. In diesem Zusammenhang ist auch bekannt, im Inneren eines zylindrischen Drallerzeugers einen sich zur Brennermündung hin verjüngenden Verdrängungskörper (105) anzuordnen. Durch einen derartigen Drallerzeuger-Innenkörper (105) können weiterhin die oben angegebenen günstigen Kriterien für den axialen Durchflussquerschnitt des Drallerzeugers, nämlich, dass der axiale Durchflussquerschnitt in axialer Durchströmungsrichtung zunimmt, erfüllt werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung mit einem solchen Drallerzeuger ist in Figur 5 dargestellt. Die Funktionsweise des Drallerzeugers 100 ist hinreichend bekannt und im Zusammenhang mit Figur 3 prinzipiell erläutert. Abweichend von der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform eines Vormischbrenners weist die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform eines Drallerzeugers 100 allerdings einen kegeligen, sich zur Brennermündung in den Brennraum 50 hin verjüngenden Verdrängungskörper 105 bei einem zylindrischen oder sich leich konisch verjüngenden Gehäusemantel 102 auf. Über parallel zur Längsachse sich erstreckende tangentiale Einlassschlitze 121 strömt Verbrennungsluft mit einer starken tangentialen Geschwindigkeitskomponente in den Drallerzeugerinnerraum 122 ein. Über Eintrittsöffnungen 142 wird der Verbrennungsluft Brennstoff zudosiert, der sich im Drallerzeugerinnenraum (122) möglichst homogen mit der Verbrennungsluft vermischt. Die Eindüsungsvorrichtung (112) für die axiale Zentralströmung (147) wird zweckmässig im Bereich des stromabwärtigen Endes dieses Verdrängungskörpers angeordnet. Drallerzeuger (100) grenzt mit seinem stromabwärtigen Ende an eine Frontplatte (108), die vorzugsweise die Stirnwand der Brennkammer (50) bildet. Der Innenraum (122) weist die für diese Brennergattung charakteristische Querschnittserweiterung in Strömungsrichtung auf. Die infolge der tangentialen Einströmung der Verbrennungsluft sich ausbildende Drallströmung (144) weist eine axiale Bewegungskomponente hin zur Mündung des Drallerzeugers in die Brennkammer (50) auf. Stromab schliesst sich an den Drallerzeugers (100) die in die Brennkammer (50) ragende Verbrennungsgasmischstrecke (300) unter Ausbildung einer sprunghaften Querschnittserweiterung Innenraum (122) des Drallerzeugers (100) zum Innenraum (322) der Mischstrecke (300) an. In Analogie zu den im Zusammenhang mit Fig.1 und Fig.6 erläuterten Wirkungsmechanismen werden durch die Verbrennungsgasdurchtrittskanäle (311) Verbrennungsgase (145) aus der Brennkammer (50) angesaugt und in dem verdrallten Brennstoff/Luftgemisch (144) unter Bildung einer Mischtemperatur weitgehend homogen verteilt. Zur Vermeidung von Wiederholungen sei auf die dortigen Ausführungen hingewiesen.Also known from WO 93/17279 and EP 0 945 677 are burners according to the preamble of the claims, which have cylindrical swirl generators with tangential combustion air inlets. In this context it is also known to arrange a displacement body (105) which tapers towards the burner mouth in the interior of a cylindrical swirl generator. Such a swirl generator inner body (105) can also meet the above-mentioned favorable criteria for the axial flow cross section of the swirl generator, namely that the axial flow cross section increases in the axial flow direction.
An embodiment of the invention with such a swirl generator is shown in Figure 5. The mode of operation of the swirl generator 100 is sufficiently known and is explained in principle in connection with FIG. 3. In contrast to the embodiment of a premix burner shown in FIGS. 3 and 4, the embodiment of a swirl generator 100 shown in FIG. 5, however, has a conical displacement body 105 tapering toward the burner mouth into the combustion chamber 50 in the case of a cylindrical or slightly conically tapering housing jacket 102 on. Combustion air flows into the swirl generator interior 122 with a strong tangential speed component via tangential inlet slots 121 extending parallel to the longitudinal axis. Fuel is metered into the combustion air via inlet openings 142 and mixes as homogeneously as possible with the combustion air in the swirl generator interior (122). The injection device (112) for the axial central flow (147) is expediently arranged in the region of the downstream end of this displacement body. Swirl generator (100) borders with its downstream end on a front plate (108), which preferably forms the end wall of the combustion chamber (50). The interior (122) has the cross-sectional widening in the direction of flow that is characteristic of this type of burner. The swirl flow (144) which forms as a result of the tangential inflow of the combustion air has an axial movement component towards the mouth of the swirl generator in the combustion chamber (50). Downstream of the swirl generator (100), the combustion gas mixing section (300) protruding into the combustion chamber (50) forms an abrupt cross-sectional widening of the interior (122) of the swirl generator (100) to the interior (322) of the mixing section (300). In analogy to the mechanisms of action explained in connection with FIG. 1 and FIG. 6, combustion gases (145) are sucked out of the combustion chamber (50) through the combustion gas passage channels (311) and largely homogeneous in the swirled fuel / air mixture (144) with formation of a mixing temperature distributed. To avoid repetition, reference is made to the explanations given there.

