EP1255077A2 - Device for the combustion of a gaseous mixture of fuel and oxidant - Google Patents

Device for the combustion of a gaseous mixture of fuel and oxidant Download PDF

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EP1255077A2
EP1255077A2 EP02405325A EP02405325A EP1255077A2 EP 1255077 A2 EP1255077 A2 EP 1255077A2 EP 02405325 A EP02405325 A EP 02405325A EP 02405325 A EP02405325 A EP 02405325A EP 1255077 A2 EP1255077 A2 EP 1255077A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalyst
swirl generator
generator arrangement
channels
swirl
Prior art date
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EP02405325A
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German (de)
French (fr)
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EP1255077A3 (en
EP1255077B1 (en
Inventor
Richard Carroni
Adnan Eroglu
Timothy Griffin
Verena Schmidt
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Alstom Schweiz AG
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Publication date
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Publication of EP1255077A3 publication Critical patent/EP1255077A3/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
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    • F23C9/00Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/006Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber the recirculation taking place in the combustion chamber
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    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/13002Catalytic combustion followed by a homogeneous combustion phase or stabilizing a homogeneous combustion phase
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D2203/00Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10Flame diffusing means
    • F23D2203/107Flame diffusing means coated with catalysts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D2210/00Noise abatement

Definitions

  • the invention relates to a device for burning a gaseous fuel-oxidizer mixture, especially for a power plant.
  • a premix burner is known from EP 0 833 105 A2, in which in an interior a conical inner body tapering in the direction of flow is arranged. An outer casing of the interior is tangential Arranged arranged air intervention channels through which a combustion air flow flows into the interior. This can cause a swirl flow in the interior form, which then with at least one fuel nozzle Fuel is enriched. The mixture is then formed in the downstream mixing tube of the two media. The mixing tube then goes over one Cross-sectional jump into a combustion chamber, taking place in the area of the plane of the cross-sectional jump forms a backflow zone, which the stability of the combustion guaranteed. To form such a mixing tube, the known premix burner a relatively large installation space. If you leave that Mixing tube away, reduces the stability and homogeneity of the flames in the Combustion chamber. There is also the risk of pressure pulsations.
  • Catalysts are known from US Pat. No. 5,202,303 and US Pat. No. 5,328,359 corrugated or folded sheet material are constructed, their folds or Waves form a multiplicity of flowable channels. With the flow such a catalyst becomes part of a fuel-oxidizer mixture burned. To avoid overheating with such a catalyst, the combustion must be limited to only part of the flow through the catalyst Mixture can be limited. For this purpose, only some of the channels, e.g. through an appropriate coating, catalytically active, while the other channels are catalytically inactive. When flowing through the catalyst then only finds combustion within the catalytically active channels instead of flowing through the catalytically inactive channels the catalyst cools. With conventional catalysts, however, the catalyst exit temperatures are too low to sufficiently stabilize the flames in the combustion chamber.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as set out in the claims is concerned with the problem for a device of the beginning mentioned type to specify an embodiment, in particular with regard Compactness of their structure and stability and homogeneity of the flames in the combustion chamber, is improved.
  • the invention is based on the general idea of the fuel-oxidizer mixture to produce a swirl flow and the temperature of the mixture with a catalyst before entering the combustion chamber.
  • the device according to the invention has a flow-through catalyst swirl generator arrangement in which part of the fuel-oxidizer mixture burns and creates a swirl flow.
  • Proposal can provide stability and homogeneity in the combustion chamber Flames increased and the risk of pulsation reduced.
  • the catalyst swirl generator arrangement in such a way that that they have a catalyst and a downstream immediately after Has swirl generator.
  • the catalyst swirl generator arrangement has a catalyst which as Swirl generator is formed.
  • the catalyst or the catalyst body is designed so that the flow emerging from it the desired Has swirl. This design allows two functions, namely the catalytic combustion and the swirl generation in a compact component to get integrated.
  • the catalyst swirl generator arrangement expediently has several, essentially flowable through parallel to one another, i.e. in the same direction Channels, some of which, especially about half, are catalytic active and the others are catalytically inactive.
  • the channels can around a longitudinal central axis of the catalyst swirl generator arrangement is distributed be, with this longitudinal central axis in the main flow direction the catalyst swirl generator assembly extends.
  • the channels can be inclined with respect to the longitudinal central axis be such that the longitudinal direction of the channels each opposite a straight line runs inclined, which extends parallel to the longitudinal central axis. hereby an arrangement is proposed for the channels, which causes that on the outflow side the catalyst swirl generator arrangement, i.e. at the outlet ends of the channels, the desired swirl flow emerges.
  • the pressure drop when flowing through the catalyst swirl generator arrangement can reduce the inclination of the channels relative to the longitudinal central axis in the direction of flow, in particular steady or step-like and continuous or progressively, increasing, with the inclination of the channels at the entrance can have the value zero, that is to say the channels then run at their entry parallel to the longitudinal central axis.
  • the catalyst swirl generator arrangement radial to the longitudinal central axis several layers of a corrugated or have folded first web material, the waves or folds of which are catalytic form active or inactive channels, being radial between two adjacent Layers an intermediate layer of a smooth second sheet material is arranged.
  • This structure ensures that radially adjacent shafts or Wrinkles cannot penetrate into each other, so that the channels are always constant Have flow cross sections.
  • a device 1 according to the invention has a flow-through Catalyst swirl generator arrangement 2, whose upstream side 3 is a gaseous one Fuel-oxidizer mixture 4 is supplied, which in Fig. 1 by arrows is symbolized.
  • the device 1 forms a burner with an inflow line 30, in which the catalyst swirl generator arrangement 2 is arranged.
  • the invention Catalyst swirl generator arrangement 2 is designed so that in it part of the fuel-oxidizer mixture 4 burns and that on an outflow side 5 a swirl flow emerges, which is symbolized by an arrow 6.
  • the catalyst swirl generator arrangement 2 is immediately before an abrupt one Cross-sectional expansion 7 (cross-sectional jump) arranged at the entrance a combustion chamber 8 is formed. This can cause the swirl flow to burst immediately.
  • a central recirculation zone 9 can thereby be formed in the combustion chamber 8.
  • Corresponding vertebrae 10 are indicated by closed arrow lines.
  • the recirculation zone 9 forms a kind of anchoring for a homogeneous flame front 11 in the combustion chamber 8.
  • a stabilization of the flame front 11 results from the fact that the central vortex 10 mixes the products of homogeneous combustion in the combustion chamber 8 with the partially burned products of the catalytic Support combustion in the catalyst swirl generator arrangement 2. This corresponds to an internal exhaust gas recirculation, which intensively preheats the entire mixture and at the same time reduces the local speeds to values that correspond to the flame speed.
  • Such a device comes e.g. for use in power plants and serves to generate hot gases for operating a turbine, in particular a gas turbine.
  • part of the fuel-oxidizer mixture burns 4 when flowing through the catalyst swirl generator arrangement 2, whereby the temperature of the introduced at the entry of the combustion chamber 8 Fuel-oxidizer mixture increased. These high temperatures also improve the flame stability and avoid the development of pulsations.
  • the exact position of the flame front 11 in the combustion chamber 8 can by Geometry and / or the arrangement and / or the structure of the catalyst swirl generator arrangement 2 are influenced.
  • the catalyst swirl generator arrangement 2 preferably consists of a catalyst 14, which is designed as a swirl generator. It is also possible to Swirl generator and the catalyst as separate components in the flow direction are arranged one behind the other. Such an embodiment is additionally indicated in Fig. 1 by a broken line which the Border 15 between an upstream catalyst 16 and a swirl generator 17 immediately downstream of the catalytic converter 16 symbolizes.
  • the catalyst swirl generator arrangement 2 a plurality of through-flow channels which run essentially parallel to one another 18 and 19 on.
  • the one channels are designed as catalytically active channels 18, while the other channels are designed as catalytically inactive channels 19.
  • catalytically active channels 18 and catalytically inactive alternate Channels 19 from, whereby the cooling effect for the catalyst 14 or the catalyst swirl generator arrangement 2 is improved.
  • the channels 18, 19 are one Longitudinal central axis 20 of the cylindrical, in particular circular cylindrical, here Catalyst swirl generator arrangement 2 in the radial direction and in the circumferential direction distributed.
  • the longitudinal central axis 20 runs parallel to the main flow direction of the catalyst swirl generator arrangement 2.
  • This relationship is exemplary in FIG. 2 shown on a single channel 18, i.e. one with a broken line shown longitudinal direction 21 of this channel 18 is opposite by an angle ⁇ a line 22 also represented by a broken line, which extends parallel to the longitudinal central axis 20.
  • This angle of inclination ⁇ must be chosen large enough to ensure that the central recirculation zone 9 can form in the combustion chamber 8.
  • the angle of inclination ⁇ may not be chosen too large to avoid a too large pressure drop at the cross-sectional expansion 7.
  • there are suitable ones Values for the angle ⁇ for example between 30 ° and 60 °, which e.g. swirl numbers ⁇ can correspond from 0.4 to 1.2. If the outflow side 5 of the catalyst swirl generator arrangement 2 positioned immediately in front of the cross-sectional expansion 7 is, the angle of inclination ⁇ and thus the pressure loss of the arrangement 2 can be reduced.
  • all channels 18, 19 have along them entire length the same inclination ⁇ with respect to the longitudinal central axis 20.
  • the inclination ⁇ of the channels 18, 19 with respect to the longitudinal central axis 20 in the flow direction the catalyst swirl generator arrangement 2 increase. This change in slope can be done steadily and progressively.
  • the inclination ⁇ of the channels 18, 19 radially from the inside increase outwards. This means that with channels 18, 19, the radially further inside are arranged, the inclination ⁇ can be smaller than in channels 18, 19, the are arranged radially further outside.
  • the catalyst swirl generator arrangement 2 can be on the upstream side 3 containing first longitudinal section 23 and a the outflow side 5 have second longitudinal section 24.
  • These longitudinal sections 23, 24 are indicated in Figure 2 by curly brackets.
  • the longitudinal cuts 23, 24 can - as here - be about the same size.
  • the channels 18 and 19 in the first longitudinal section 23 parallel to Longitudinal central axis 20 extend while they are in the second longitudinal section 24 Have inclination with respect to the longitudinal central axis 20, optionally in the flow direction can increase.
  • the swirl generator 17 is in the rear longitudinal section 24 of the arrangement 2 is formed.
  • the catalyst swirl generator arrangement 2 expediently be constructed in that a corrugated or folded first Web material 25 placed on a flat or smooth second web material 26 becomes. With respect to the longitudinal central axis 20, this forms in the radial direction a stratification, the ones formed by the first sheet material 25 Layers are separated radially from each other by intermediate layers second sheet material 26 are formed. With this construction, the second ensures Web material 26 that the waves and folds of the first web material 25 of the one layer not in the waves and folds of the first sheet material 25 one radially neighboring layer can protrude. Rather, the intermediate layers ensure from the second sheet material 26 constant channel cross sections. The individual channels 18 and 19 are the waves or folds of the first web material 25 is formed.
  • the catalytically active Channels 18 can expediently have one side of the first web material 25, as shown in FIG. 3 each the top, coated with a catalytically active coating 27 his. The opposite underside of the first web material 25 is then uncoated, whereby the catalytically inactive channels 19 arise.
  • the layers of the second web material 26 can also be one-sided be coated with the catalyst coating 27 to the catalytically active Form channels 18.
  • the web materials 25, 26 expediently consist of a Metal sheet that is preformed and coated if necessary is.
  • the web materials 25 and 26 can be concentric with respect to the longitudinal central axis 20 be layered. However, an embodiment is preferred in which the sheet materials 25 and 26 are spirally layered with respect to the longitudinal central axis 20 are. This results in a particularly simple way of Herteln the catalyst swirl generator arrangement 2:
  • the stacked web materials 25 and 26 are placed on a spindle 28 wound up after winding up the center of the catalyst swirl assembly 2 forms and extends concentrically to the longitudinal central axis 20.
  • the spindle 28 thus carries the web material 25, 26, its diameter so is chosen large that the winding of the corrugated or folded first web material 25 is still feasible with reasonable effort.
  • the complete winding can be secured, for example, by tension wires 29, which are circumferential include the winding and this at least until the catalyst swirl generator arrangement is installed 2 keep in shape in a burner or the like.
  • This spindle 28 is expediently designed in such a way that, with its help, the central one Recirculation zone 9 or the flame front 11 in the combustion chamber 8 (see FIG. 1) can be influenced in particular with regard to shape and position.
  • the spindle 28 is designed as a flow-through tube, which is a central Flow through the catalyst swirl generator arrangement 2 with the fuel-oxidizer mixture 4 enables.
  • the tubular one can then expediently be formed
  • Spindle 28 has an outlet nozzle or an outlet orifice at its outlet end have, and it may also be appropriate, the exit end form that it converges in the direction of flow. Through these measures can aerodynamic quantities of the flow entering the combustion chamber 8 be changed, depending on the position and extent of the flame front 11 and / or the central recirculation zone 9.
  • the swirl generator In order to be able to generate the desired swirl, the swirl generator is required Structure a minimum length L, which results from the fact that the channel diameter divided by the tangent of the angle of inclination ⁇ .
  • the hereby determined Length is relatively short, so that the construction explained above with reference to FIG separate catalyst 16 and separate swirl generator 17 in the direction of flow builds relatively short.
  • the integrated design of the catalyst swirl generator arrangement 2 is also then of particular advantage if the arrangement 2, as explained above with reference to FIG. 1, has two or more longitudinal sections 23, 24, in which the channels 18, 19 differ from each other in terms of their inclination.
  • the channels 18, 19 in the upstream first longitudinal section 23 opposite the The longitudinal central axis 20 is not inclined, so that it is parallel to the main flow direction extend while being inclined in the downstream longitudinal section 24 are and so train the swirl generator.
  • the one-piece construction of the catalyst swirl generator arrangement 2 reduces pressure losses in the transition between the successive longitudinal sections 23, 24.
  • a significant advantage of the catalyst swirl generator arrangement presented here 2 is seen in the fact that in the arrangement 2 according to the invention the ignition a homogeneous combustion reaction within the channels 18 avoided can be reduced, which also reduces the risk of flashbacks is.
  • the channels 18 can be sufficient small flow cross-sections, for example between 1 mm and 5 mm can be equipped. This has the consequence that very large Form surfaces, which counteracts flame formation (thermodynamic Flame extinction). This allows the along the length of the channels 18 homogeneous ignition can be avoided.

Abstract

An arrangement for burning a gaseous fuel-oxidant mixture, especially in power stations, comprises a catalyst turbulence producing unit (2) in which part of the fuel-oxidant mixture is burnt and in which a turbulent flow (6) is produced. The unit contains a catalyst and the channels are angled with respect to the longitudinal central axis.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbrennen eines gasförmigen Brennstoff-Oxidator-Gemischs, insbesondere für eine Kraftwerksanlage.The invention relates to a device for burning a gaseous fuel-oxidizer mixture, especially for a power plant.