Es ist beispielsweise aus der EP 0 780 629, welche Schrift im übrigen einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung darstellt, bekannt, stromab des Drallerzeugers eines im Oberbegriff gekennzeichneten Brenners ein Frischgas-Mischrohr 230 zur Intensivierung der Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft anzuordnen. Die Realisierung der Erfindung mit einem solchen Brenner ist in Figur 6 beispielhaft dargestellt. Stromab eines kegeligen Drallerzeugers 100, dessen Aufbau und Funktion an dieser Stelle nicht mehr im Detail zu diskutieren sind, ist eine erste, als Frischgeas-Mischstrecke dienende Mischstrecke 200 angeordnet. Der Drallerzeuger (100) ist auf einem Haltering 210 befestigt. In dem Haltering 210 ist weiterhin ein Übergangselement 220 angeordnet. Dieses ist mit einer Anzahl von Übergangskanälen 221 versehen, welche die im Drallerzeuger 100 aus der einströmenden Verbrennungsluft generierte Drallströmung 144 ohne plötzliche Querschnittsänderungen in die erste Mischstrecke überführen. Stromab des Übergangselementes 220 ist das eigentliche Frischgasmischrohr 230 angeordnet. In diesem ersten Mischrohr 230 kommt es nötigenfalls zu einer weiteren Homogenisierung des Gemischs von Verbrennungsluft und Brennstoff. Ein eine Brennraumwand bildendes Frontsegment 108 ist in diesem Beispiel über Prallkühlbleche 109 und Prallkühlluft 149 prallgekühlt. Stromab der Frischgasmischstrecke 200 ist eine Rauchgasmischstrecke 300 gemäss der Erfindung angeordnet. Dabei nimmt der Durchströmquerschnitt des Innenraums der Mischstrecke 200 einen stetigen konvergent-divergenten Verlauf, indem der Durchströmquerschnitt sich zunächst auf einen minimalen Wert verengt und anschliessend wieder kontinuierlichzur Mündung der Mischstrecke 300 hin zunimmt. Im Bereich des engsten Strömungsquerschnitts ist dabei eine Anzahl über den Umfang der Wand 301 verteilter vorzugsweise kreisförmig ausgeformter Durchtrittskanäle 311 angeordnet. Im Betrieb saugt die aufgrund der injektorartigen Ausbildung des Durchströmquerschnitts sich beschleunigende Drallströmung 144 Rauchgas 145 aus der Brennkammer 50 in das Mischstreckeninnere 310 ein. Im weiteren Verlauf der Mischstrecke 300 vermischen sich die zutretenden Verbrennungsgase und das Brennstoff-/Luftgemisch zu einem homogenen Gemisch. Wie an anderer Stelle bereits ausgeführt, wird dabei die Temperatur des Gemischs signifikant angehoben und in der Folge die Flammenstabilität deutlich verbessert. Aufgrund ihrer exponierten Lage in der Brennkammer 50 ist die Mischstrecke 300 einer hohen thermischen beanspruchung ausgesetzt. Bei Einsatz herkömmlicher Werkstoffe wird daher für eine Kühlung des Gehäusemantels zu sorgen sein. Zu diesem Zweck ist das Gehäuse mit Kühlmittelkanälen 312 ausgestattet, die von Kühlluft durchströmt werden. Im Interesse einer effizienten Kühlung kann die