Stand der TechnikState of the art

Aus der EP 0 833 105 A2 ist ein Vormischbrenner bekannt, bei dem in einem Innenraum ein sich in Strömungsrichtung verjüngender kegelförmiger Innenkörper angeordnet ist. Eine äußere Ummantelung des Innenraums ist durch tangential angeordnete Lufteingriffskanäle durchbrochen, durch welche ein Verbrennungsluftstrom in den Innenraum strömt. Hierdurch kann sich im Innenraum eine Drallströmung ausbilden, die dann über mindestens eine Brennstoffdüse mit einem Brennstoff angereichert wird. Im nachgeschalteten Mischrohr erfolgt dann die Gemischbildung der beiden Medien. Das Mischrohr geht anschließend über einen Querschnittssprung in einen Brennraum über, wobei sich im Bereich der Ebene des Querschnittssprungs eine Rückströmzone bildet, welche die Stabilität der Verbrennung gewährleistet. Zur Ausbildung eines derartigen Mischrohrs benötigt der bekannte Vormischbrenner einen relativ großen Einbauraum. Läßt man das Mischrohr weg, reduziert sich die Stabilität und Homogenität der Flammen in der Brennkammer. Des weiteren besteht die Gefahr von Druckpulsationen. A premix burner is known from EP 0 833 105 A2, in which in an interior a conical inner body tapering in the direction of flow is arranged. An outer casing of the interior is tangential Arranged arranged air intervention channels through which a combustion air flow flows into the interior. This can cause a swirl flow in the interior form, which then with at least one fuel nozzle Fuel is enriched. The mixture is then formed in the downstream mixing tube of the two media. The mixing tube then goes over one Cross-sectional jump into a combustion chamber, taking place in the area of the plane of the cross-sectional jump forms a backflow zone, which the stability of the combustion guaranteed. To form such a mixing tube, the known premix burner a relatively large installation space. If you leave that Mixing tube away, reduces the stability and homogeneity of the flames in the Combustion chamber. There is also the risk of pressure pulsations.

Aus der US 5 202 303 und der US 5 328 359 sind Katalysatoren bekannt, die aus gewelltem oder gefaltetem Bahnmaterial aufgebaut sind, wobei ihre Falten oder Wellen eine Vielzahl von durchströmbaren Kanälen bilden. Bei der Durchströmung eines derartigen Katalysators wird ein Teil eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs verbrannt. Um bei einem solchen Katalysator eine Überhitzung zu vermeiden, muß die Verbrennung auf nur einen Teil des den Katalysator durchströmenden Gemischs beschränkt werden. Zu diesem Zweck sind nur einige der Kanäle, z.B. durch eine entsprechende Beschichtung, katalytisch aktiv ausgebildet, während die anderen Kanäle katalytisch inaktiv sind. Bei der Durchströmung des Katalysators findet dann nur innerhalb der katalytisch aktiven Kanäle eine Verbrennung statt, während die Durchströmung der katalytisch inaktiven Kanäle den Katalysator kühlt. Bei herkömmlichen Katalysatoren sind jedoch die Katalysatoraustrittstemperaturen zu niedrig, um die Flammen in der Brennkammer hinreichend zu stabilisieren.Catalysts are known from US Pat. No. 5,202,303 and US Pat. No. 5,328,359 corrugated or folded sheet material are constructed, their folds or Waves form a multiplicity of flowable channels. With the flow such a catalyst becomes part of a fuel-oxidizer mixture burned. To avoid overheating with such a catalyst, the combustion must be limited to only part of the flow through the catalyst Mixture can be limited. For this purpose, only some of the channels, e.g. through an appropriate coating, catalytically active, while the other channels are catalytically inactive. When flowing through the catalyst then only finds combustion within the catalytically active channels instead of flowing through the catalytically inactive channels the catalyst cools. With conventional catalysts, however, the catalyst exit temperatures are too low to sufficiently stabilize the flames in the combustion chamber.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art eine Ausführungsform anzugeben, die insbesondere hinsichtlich Kompaktheit ihres Aufbaus und Stabilität und Homogenität der Flammen in der Brennkammer, verbessert ist.The invention seeks to remedy this. The invention as set out in the claims is concerned with the problem for a device of the beginning mentioned type to specify an embodiment, in particular with regard Compactness of their structure and stability and homogeneity of the flames in the combustion chamber, is improved.

Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, aus dem Brennstoff-Oxidator-Gemisch eine Drallströmung zu erzeugen und die Temperatur des Gemischs vor dem Eintritt in die Brennkammer mit einem Katalysator zu erhöhen. Zu diesem Zweck weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine durchströmbare Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung auf, in der ein Teil des Brennstoff-Oxidator-Gemischs verbrennt und die eine Drallströmung erzeugt. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag kann in der Brennkammer die Stabilität und Homogenität der Flammen erhöht und die Pulsationsgefahr reduziert werden. Darüber hinaus kann eine derartige Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung in der Strömungsrichtung relativ kurz bauen, so daß die Vorrichtung insgesamt einen kompakten Aufbau besitzt.The invention is based on the general idea of the fuel-oxidizer mixture to produce a swirl flow and the temperature of the mixture with a catalyst before entering the combustion chamber. To For this purpose, the device according to the invention has a flow-through catalyst swirl generator arrangement in which part of the fuel-oxidizer mixture burns and creates a swirl flow. By the invention Proposal can provide stability and homogeneity in the combustion chamber Flames increased and the risk of pulsation reduced. Furthermore, can such a catalyst swirl generator arrangement in the flow direction relative build short, so that the device has a compact overall structure.

Grundsätzlich ist es möglich, die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung so auszubilden, daß sie einen Katalysator und einen stromab unmittelbar daran anschliessenden Drallerzeuger aufweist. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei der die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung einen Katalysator aufweist, der als Drallerzeuger ausgebildet ist. Mit anderen Worten, der Katalysator bzw. der Katalysatorkörper ist so ausgebildet, daß die daraus austretende Strömung den gewünschten Drall aufweist. Durch diese Bauweise können zwei Funktionen, nämlich die katalytische Verbrennung und die Drallerzeugung, in ein kompaktes Bauteil integriert werden.In principle, it is possible to design the catalyst swirl generator arrangement in such a way that that they have a catalyst and a downstream immediately after Has swirl generator. However, an embodiment in which which the catalyst swirl generator arrangement has a catalyst which as Swirl generator is formed. In other words, the catalyst or the catalyst body is designed so that the flow emerging from it the desired Has swirl. This design allows two functions, namely the catalytic combustion and the swirl generation in a compact component to get integrated.

Zweckmäßig besitzt die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung mehrere, im wesentlichen parallel zueinander, also in der gleichen Richtung verlaufende, durchströmbare Kanäle, von denen die einen, insbesondere etwa die Hälfte, katalytisch aktiv und die anderen katalytisch inaktiv ausgebildet sind. Die Kanäle können um eine Längsmittelachse der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung verteilt angeordnet sein, wobei sich diese Längsmittelachse in der Hauptdurchströmungsrichtung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung erstreckt. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform können die Kanäle gegenüber der Längsmittelachse geneigt sein, derart, daß die Längsrichtung der Kanäle jeweils gegenüber einer Geraden geneigt verläuft, die sich parallel zur Längsmittelachse erstreckt. Hierdurch wird für die Kanäle eine Anordnung vorgeschlagen, die bewirkt, daß an der Abströmseite der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung, also an den Austrittsenden der Kanäle, die gewünschte Drallströmung austritt. The catalyst swirl generator arrangement expediently has several, essentially flowable through parallel to one another, i.e. in the same direction Channels, some of which, especially about half, are catalytic active and the others are catalytically inactive. The channels can around a longitudinal central axis of the catalyst swirl generator arrangement is distributed be, with this longitudinal central axis in the main flow direction the catalyst swirl generator assembly extends. According to an advantageous one Embodiment, the channels can be inclined with respect to the longitudinal central axis be such that the longitudinal direction of the channels each opposite a straight line runs inclined, which extends parallel to the longitudinal central axis. hereby an arrangement is proposed for the channels, which causes that on the outflow side the catalyst swirl generator arrangement, i.e. at the outlet ends of the channels, the desired swirl flow emerges.

Um den Druckabfall bei der Durchströmung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung zu reduzieren, kann die Neigung der Kanäle gegenüber der Längsmittelachse in der Strömungsrichtung, insbesondere stetig oder stufenförmig sowie kontinuierlich oder progressiv, zunehmen, wobei die Neigung der Kanäle am Eintritt den Wert Null aufweisen kann, das heißt, die Kanäle verlaufen dann an ihrem Eintritt parallel zur Längsmittelachse.The pressure drop when flowing through the catalyst swirl generator arrangement can reduce the inclination of the channels relative to the longitudinal central axis in the direction of flow, in particular steady or step-like and continuous or progressively, increasing, with the inclination of the channels at the entrance can have the value zero, that is to say the channels then run at their entry parallel to the longitudinal central axis.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung kann die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung radial zur Längsmittelachse mehrere Schichten aus einem gewellten oder gefalteten ersten Bahnmaterial aufweisen, dessen Wellen oder Falten die katalytisch aktiven bzw. inaktiven Kanäle bilden, wobei radial zwischen zwei benachbarten Schichten eine Zwischenschicht aus einem glatten zweiten Bahnmaterial angeordnet ist. Dieser Aufbau gewährleistet, daß radial benachbarte Wellen oder Falten nicht ineinander eindringen können, so daß die Kanäle stets gleichbleibende Strömungsquerschnitte aufweisen.According to a special development, the catalyst swirl generator arrangement radial to the longitudinal central axis several layers of a corrugated or have folded first web material, the waves or folds of which are catalytic form active or inactive channels, being radial between two adjacent Layers an intermediate layer of a smooth second sheet material is arranged. This structure ensures that radially adjacent shafts or Wrinkles cannot penetrate into each other, so that the channels are always constant Have flow cross sections.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention result from the subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures based on the drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1
eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 2
eine perspektivische Ansicht auf eine Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung bei einer bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 3
einen Teilquerschnitt durch die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung gemäß Fig. 2.
Preferred exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, the same reference symbols referring to the same or functionally identical or similar components. Each shows schematically
Fig. 1
a greatly simplified schematic diagram of a device according to the invention
Fig. 2
2 shows a perspective view of a catalyst swirl generator arrangement in a preferred embodiment,
Fig. 3
3 shows a partial cross section through the catalyst swirl generator arrangement according to FIG. 2.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Entsprechend Fig. 1 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine durchströmbare Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 auf, deren Anströmseite 3 ein gasförmiges Brennstoff-Oxidator-Gemisch 4 zugeführt wird, das in Fig. 1 durch Pfeile symbolisiert ist. Die Vorrichtung 1 bildet einen Brenner mit einer Zuströmleitung 30, in der die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 ist so ausgebildet, daß darin ein Teil des Brennstoff-Oxidator-Gemischs 4 verbrennt und daß an einer Abströmseite 5 eine Drallströmung austritt, was durch einen Pfeil 6 symbolisiert ist. Die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 ist dabei unmittelbar vor einer abrupten Querschnittserweiterung 7 (Querschnittssprung) angeordnet, die am Eintritt einer Brennkammer 8 ausgebildet ist. Hierdurch kann die Drallströmung sofort aufplatzen.1, a device 1 according to the invention has a flow-through Catalyst swirl generator arrangement 2, whose upstream side 3 is a gaseous one Fuel-oxidizer mixture 4 is supplied, which in Fig. 1 by arrows is symbolized. The device 1 forms a burner with an inflow line 30, in which the catalyst swirl generator arrangement 2 is arranged. The invention Catalyst swirl generator arrangement 2 is designed so that in it part of the fuel-oxidizer mixture 4 burns and that on an outflow side 5 a swirl flow emerges, which is symbolized by an arrow 6. The catalyst swirl generator arrangement 2 is immediately before an abrupt one Cross-sectional expansion 7 (cross-sectional jump) arranged at the entrance a combustion chamber 8 is formed. This can cause the swirl flow to burst immediately.

Bei einer hinreichend großen Drallzahl kann sich dadurch in der Brennkammer 8 eine zentrale Rezirkulationszone 9 ausbilden. Entsprechende Wirbel 10 sind durch geschlossene Pfeillinien angedeutet. Die Rezirkulationszone 9 bildet eine Art Verankerung für eine homogene Flammenfront 11 in der Brennkammer 8. Eine Stabilisierung der Flammenfront 11 ergibt sich dadurch, daß die zentralen Wirbel 10 eine Vermischung zwischen den Produkten der homogenen Verbrennung in der Brennkammer 8 mit den teilweise verbrannten Produkten der katalytischen Verbrennung in der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 unterstützen. Dies entspricht einer internen Abgasrückführung, die eine intensive Vorheizung der Gesamtmischung bewirkt und gleichzeitig die lokalen Geschwindigkeiten auf Werte reduziert, die der Flammengeschwindigkeit entsprechen. Dieser Vorgang wird in entsprechender Weise auch durch eine Rezirkulationszone 12 unterstützt, die durch die plötzliche Querschnittserweiterung 7 erzeugt wird. Entsprechende Wirbel 13 sind hier ebenfalls durch geschlossene Pfeillinien angedeutet. Die so erreichte Flammenstabilisierung unterstützt zusätzlich die komplette Verbrennung und reduziert die Emission von Schadstoffen, wie z.B. CO und NOx, aufgrund der verbesserten Durchmischung.With a sufficiently large number of swirls, a central recirculation zone 9 can thereby be formed in the combustion chamber 8. Corresponding vertebrae 10 are indicated by closed arrow lines. The recirculation zone 9 forms a kind of anchoring for a homogeneous flame front 11 in the combustion chamber 8. A stabilization of the flame front 11 results from the fact that the central vortex 10 mixes the products of homogeneous combustion in the combustion chamber 8 with the partially burned products of the catalytic Support combustion in the catalyst swirl generator arrangement 2. This corresponds to an internal exhaust gas recirculation, which intensively preheats the entire mixture and at the same time reduces the local speeds to values that correspond to the flame speed. This process is also supported in a corresponding manner by a recirculation zone 12 which is generated by the sudden cross-sectional widening 7. Corresponding vortices 13 are also indicated here by closed arrow lines. The flame stabilization achieved in this way additionally supports the complete combustion and reduces the emission of pollutants, such as CO and NO x , due to the improved mixing.

Eine derartige Vorrichtung kommt z.B. bei Kraftwerksanlagen zum Einsatz und dient dort zur Erzeugung heißer Gase zum Betrieb einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine.Such a device comes e.g. for use in power plants and serves to generate hot gases for operating a turbine, in particular a gas turbine.

Wie bereits weiter oben erläutert verbrennt ein Teil des Brennstoff-Oxidator-Gemischs 4 bei der Durchströmung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2, wodurch sich am Eintritt der Brennkammer 8 die Temperatur des eingeleiteten Brennstoff-Oxidator-Gemischs erhöht. Diese hohen Temperaturen verbessern zusätzlich die Flammenstabilität und vermeiden die Entstehung von Pulsationen.As already explained above, part of the fuel-oxidizer mixture burns 4 when flowing through the catalyst swirl generator arrangement 2, whereby the temperature of the introduced at the entry of the combustion chamber 8 Fuel-oxidizer mixture increased. These high temperatures also improve the flame stability and avoid the development of pulsations.

Die genaue Position der Flammenfront 11 in der Brennkammer 8 kann durch die Geometrie und/oder die Anordnung und/oder den Aufbau der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 beeinflußt werden.The exact position of the flame front 11 in the combustion chamber 8 can by Geometry and / or the arrangement and / or the structure of the catalyst swirl generator arrangement 2 are influenced.