Kühlluft nach Passieren der Kühlmittelkanäle 312 über Filmkühlbohrungen in die Brennkammer 50 entlassen werden.It is, for example, from EP 0 780 629 which font is otherwise one is an integral part of this application, known, downstream of Swirl generator of a burner characterized in the preamble a fresh gas mixing tube 230 to intensify the mixing of fuel and combustion air to arrange. The realization of the invention with such Brenner is shown by way of example in FIG. 6. Downstream of a conical swirl generator 100, its structure and function are no longer in detail at this point To be discussed is a first one, which serves as a fresh gas mixing section Mixing section 200 arranged. The swirl generator (100) is on a retaining ring 210 attached. A transition element 220 is also located in the retaining ring 210 arranged. This is provided with a number of transition channels 221, which generated the swirl generator 100 from the incoming combustion air Swirl flow 144 without sudden cross-sectional changes in the first Transfer mixing section. Downstream of the transition element 220 is the actual one Fresh gas mixing tube 230 arranged. In this first mixing tube 230 if necessary, the mixture of Combustion air and fuel. A front segment forming a combustion chamber wall 108 in this example is via baffle cooling plates 109 and baffle cooling air 149 chilled. Downstream of the fresh gas mixing section 200 is a flue gas mixing section 300 arranged according to the invention. The flow cross section increases of the interior of the mixing section 200 a continuous convergent-divergent Course by the flow cross-section initially on narrowed to a minimum value and then continuously Mouth of the mixing section 300 increases. In the area of the narrowest flow cross-section a number is distributed over the circumference of the wall 301 preferably circularly shaped passage channels 311 are arranged. In operation, it sucks due to the injector-like design of the flow cross-section accelerating swirl flow 144 flue gas 145 the combustion chamber 50 into the mixing section interior 310. In the further course the mixing section 300 mix the incoming combustion gases and the fuel / air mixture into a homogeneous mixture. Like others The temperature of the mixture becomes significant in this case raised and subsequently the flame stability significantly improved. by virtue of its exposed position in the combustion chamber 50 is the mixing section 300 exposed to high thermal stress. When using conventional Materials will therefore ensure cooling of the housing shell his. For this purpose, the housing is equipped with coolant channels 312, through which cooling air flows. In the interest of efficient cooling the cooling air after passing through the coolant channels 312 via film cooling holes be released into the combustion chamber 50.