Die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 besteht vorzugsweise aus einem Katalysator 14, der als Drallerzeuger ausgebildet ist. Ebenso ist es möglich, den Drallerzeuger und den Katalysator als separate Bauteile auszubilden, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Eine derartige Ausführungsform ist in Fig. 1 zusätzlich durch eine unterbrochene Linie angedeutet, welche die Grenze 15 zwischen einem stromauf angeordneten Katalysator 16 und einem stromab des Katalysators 16 unmittelbar daran anschließenden Drallerzeuger 17 symbolisiert. The catalyst swirl generator arrangement 2 preferably consists of a catalyst 14, which is designed as a swirl generator. It is also possible to Swirl generator and the catalyst as separate components in the flow direction are arranged one behind the other. Such an embodiment is additionally indicated in Fig. 1 by a broken line which the Border 15 between an upstream catalyst 16 and a swirl generator 17 immediately downstream of the catalytic converter 16 symbolizes.

Entsprechend den Fig. 2 und 3 weist die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 mehrere, im wesentlichen parallel zueinander verlaufende, durchströmbare Kanäle 18 und 19 auf. Die einen Kanäle sind als katalytisch aktive Kanäle 18 ausgebildet, während die anderen Kanäle als katalytisch inaktive Kanäle 19 ausgebildet sind. Zweckmäßig wechseln sich katalytisch aktive Kanäle 18 und katalytisch inaktive Kanäle 19 ab, wodurch die Kühlwirkung für den Katalysator 14 bzw. die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 verbessert wird. Die Kanäle 18, 19 sind um eine Längsmittelachse 20 der hier zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, ausgebildeten Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 in radialer Richtung und in Umfangsrichtung verteilt angeordnet. Die Längsmittelachse 20 verläuft dabei parallel zur Hauptdurchströmungsrichtung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2.According to FIGS. 2 and 3, the catalyst swirl generator arrangement 2 a plurality of through-flow channels which run essentially parallel to one another 18 and 19 on. The one channels are designed as catalytically active channels 18, while the other channels are designed as catalytically inactive channels 19. Appropriately, catalytically active channels 18 and catalytically inactive alternate Channels 19 from, whereby the cooling effect for the catalyst 14 or the catalyst swirl generator arrangement 2 is improved. The channels 18, 19 are one Longitudinal central axis 20 of the cylindrical, in particular circular cylindrical, here Catalyst swirl generator arrangement 2 in the radial direction and in the circumferential direction distributed. The longitudinal central axis 20 runs parallel to the main flow direction of the catalyst swirl generator arrangement 2.

Um den Drallerzeuger in den Katalysator 14 zu integrieren, sind die Kanäle 18, 19 gegenüber der Längsmittelachse 20 geneigt, das heißt, die Längsrichtungen der Kanäle 18, 19 verlaufen gegenüber einer Geraden jeweils geneigt, die parallel zur Längsmittelachse 20 verläuft. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 2 exemplarisch anhand eines einzelnen Kanals 18 gezeigt, d.h. eine durch eine unterbrochene Linie dargestellte Längsrichtung 21 dieses Kanals 18 ist um einen Winkel α gegenüber einer ebenfalls durch eine unterbrochene Linie dargestellte Geraden 22 geneigt, die sich parallel zur Längsmittelachse 20 erstreckt.In order to integrate the swirl generator into the catalytic converter 14, the channels 18, 19 inclined with respect to the longitudinal central axis 20, that is, the longitudinal directions of the Channels 18, 19 are each inclined to a straight line that is parallel to Longitudinal central axis 20 runs. This relationship is exemplary in FIG. 2 shown on a single channel 18, i.e. one with a broken line shown longitudinal direction 21 of this channel 18 is opposite by an angle α a line 22 also represented by a broken line, which extends parallel to the longitudinal central axis 20.

Dieser Neigungswinkel α muß groß genug gewählt werden, um sicherzustellen, daß sich die zentrale Rezirkulationszone 9 in der Brennkammer 8 ausbilden kann. Darüber hinaus darf der Neigungswinkel α auch nicht zu groß gewählt werden, um einen zu großen Druckabfall an der Querschnittserweiterung 7 zu vermeiden. Zumindest bei radial weiter außen angeordneten Kanälen 18, 19 liegen geeignete Werte für den Winkel α beispielsweise zwischen 30° und 60°, was z.B. Drallzahlen Ω von 0,4 bis 1,2 entsprechen kann. Sofern die Abströmseite 5 der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 unmittelbar vor der Querschnittserweiterung 7 positioniert ist, können der Neigungswinkel α und somit der Druckverlust der Anordnung 2 reduziert werden. This angle of inclination α must be chosen large enough to ensure that the central recirculation zone 9 can form in the combustion chamber 8. In addition, the angle of inclination α may not be chosen too large to avoid a too large pressure drop at the cross-sectional expansion 7. At least in the case of channels 18, 19 arranged radially further out, there are suitable ones Values for the angle α, for example between 30 ° and 60 °, which e.g. swirl numbers Ω can correspond from 0.4 to 1.2. If the outflow side 5 of the catalyst swirl generator arrangement 2 positioned immediately in front of the cross-sectional expansion 7 is, the angle of inclination α and thus the pressure loss of the arrangement 2 can be reduced.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 besitzen alle Kanäle 18, 19 entlang ihrer gesamten Länge die gleiche Neigung α gegenüber der Längsmittelachse 20. Bei einer hier nicht gezeigten anderen Ausführungsform kann die Neigung α der Kanäle 18, 19 gegenüber der Längsmittelachse 20 in der Durchströmungsrichtung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 zunehmen. Diese Neigungsveränderung kann zweckmäßig stetig und progressiv erfolgen. Insbesondere kann die Neigung α an der Anströmseite der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 den Wert α = 0° aufweisen. Durch diese Gestaltung der Kanäle 18, 19 kann der Strömungswiderstand der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 optimiert werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Neigung α der Kanäle 18, 19 radial von innen nach außen zunehmen. Das bedeutet, daß bei Kanälen 18, 19, die radial weiter innen angeordnet sind, die Neigung α kleiner sein kann als bei Kanälen 18, 19, die radial weiter außen angeordnet sind. Diese Maßnahmen vereinfachen die Herstellung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2.In the embodiment according to FIG. 2, all channels 18, 19 have along them entire length the same inclination α with respect to the longitudinal central axis 20. At In another embodiment, not shown here, the inclination α of the channels 18, 19 with respect to the longitudinal central axis 20 in the flow direction the catalyst swirl generator arrangement 2 increase. This change in slope can be done steadily and progressively. In particular, the inclination α on the upstream side of the catalyst swirl generator arrangement 2 the value have α = 0 °. Through this design of the channels 18, 19, the flow resistance the catalyst swirl generator arrangement 2 can be optimized. At a other embodiment, the inclination α of the channels 18, 19 radially from the inside increase outwards. This means that with channels 18, 19, the radially further inside are arranged, the inclination α can be smaller than in channels 18, 19, the are arranged radially further outside. These measures simplify production the catalyst swirl generator arrangement 2.

Beispielsweise kann die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 einen die Anströmseite 3 enthaltenden ersten Längsabschnitt 23 sowie einen die Abströmseite 5 aufweisenden zweiten Längsabschnitt 24 besitzen. Diese Längsabschnitte 23, 24 sind in Fig. 2 durch geschweifte Klammern gekennzeichnet. Die Längsschnitte 23, 24 können - wie hier - etwa gleich groß sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können die Kanäle 18 und 19 im ersten Längsabschnitt 23 parallel zur Längsmittelachse 20 verlaufen, während sie im zweiten Längsabschnitt 24 eine Neigung gegenüber der Längsmittelachse 20 besitzen, die optional in Strömungsrichtung zunehmen kann. Hierdurch wird der Drallerzeuger 17 im hinteren Längsabschnitt 24 der Anordnung 2 ausgebildet. Zweckmäßig erstreckt sich der zweite Längsabschnitt 24 über etwa ein Fünftel, ein Viertel oder ein Drittel der Gesamtlänge der Anordnung 2.For example, the catalyst swirl generator arrangement 2 can be on the upstream side 3 containing first longitudinal section 23 and a the outflow side 5 have second longitudinal section 24. These longitudinal sections 23, 24 are indicated in Figure 2 by curly brackets. The longitudinal cuts 23, 24 can - as here - be about the same size. In a preferred embodiment can the channels 18 and 19 in the first longitudinal section 23 parallel to Longitudinal central axis 20 extend while they are in the second longitudinal section 24 Have inclination with respect to the longitudinal central axis 20, optionally in the flow direction can increase. As a result, the swirl generator 17 is in the rear longitudinal section 24 of the arrangement 2 is formed. The second expediently extends Longitudinal section 24 over about a fifth, a quarter or a third of the total length arrangement 2.

Entsprechend den Fig. 2 und 3 kann die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 zweckmäßig dadurch aufgebaut werden, daß ein gewelltes oder gefaltetes erstes Bahnmaterial 25 auf ein flaches oder glattes zweites Bahnmaterial 26 aufgelegt wird. Bezüglich der Längsmittelachse 20 bildet sich dadurch in radialer Richtung eine Schichtung aus, wobei die durch das erste Bahnmaterial 25 gebildeten Schichten durch Zwischenschichten radial voneinander getrennt sind, die vom zweiten Bahnmaterial 26 gebildet sind. Bei diesem Aufbau gewährleistet das zweite Bahnmaterial 26, daß die Wellen und Falten des ersten Bahnmaterials 25 der einen Schicht nicht in die Wellen und Falten des ersten Bahnmaterials 25 einer radial benachbarten Schicht hineinragen können. Vielmehr gewährleisten die Zwischenschichten aus dem zweiten Bahnmaterial 26 gleichbleibende Kanalquerschnitte. Die einzelnen Kanäle 18 und 19 werden dabei durch die Wellen oder Falten des ersten Bahnmaterials 25 gebildet. Zur Ausbildung der katalytisch aktiven Kanäle 18 kann zweckmäßig eine Seite des ersten Bahnmaterials 25, gemäß Fig. 3 jeweils die Oberseite, mit einer katalytisch aktiven Beschichtung 27 beschichtet sein. Die gegenüberliegende Unterseite des ersten Bahnmaterials 25 ist dann unbeschichtet, wodurch die katalytisch inaktiven Kanäle 19 entstehen. Alternativ oder zusätzlich können auch die Schichten des zweiten Bahnmaterials 26 einseitig mit der Katalysatorbeschichtung 27 beschichtet sein, um die katalytisch aktiven Kanäle 18 auszubilden. Zweckmäßig bestehen die Bahnmaterialien 25, 26 aus einem Metallblech, das entsprechend vorgeformt und gegebenenfalls beschichtet ist.According to FIGS. 2 and 3, the catalyst swirl generator arrangement 2 expediently be constructed in that a corrugated or folded first Web material 25 placed on a flat or smooth second web material 26 becomes. With respect to the longitudinal central axis 20, this forms in the radial direction a stratification, the ones formed by the first sheet material 25 Layers are separated radially from each other by intermediate layers second sheet material 26 are formed. With this construction, the second ensures Web material 26 that the waves and folds of the first web material 25 of the one layer not in the waves and folds of the first sheet material 25 one radially neighboring layer can protrude. Rather, the intermediate layers ensure from the second sheet material 26 constant channel cross sections. The individual channels 18 and 19 are the waves or folds of the first web material 25 is formed. To train the catalytically active Channels 18 can expediently have one side of the first web material 25, as shown in FIG. 3 each the top, coated with a catalytically active coating 27 his. The opposite underside of the first web material 25 is then uncoated, whereby the catalytically inactive channels 19 arise. alternative or in addition, the layers of the second web material 26 can also be one-sided be coated with the catalyst coating 27 to the catalytically active Form channels 18. The web materials 25, 26 expediently consist of a Metal sheet that is preformed and coated if necessary is.

Die Bahnmaterialien 25 und 26 können bezüglich der Längsmittelachse 20 konzenrisch geschichtet sein. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei der die Bahnmaterialien 25 und 26 bezüglich der Längsmittelachse 20 spiralförmig gechichtet sind. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Möglichkeit zur Hertelung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2:The web materials 25 and 26 can be concentric with respect to the longitudinal central axis 20 be layered. However, an embodiment is preferred in which the sheet materials 25 and 26 are spirally layered with respect to the longitudinal central axis 20 are. This results in a particularly simple way of Herteln the catalyst swirl generator arrangement 2:

Die aufeinander gelegten Bahnmaterialien 25 und 26 werden auf eine Spindel 28 aufgewickelt, die nach dem Aufwickeln das Zentrum der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 bildet und sich konzentrisch zur Längsmittelachse 20 erstreckt.The stacked web materials 25 and 26 are placed on a spindle 28 wound up after winding up the center of the catalyst swirl assembly 2 forms and extends concentrically to the longitudinal central axis 20.

Die Spindel 28 trägt somit das Bahnmaterial 25, 26, wobei ihr Durchmesser so groß gewählt ist, daß das Aufwickeln des gewellten oder gefalteten ersten Bahnmaterials 25 noch mit vertretbarem Aufwand realisierbar ist. Die vollständige Wicklung kann beispielsweise durch Spanndrähte 29 gesichert werden, die umfangsmäßig die Wicklung umfassen und diese zumindest bis zum Einbau der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 in einen Brenner oder dergleichen in Form halten.The spindle 28 thus carries the web material 25, 26, its diameter so is chosen large that the winding of the corrugated or folded first web material 25 is still feasible with reasonable effort. The complete winding can be secured, for example, by tension wires 29, which are circumferential include the winding and this at least until the catalyst swirl generator arrangement is installed 2 keep in shape in a burner or the like.

Zweckmäßig wird diese Spindel 28 so ausgebildet, daß mit ihrer Hilfe die zentrale Rezirkulationszone 9 bzw. die Flammenfront 11 in der Brennkammer 8 (vgl. Fig. 1) insbesondere hinsichtlich Form und Position beeinflußt werden kann. Beispielsweise ist die Spindel 28 als durchströmbares Rohr ausgebildet, das eine zentrale Durchströmung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 mit dem Brennstoff-Oxidator-Gemisch 4 ermöglicht. Zweckmäßig kann dann die rohrförmig ausgebildete Spindel 28 an ihrem Austrittsende eine Austrittsdüse oder eine Austrittsblende besitzen, wobei es außerdem zweckmäßig sein kann, das Austrittsende so auszubilden, daß es in Strömungsrichtung konvergiert. Durch diese Maßnahmen können aerodynamische Größen der in die Brennkammer 8 eintretenden Strömung verändert werden, die sich auf die Position und Ausdehnung der Flammenfront 11 und/oder der zentralen Rezirkulationszone 9 auswirken.This spindle 28 is expediently designed in such a way that, with its help, the central one Recirculation zone 9 or the flame front 11 in the combustion chamber 8 (see FIG. 1) can be influenced in particular with regard to shape and position. For example the spindle 28 is designed as a flow-through tube, which is a central Flow through the catalyst swirl generator arrangement 2 with the fuel-oxidizer mixture 4 enables. The tubular one can then expediently be formed Spindle 28 has an outlet nozzle or an outlet orifice at its outlet end have, and it may also be appropriate, the exit end form that it converges in the direction of flow. Through these measures can aerodynamic quantities of the flow entering the combustion chamber 8 be changed, depending on the position and extent of the flame front 11 and / or the central recirculation zone 9.

Ebenso ist es möglich, in die Spindel 28 eine Lanze für eine Brennstoff- und/oder Oxidator-Injektion zu integrieren.It is also possible to insert a lance for a fuel and / or into the spindle 28 Integrate oxidizer injection.