Selbstverständlich können auch die Brenner mit zylindrischem oder sich konisch leicht verjüngendem Drallerzeuger (100) mit einer dem Drallerzeuger (100) stromab nachgeschalteten Mischstrecke (200) versehen werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.Of course, the burners can be cylindrical or conical slightly tapering swirl generator (100) with one of the swirl generator (100) downstream mixing section (200) can be provided without to deviate from the idea of the invention.

Drallerzeuger mit tangentialen Verbrennungslufteinlässen können auf unterschiedliche Weise aufgebaut sein. Neben dem in den Figuren 7 und 8 im Querschnitt dargestellten Aufbau aus mehreren Teilkörpern (101,102,103,104) kommen auch monolithische Bauweisen mit Einlassöffnungen in Frage. Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 9 im Querschnitt dargestellt. Der Drallerzeuger (100) ist aus einem hohlzylindrischen Monolithen aufgebaut. In diesen sind Einlassöffnungen (121) in Form von axial und tangential verlaufenden Schlitzen eingearbeitet, durch welche ein Verbrennungsluftstrom 141 tangential in das Innere 122 des Drallerzeugers (100) einströmt. Weiterhin sind Brennstoffzuführungen 111 in Form von axial verlaufenden, im Bereich der Einlassöffnungen angeordneten Bohrungen zu erkennen, welche Austrittsbohrungen 1111 aufweisen, über die eine Brennstoffmenge 142 in den Verbrennungsluftstrom 141 ausströmen kann. In Figur 10 ist ein kegelförmiger Drallerzeuger 100 aus einem monolithischen Hohlkörper dargestellt. Dieser könnte selbstverständlich auch zylindrisch sein. In den monolithischen Drallerzeuger sind tangentiale Öffnungen, beispielsweise Bohrungen, eingearbeitet, welche ebenfalls als tangentiale Eintrittsöffnungen 121 für einen Verbrennungsluftstrom 141 dienen.Swirl generators with tangential combustion air inlets can be set to different To be built wisely. In addition to that in Figures 7 and 8 in cross section shown construction from several partial bodies (101,102,103,104) monolithic designs with inlet openings are also possible. A such an embodiment is shown in cross section in FIG. 9. The swirl generator (100) is made up of a hollow cylindrical monolith. In these are Inlet openings (121) in the form of axially and tangentially running slots incorporated through which a combustion air flow 141 tangentially into the Inside 122 of the swirl generator (100) flows. There are also fuel supplies 111 in the form of axially extending, in the area of the inlet openings arranged holes to recognize which have outlet holes 1111, via the one amount of fuel 142 into the combustion air flow 141 can flow out. FIG. 10 shows a conical swirl generator 100 made of one shown monolithic hollow body. This could go without saying also be cylindrical. In the monolithic swirl generator are tangential Openings, such as holes, are incorporated, which are also tangential Inlet openings 121 serve for a combustion air flow 141.

Die oben dargestellten Ausführungsbeispiele sind keinesfalls in einem für die Erfindung einschränkenden Sinne zu verstehen. Im Gegenteil, sind sie instruktiv und als Abriss der Mannigfaltigkeit der im Rahmen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung möglichen Ausführungsformen zu verstehen.The exemplary embodiments presented above are by no means in one for the To understand the invention restricting meaning. On the contrary, they are instructive and as an outline of the diversity within the scope of the claims characterized invention to understand possible embodiments.

Bevorzugte Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemässen Brenners ergeben sich für den Fachmann aus der spezifischen Verwendung.Preferred methods for operating a burner according to the invention result for the expert from the specific use.

In Fig. 11 ist eine erste, einfach zu handhabende Betriebsweise dargestellt. Der Brenner 1 wird mit einer Brennstoffmenge 142 betrieben. Der Massenstrom dieses Brennstoffs wird an einer Messstelle 2 bestimmt. Das sich hieraus ergebende Massenstromsignal X_m wird in einer Steuereinheit 3 verarbeitet, und in ein Steuersignal Y für den Verstellmechanismus der axialen Zentrallufteindüsung des Brenners 1 umgesetzt.11 shows a first, easy-to-use operating mode. The burner 1 is operated with a fuel quantity 142. The mass flow of this fuel is determined at a measuring point 2. The resulting mass flow signal X _m is processed in a control unit 3 and converted into a control signal Y for the adjustment mechanism of the axial central air injection of the burner 1.

Eine zweite, in Fig. 12 dargestellte Ausführungsform betrifft den Einsatz des erfindungsgemässen Brenners in Gasturbinenanlagen, wofür der erfindungsgemässe Brenner in ganz besonderem Masse geeignet ist. Im Beispiel in Figur 13 sind ein Verdichter 10, eine Turbine 30, und ein Generator 40 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Der Verdichter 10 ist mit einer verstellbaren Vorleitreihe 11 ausgestattet. Im Strömungsweg eines Arbeitsmediums ist zwischen dem Verdichter 10 und der Turbine 30 eine Brennkammer 20 angeordnet. Die Brennkammer 20 wird mit mindestens einem erfindungsgemässen Brenner 1 betrieben. Von einer Steuereinheit 3 ist ein Steuersignal Y an die verstellbare Vorrichtung zur Eindüsung der axialen Zentralströmung geführt. Im dargestellten Beispiel erhält die Steuereinheit 3 ein Leistungssignal X_P, Signale X_AMB von nicht dargestellten Sensoren, welche Umgebungsbedingungen - wie Temperatur, Feuchte, Druck der Umgebungsluft - bestimmen, sowie ein Signal X_VLE, welches die Stellung der Vorleitreihe 11 wiedergibt. Selbstverständlich können eine ganze Reihe weiterer maschinenbetriebsrelevanter Daten zu der Steuereinheit 3 geführt sein; insbesondere könnte das Generator-Leistungssignal durch Brennstoffmassenstromsignale ersetzt werden. Aus diesen Grössen ist die Steuereinheit 3 in der Lage, eine verbrennungsluftspezifische Brennerbelastung zu bilden und aus dieser das Steuersignal Y für den Verstellmechanismus des Brenners 1 zu bestimmen.A second embodiment, shown in FIG. 12, relates to the use of the burner according to the invention in gas turbine plants, for which the burner according to the invention is particularly suitable. In the example in FIG. 13, a compressor 10, a turbine 30, and a generator 40 are arranged on a common shaft. The compressor 10 is equipped with an adjustable feed line 11. A combustion chamber 20 is arranged in the flow path of a working medium between the compressor 10 and the turbine 30. The combustion chamber 20 is operated with at least one burner 1 according to the invention. A control signal Y is fed from a control unit 3 to the adjustable device for injecting the axial central flow. In the example shown, the control unit 3 receives a power signal X _P , signals X _AMB from sensors, not shown, which determine ambient conditions - such as temperature, humidity, pressure of the ambient air - and a signal X _VLE , which represents the position of the preliminary row 11. Of course, a whole series of further machine-relevant data can be led to the control unit 3; in particular, the generator power signal could be replaced by fuel mass flow signals. From these variables, the control unit 3 is able to form a burner load specific to the combustion air and from this to determine the control signal Y for the adjustment mechanism of the burner 1.

In Figur 13 ist wiederum eine Gasturbogruppe mit einem auf einer gemeinsamen Welle angeordneten Verdichter 10, einer Turbine 30, und einem Generator 40 dargestellt. Die Brennkammer 20 ist als Ringbrennkammer, im Längsschnitt, dargestellt, welche mit wenigstens einem erfindungsgemässen Brenner 1 betrieben wird. Der Brenner 1 ist mit einer Temperaturmessstelle zur Bestimmung der Materialtemperatur versehen, welche ein Temperatursignal X_T erzeugt. Die Brennkammer 20 ist mit einer Pulsationsmessvorrichtung zur Bestimmung der Verbrennungs-Druckschwankungen versehen, welche ein Pulsationssignal X_Puls erzeugt. Die Signale X_T und X_Puls sind zu einer Steuereinheit 3 geführt, welche ein Steuersignal Y zur Steuerung der Intensität der axialen Zentralströmung generiert. Wenn die Materialtemperatur einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wird der zentral eingedüste Massenstrom erhöht, damit wird die Flamme ein Stück von der Brennermündung weggetrieben, was die Wärmebelastung des Brenners vermindert. Andererseits kann es dadurch zu einer unerwünschten Verminderung der Flammenstabilität kommen. Dies wird durch die Pulsationsmessstelle festgestellt. Wenn das Pulsationssignal X_Puls anwächst, kann der zentral eingedüste Massenstrom vermindert werden, um die Verbrennungsstabilität zu erhöhen und dem Anwachsen der Verbrennungs-Druckschwankungen entgegenzuwirken. Auf diese Weise kann die Zentraleindüsung in Abhängigkeit von gemessenen relevanten Daten geregelt werden.FIG. 13 again shows a gas turbine group with a compressor 10 arranged on a common shaft, a turbine 30, and a generator 40. The combustion chamber 20 is shown as an annular combustion chamber, in longitudinal section, which is operated with at least one burner 1 according to the invention. The burner 1 is provided with a temperature measuring point for determining the material temperature, which generates a temperature signal X _T. The combustion chamber 20 is provided with a pulsation measuring device for determining the combustion pressure fluctuations, which generates a pulsation signal X _pulse . The signals X _T and X _pulse are led to a control unit 3, which generates a control signal Y for controlling the intensity of the axial central flow. If the material temperature exceeds a certain limit, the centrally injected mass flow is increased so that the flame is driven away from the burner mouth, which reduces the heat load on the burner. On the other hand, this can lead to an undesirable reduction in flame stability. This is determined by the pulsation measuring point. If the pulsation signal X _pulse increases, the centrally injected mass flow can be reduced in order to increase the combustion stability and to counteract the increase in the combustion pressure fluctuations. In this way, the central injection can be regulated depending on the relevant data measured.