Um den gewünschten Drall erzeugen zu können, benötigt die drallerzeugende Struktur eine minimale Länge L, die sich dadurch ergibt, daß der Kanaldurchmesser durch den Tangens des Neigungswinkels α dividiert wird. Die hierdurch ermittelte Länge ist relativ kurz, so daß auch die oben zu Fig. 1 erläuterte Bauweise mit separatem Katalysator 16 und separatem Drallerzeuger 17 in Strömungsrichtung noch relativ kurz baut. Bei der integrierten Bauform kann sich die axiale Länge des als Drallerzeuger ausgebildeten Katalysators 14, also der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2, nach den Anforderungen der katalytischen Konversion des Systems richten. In order to be able to generate the desired swirl, the swirl generator is required Structure a minimum length L, which results from the fact that the channel diameter divided by the tangent of the angle of inclination α. The hereby determined Length is relatively short, so that the construction explained above with reference to FIG separate catalyst 16 and separate swirl generator 17 in the direction of flow builds relatively short. With the integrated design, the axial length of the designed as a swirl generator 14, ie the catalyst swirl generator arrangement 2, according to the requirements of the catalytic conversion of the system judge.

Die integrierte Bauweise der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 ist auch dann von besonderem Vorteil, wenn die Anordnung 2, wie oben mit Bezug auf Fig. 1 erläutert, zwei oder mehr Längsabschnitte 23, 24 besitzt, in denen sich die Kanäle 18, 19 hinsichtlich ihrer Neigung voneinander unterscheiden. Beispielsweise sind die Kanäle 18, 19 im stromauf liegenden ersten Längsabschnitt 23 gegenüber der Längsmittelachse 20 nicht geneigt, so daß sie parallel zur Hauptdurchströmungsrichtung verlaufen, während sie im stromab liegenden Längsabschnitt 24 geneigt sind und so den Drallerzeuger ausbilden. Die einteilige Bauweise der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 reduziert dabei Druckverluste beim Übergang zwischen den aufeinanderfolgenden Längsabschnitten 23, 24. Während bei einer Bauweise mit separaten Längsabschnitten 23, 24 für den Übergang von dem einen Längsabschnitt 23 zum anderen Längsabschnitt 24 zur Erzielung einer hinreichenden Durchmischung ein Mindestabstand zwischen den aufeinander folgenden Längsabschnitten 23, 24 eingehalten werden muß, entfällt bei der einstückigen Ausbildung der Längsabschnitte 23, 24 ein derartiger Übergangs- und Mischbereich, so daß die erfindungsgemäße Anordnung 2 besonders kurz bauen kann.The integrated design of the catalyst swirl generator arrangement 2 is also then of particular advantage if the arrangement 2, as explained above with reference to FIG. 1, has two or more longitudinal sections 23, 24, in which the channels 18, 19 differ from each other in terms of their inclination. For example the channels 18, 19 in the upstream first longitudinal section 23 opposite the The longitudinal central axis 20 is not inclined, so that it is parallel to the main flow direction extend while being inclined in the downstream longitudinal section 24 are and so train the swirl generator. The one-piece construction of the catalyst swirl generator arrangement 2 reduces pressure losses in the transition between the successive longitudinal sections 23, 24. While one Construction with separate longitudinal sections 23, 24 for the transition from one Longitudinal section 23 to the other longitudinal section 24 to achieve a sufficient Mix a minimum distance between the successive Longitudinal sections 23, 24 must be observed, is omitted in the one-piece Formation of the longitudinal sections 23, 24 such a transition and mixing area, so that the arrangement 2 according to the invention can build particularly short.

Ein bedeutender Vorteil der hier vorgestellten Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 wird darin gesehen, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung 2 die Zündung einer homogenen Verbrennungsreaktion innerhalb der Kanäle 18 vermieden werden kann, wodurch gleichzeitig die Gefahr von Flammenrückschlägen reduziert ist. Um dieses Ziel zu erreichen, können einerseits die Kanäle 18 mit hinreichend kleinen Strömungsquerschnitten, die beispielsweise zwischen 1 mm bis 5 mm liegen können, ausgestattet werden. Dies hat zur Folge, daß sich sehr große Oberflächen ausbilden, was einer Flammenbildung entgegenwirkt (thermodynamische Flammenauslöschung). Hierdurch kann entlang der Länge der Kanäle 18 die homogene Zündung vermieden werden. Andererseits unterstützt eine katalytisch aktive Oberfläche innerhalb des Drallerzeugers die Adsorption von Radikalen der homogenen Phase, wodurch die Entzündung und ein Flammenrückschlag vermieden werden (chemische Flammenauslöschung). A significant advantage of the catalyst swirl generator arrangement presented here 2 is seen in the fact that in the arrangement 2 according to the invention the ignition a homogeneous combustion reaction within the channels 18 avoided can be reduced, which also reduces the risk of flashbacks is. In order to achieve this goal, the channels 18 can be sufficient small flow cross-sections, for example between 1 mm and 5 mm can be equipped. This has the consequence that very large Form surfaces, which counteracts flame formation (thermodynamic Flame extinction). This allows the along the length of the channels 18 homogeneous ignition can be avoided. On the other hand, one supports catalytically active surface within the swirl generator the adsorption of radicals homogeneous phase, thereby avoiding ignition and a flashback (chemical flame extinguishing).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Vorrichtungcontraption
22
Katalysator-Drallerzeuger-AnordnungCatalyst swirl-generator arrangement
33
Anströmseite von 2Upstream side of 2
44
Brennstoff-Oxidator-GemischFuel-oxidizer mixture
55
Abströmseite von 2Downstream side of 2
66
Drallströmungswirl flow
77
QuerschnittserweiterungCross-sectional widening
88th
Brennkammercombustion chamber
99
zentrale Rezirkulationszonecentral recirculation zone
1010
Wirbelwhirl
1111
Flammenfrontflame front
1212
Rezirkulationszonerecirculation zone
1313
Wirbelwhirl
1414
Katalysatorcatalyst
1515
Grenzeborder
1616
Katalysatorcatalyst
1717
Drallerzeugerswirl generator
1818
katalytisch aktiver Kanalcatalytically active channel
1919
katalytisch inaktiver Kanalcatalytically inactive channel
2020
Längsmittelachse von 2Longitudinal central axis of 2
2121
Längsrichtung von 18, 19Longitudinal direction of 18, 19
2222
GeradeJust
2323
erster Längsabschnittfirst longitudinal section
2424
zweiter Längsabschnittsecond longitudinal section
2525
erstes Bahnmaterialfirst web material
2626
zweites Bahnmaterialsecond web material
2727
katalytische Beschichtungcatalytic coating
2828
Spindelspindle
2929
Spanndrahttension wire
3030
Zuströmleitunginflow

Claims (21)