Es versteht sich von selbst, dass die angegebenen Betriebsverfahren auch Teil wesentlich komplexerer, übergeordneter Steuerungskonzepte darstellen und in diese integriert sein können. It goes without saying that the specified operating procedures are also part represent much more complex, higher-level control concepts and in these can be integrated.

Die vorstehenden Ausführungen dienen dem Fachmann als illustrative Beispiele für die Vielzahl von möglicher Ausführungsformen des erfindungsgemässen und in den Ansprüchen gekennzeichneten Brenners und für dessen vorteilhafte Betriebsweisen. Sie sind nicht beschränkend zu verstehen. The above statements serve the person skilled in the art as illustrative examples for the multitude of possible embodiments of the invention and burner characterized in the claims and for its advantageous Operations. They are not to be understood as restrictive.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Brennerburner
22: Massenstrom-MessstelleMass flow measurement point
33: Steuereinheitcontrol unit
1010: Verdichtercompressor
1111: verstellbare Vorleitreiheadjustable guide rail
2020: Gasturbinen-BrennkammerA gas turbine combustor
3030: Turbineturbine
4040: Generatorgenerator
5050: Brennkammercombustion chamber
100100: Drallerzeugerswirl generator
100a100a: Längsachse des Drallerzeugers, BrennersLongitudinal axis of the swirl generator, burner
102, 102, 103, 104102, 102, 103, 104: Drallerzeuger-TeilkörperSwirl generator partial body
101a, 102a, 103a, 104a101a, 102a, 103a, 104a: Achsen der Drallerzeuger-TeilkörperAxes of the swirl generator part body
105105: Drallerzeuger-InnenkörperSwirler inner body
108108: Frontplatte, FrontsegmentFront panel, front segment
109109: PrallkühlblechImpingement plate
111111: Brennstoffleitungfuel line
112112: Eindüsungsvorrichtunginjection device
113113: zentrale Brennstoffdüsecentral fuel nozzle
121121: tangentiale Einlassschlitzetangential inlet slots
122122: Innenraum des DrallerzeugersInterior of the swirl generator
123123: Rückströmzonebackflow
141141: VerbrennungsluftstromCombustion air flow
142142: Brennstoffmengeamount of fuel
144144: Drallströmungswirl flow
145145: Verbrennungsgasecombustion gases
146146: zentral einzudüsende Brennstoffmenge amount of fuel to be injected centrally
147147: zentral eingedüster Brennstoffcentrally injected fuel
148148: Kühlluftcooling air
149149: PrallkühlluftImpingement cooling air
150150: Luftmenge, WandfilmAir volume, wall film
200200: Mischstreckemixing section
210210: Halteringretaining ring
220220: ÜbergangselementTransition element
221221: ÜbergangskanäleTransition ducts
230230: Mischrohrmixing tube
231231: WandfilmbohrungenWall film holes
232232: Abrisskantetear-off edge
300300: Mischstreckemixing section
301301: Mantelgehäuse der MischstreckeJacket housing of the mixing section
311311: Durchtrittskanäle für VerbrennungsgasePassage channels for combustion gases
320320: TotwasserTotwasser
322322: Innenraum der Mischstrecke (300)Interior of the mixing section (300)
10511051: Kammerchamber
10811081: FilmkühlöffnungenFilm cooling holes
11111111: Austrittsbohrungoutlet bore
11211121: DurchströmkörperDurchströmkörper
11221122: Zentralkörpercentral body
11231123: Konuscone
11241124: Bodenground
11251125: Öffnungopening
11261126: AussenkörperOutside body
11271127: äussere Steuerbohrungouter control bore
11281128: innere Steuerbohrunginner control bore
11311131: Brennstoffzuleitungfuel supply line
XX: Messgrössemeasured variable
YY: Stellgrössemanipulated variable

Claims

Burner with high flame stability for use in a heat generator, essentially consisting of a swirl generator (100) with means for tangentially introducing a combustion air stream (141) into an interior (122) of the swirl generator (100) and means for introducing at least one fuel (142) into the combustion air flow with the formation of a swirl flow with an axial movement component towards the burner mouth, characterized in that a mixing section (300) projecting at least partially into the combustion chamber (50) is arranged downstream of the swirl generator (100) and this mixing section (300) in an upstream Area passage channels (311) to the combustion chamber (50).

Burner according to claim 1, characterized by an abrupt cross-sectional expansion in the transition region from the swirl generator (100) to the mixing section (300), the passage channels (311) to the combustion chamber (50) being arranged immediately downstream of this cross-sectional expansion.

Burner according to claim 2, characterized in that the cross-sectional area ratio of the mixing section (300) to the swirl generator (100) is 1.05 to 2.5.

Burner according to claim 2, characterized in that the mixing section (300) has a substantially cylindrical inner contour.

Burner according to claim 1, characterized in that the mixing section (300) has a convergent-divergent inner contour in the axial direction and the passage channels (311) to the combustion chamber (50) are arranged in the region of the narrowest flow cross-section.

Burner according to claim 5, characterized in that the diffuser half angle of the mixing section (300) is 3 ° to 10 °.

Burner according to claim 2 or 5, characterized in that the passage channels (311) are arranged uniformly over the circumference of the jacket housing (301) enclosing the mixing section (300).

Burner according to claim 2 or 5, characterized in that the connecting channels (311) have a substantially circular or long round cross-sectional shape.

Burner according to claim 2 or 5, characterized in that the passage channels (311) have a substantially rectangular cross-sectional shape.

Burner according to claim 9, characterized in that the passage channels (311) are formed in an annular gap.

Burner according to claim 2 or 5, characterized in that the passage channels (311) have a constant cross-sectional area in the flow direction.

Burner according to claim 2 or 5, characterized in that the longitudinal axes of the passage channels (311) run perpendicular to the burner axis (100a).

Burner according to claim 2 or 5, characterized in that the longitudinal axes of the passage channels (311) run at an acute angle to the burner axis (100a).

Burner according to Claim 1, characterized in that the jacket housing (301) enveloping the mixing section (300) is mechanically coupled to the housing of the swirl generator (100)

Burner according to Claim 1, characterized in that the jacket housing (301) enveloping the mixing section (300) is mechanically decoupled from the housing of the swirl generator (100).

Burner according to claim 1, characterized in that the casing (301) enveloping the mixing section (300) consists of a metallic material.

Burner according to claim 16, characterized in that the casing (301) is cooled.

Burner according to Claim 1, characterized in that the jacket housing (301) enveloping the mixing section (300) consists of a ceramic material.

Burner according to one of claims 1 to 15 for operation in a combustion chamber a gas turbine plant.

Process for the combustion of gaseous and / or liquid fuels in lean premixed burners, characterized in that the fuel / air mixture is heated before ignition.

A method according to claim 20, characterized in that a quantity of combustion gas is added to the fuel / air mixture before ignition.

A method according to claim 21, characterized in that the fuel / air mixture is mixed with an amount of combustion gas in a mass fraction of 5% to 60%.

A method according to claim 21, characterized in that a quantity of combustion gas is admixed to the fuel / air mixture directly from the combustion chamber.

A method according to claim 23, characterized in that the flowing fuel / air mixture sucks a quantity of combustion gas directly from the combustion chamber.

A method according to claim 24, characterized in that the fuel / air mixture flows in a swirl flow through a mixing section projecting into a combustion chamber and sucks combustion gases out of the combustion chamber upstream of the mouth of this mixing section.

A method according to claim 25, characterized in that the combustion gases are sucked in via inlet openings in the casing of the mixing section.

Method according to one of claims 20 to 26, characterized in that it is used to operate lean premixed burners of a gas turbine system.