Vorrichtung zum Verbrennen eines gasförmigen Brennstoff-Oxidator-Gemischs, insbesondere für eine Kraftwerksanlage, mit einer durchströmbaren Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2), in der ein Teil des Brennstoff-Oxidator-Gemischs verbrennt und die eine Drallströmung (6) erzeugt.Device for burning a gaseous fuel-oxidizer mixture, especially for a power plant, with a flow-through catalyst swirl generator arrangement (2) in which part of the fuel-oxidizer mixture burns and generates a swirl flow (6). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) einen Katalysator (16) und einen stromab unmittelbar daran anschließenden Drallerzeuger (17) aufweist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the catalyst swirl generator arrangement (2) has a catalyst (16) and a swirl generator (17) immediately downstream of it. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) einen Katalysator (14) aufweist, der als Drallerzeuger ausgebildet ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the catalyst swirl generator arrangement (2) has a catalyst (14) which is designed as a swirl generator. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) unmittelbar stromauf einer abrupten Querschnittserweiterung (7) am Eintritt einer Brennkammer (8) angeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the catalyst swirl generator arrangement (2) is arranged immediately upstream of an abrupt cross-sectional expansion (7) at the inlet of a combustion chamber (8). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) mehrere durchströmbare Kanäle (18, 19) aufweist, von denen die einen katalytisch aktiv und die anderen katalytisch inaktiv ausgebildet sind.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the catalyst swirl generator arrangement (2) has a plurality of flowable channels (18, 19), one of which is catalytically active and the other catalytically inactive. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (18, 19) um eine Längsmittelachse (20) der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) verteilt angeordnet sind, die sich in der Hauptdurchströmungsrichtung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) erstreckt, und daß die Kanäle (18, 19) gegenüber der Längsmittelachse (20) der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) geneigt sind, derart, daß die Längsrichtungen (21) der Kanäle (18, 19) jeweils gegenüber einer Geraden (22) geneigt verlaufen, die parallel zur Längsmittelachse (20) der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung verläuft.Apparatus according to claim 5, characterized in that the channels (18, 19) are distributed around a longitudinal central axis (20) of the catalyst swirl generator arrangement (2) which extends in the main flow direction of the catalyst swirl generator arrangement (2) , and that the channels (18, 19) are inclined with respect to the longitudinal central axis (20) of the catalyst swirl generator arrangement (2) such that the longitudinal directions (21) of the channels (18, 19) are each opposite a straight line (22) run inclined, which runs parallel to the longitudinal central axis (20) of the catalyst swirl generator arrangement. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Kanäle (18, 19) gegenüber der Längsmittelachse (20) der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) in Strömungsrichtung zunimmt.Apparatus according to claim 6, characterized in that the inclination of the channels (18, 19) with respect to the longitudinal central axis (20) of the catalyst swirl generator arrangement (2) increases in the direction of flow. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Kanäle (18, 19) gegenüber der Längsmittelachse (20) der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) radial von innen nach außen zunimmt.Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that the inclination of the channels (18, 19) with respect to the longitudinal central axis (20) of the catalyst swirl generator arrangement (2) increases radially from the inside to the outside. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (18, 19) in einem die Anströmseite (3) der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) enthaltenden ersten Längsabschnitt (23) parallel zur Längsmittelachse (20) der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) verlaufen und erst in einem die Abströmseite (5) der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) enthaltenden zweiten Längsabschnitt (24) gegenüber der Längsmittelachse (20) der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) geneigt sind.Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the channels (18, 19) in a first longitudinal section (23) containing the inflow side (3) of the catalyst swirl generator arrangement (2) parallel to the longitudinal central axis (20) of the catalyst Swirl generator arrangement (2) and are only inclined in a second longitudinal section (24) containing the outflow side (5) of the catalyst swirl generator arrangement (2) with respect to the central longitudinal axis (20) of the catalyst swirl generator arrangement (2). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) radial zu einer parallel zur Hauptdurchströmungsrichtung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) verlaufenden Längsmittelachse (20) mehrere Schichten aus einem gewellten oder gefalteten ersten Bahnmaterial (25) aufweist, dessen Wellen oder Falten die Kanäle (18, 19) bilden, wobei radial zwischen zwei benachbarten Schichten eine Zwischenschicht aus einem flachen oder glatten zweiten Bahnmaterial (26) angeordnet ist.Device according to one of claims 5 to 9, characterized in that the catalyst swirl generator arrangement (2) radially to a longitudinal central axis (20) running parallel to the main flow direction of the catalyst swirl generator arrangement (2) has a plurality of layers of a corrugated or folded first Has web material (25), the waves or folds of which form the channels (18, 19), an intermediate layer of a flat or smooth second web material (26) being arranged radially between two adjacent layers. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnmaterialien (25, 26) bezüglich der Längsmittelachse (20) konzentrisch oder spiralförmig geschichtet sind. Device according to claim 10, characterized in that the web materials (25, 26) are layered concentrically or spirally with respect to the longitudinal central axis (20). Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) eine zentrale Spindel (28) aufweist, die sich konzentrisch zur Längsmittelachse erstreckt und die die Bahnmaterialien (25, 26) trägt.Apparatus according to claim 10 or 11, characterized in that the catalyst swirl generator arrangement (2) has a central spindle (28) which extends concentrically to the longitudinal central axis and which carries the web materials (25, 26). Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (28) so ausgebildet ist, daß sie eine Rezirkulationszone (9) und/oder eine Flammenfront (11) in einer stromab der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) angeordneten Brennkammer (8) aerodynamisch beeinflußt.Apparatus according to claim 12, characterized in that the spindle (28) is designed such that it has a recirculation zone (9) and / or a flame front (11) in a combustion chamber (8) arranged downstream of the catalyst swirl generator arrangement (2). aerodynamically influenced. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (28) als durchströmbares Rohr ausgebildet ist, durch das ein Teil des Brennstoff-Oxidator-Gemischs die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) zentral durchströmt.Apparatus according to claim 12 or 13, characterized in that the spindle (28) is designed as a flow-through tube through which part of the fuel-oxidizer mixture flows centrally through the catalyst swirl generator arrangement (2). Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Spindel (28) an ihrem Austrittsende konvergiert und/oder eine Austrittsblende und/oder eine Austrittsdüse aufweist.Device according to claim 14, characterized in that the tubular spindle (28) converges at its outlet end and / or has an outlet orifice and / or an outlet nozzle. Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung für eine Vorrichtung (1) zum Verbrennen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs, insbesondere für eine Kraftwerksanlage, wobei die Katalysator-Drallerzeuger-Anordung (2) so ausgebildet ist, daß sie vom Brennstoff-Oxidator-Gemisch durchströmbar ist und daß das Brennstoff-Oxidator-Gemisch bei Durchströmung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) mit einem Drall beaufschlagt wird und zum Teil verbrennt.Catalyst swirl generator arrangement for a device (1) for combustion a fuel-oxidizer mixture, in particular for a power plant, wherein the catalyst swirl generator arrangement (2) is designed so that it can flow through the fuel-oxidizer mixture and that the fuel-oxidizer mixture when flowing through the catalyst swirl generator arrangement (2) is subjected to a swirl and partially burns. Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die kennzeichnenden Merkmale wenigstens eines der Ansprüche 2 bis 15.Catalyst swirl generator arrangement according to claim 16, characterized by the characterizing features of at least one of claims 2 to 15. Verfahren zum Herstellen einer Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung (2) nach Anspruch 16 oder 17 für eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem auf ein gewelltes oder gefaltetes erstes Bahnmaterial (25) ein glattes oder flaches zweites Bahnmaterial (26) aufgelegt wird und bei dem die aufeinander gelegten Bahnmaterialien (25, 26) auf eine Spindel (28) aufgewickelt werden.Method for producing a catalyst swirl generator arrangement (2) according to Claim 16 or 17 for a device (1) according to one of claims 1 to 15, in the case of a corrugated or folded first web material (25) smooth or flat second sheet material (26) is placed and in which the superimposed web materials (25, 26) wound on a spindle (28) become. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen oder Falten gegenüber der Spindellängsachse geneigt verlaufen.A method according to claim 18, characterized in that the waves or folds are inclined with respect to the longitudinal axis of the spindle. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die in Wickelrichtung aufeinander folgenden Wellen oder Falten abwechselnd katalytisch aktiv und katalytisch inaktiv ausgebildet sind.A method according to claim 18 or 19, characterized in that the waves or folds which follow one another in the winding direction are alternately catalytically active and catalytically inactive. Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs, insbesondere für eine Kraftwerksanlage, bei dem das Brennstoff-Oxidator-Gemisch mit einem Drall beaufschlagt und zum Teil katalytisch verbrannt wird, bevor es in eine Brennkammer eingeleitet wird.Method for burning a fuel-oxidizer mixture, in particular for a power plant, in which the fuel-oxidizer mixture with is subjected to a swirl and is partially catalytically burned before it enters a combustion chamber is initiated.
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