EP1807656A1 - Vormischbrenner - Google Patents

Vormischbrenner

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Publication number
EP1807656A1
EP1807656A1 EP05803397A EP05803397A EP1807656A1 EP 1807656 A1 EP1807656 A1 EP 1807656A1 EP 05803397 A EP05803397 A EP 05803397A EP 05803397 A EP05803397 A EP 05803397A EP 1807656 A1 EP1807656 A1 EP 1807656A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
air inlet
swirl
flow
premix burner
Prior art date
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EP05803397A
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English (en)
French (fr)
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EP1807656B1 (de
Inventor
Hans Peter Knoepfel
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Ansaldo Energia IP UK Ltd
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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Publication of EP1807656A1 publication Critical patent/EP1807656A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1807656B1 publication Critical patent/EP1807656B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • F23C7/002Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • 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
    • F23C2900/07002Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Definitions

  • the invention relates to a premix burner for a heat generator with complementary to a swirler Operakegelschalen that span a conically expanding swirl space and mutually limit tangential air inlet slots and with feeds for gaseous and / or liquid fuel, of which at least one along the air inlet slots to the Part cone shells and at least one other along a swirl space centrally passing through the burner axis are arranged.
  • Vormischbrenner be successfully used for firing combustion chambers for driving gas turbine plants for many years and represent largely mature components in terms of their burner properties. Depending on the use and desired burner performance generic Vormischbrenner are available both in terms of burner performance and in terms of reduced pollutant emission are optimized.
  • EP 0 321 809 B1 discloses such a premix burner, which consists essentially of two hollow, conical, nested in the flow direction part bodies whose respective longitudinal axes of symmetry offset from each other, so that the adjacent walls of the body part in the longitudinal direction tangential slots for a Form combustion air flow.
  • liquid fuel is injected into the swirl space enclosed by the part bodies via a central nozzle, while gaseous fuel is introduced via the further nozzles provided in the region of the tangential air inlet slots in the longitudinal extent.
  • the burner concept of the premix burner mentioned above is based on the generation of a closed swirl flow within the conically expanding swirl space.
  • the swirl flow becomes unstable and changes into an annular swirl flow with a backflow zone in the flow core.
  • the location at which the swirl flow passes by bursting into an annular swirl flow with backflow zone is essentially determined by the cone angle inscribed by the sub-cone shells and the slot width of the air inlet slots.
  • narrow limits are set in the choice for dimensioning the slit width and the cone angle, which ultimately determines the overall length of the burner, so that a desired flow field is established, which leads to the formation of a swirl flow, forming an annular swirl flow in the burner throat region a spatially stable remindströmzone bursts, ignites in the fuel-air mixture to form a spatially stable flame.
  • a reduction of the air inlet slots leads to an upstream displacement of the remindströmzone, whereby then, however, the mixture of fuel and air in time and spatially earlier comes to the ignition.
  • a mixing section in the form of a mixing tube which continues the swirl flow is provided downstream of the swirl body, as described, for example, in EP 0 704 657 B1 described in detail.
  • a swirl body consisting of four partial cone bodies can be seen, at which downstream a mixing section serving for a further mixing of the fuel-air mixture follows.
  • transition channels extending in the flow direction between the swirl body and the mixing section are provided, which serve to transfer the swirl flow formed in the swirl body into the mixing section downstream of the transition channels.
  • the feed of liquid fuel also exerts a decisive influence on the flow dynamics of the swirl flow forming inside the swirl body as well as the return flow zone which forms as stable a space as possible downstream of the swirl body.
  • a rich fuel-air mixture forming along the burner axis in particular for premix burners of larger design, whereby the risk of so-called flashback in the area of the swirl space increases.
  • such reignitions inevitably lead to increased NOx emissions, since this does not burn completely mixed fuel / air mixture fractions.
  • re-ignition phenomena are especially dangerous and must be avoided, as they can lead to thermal and mechanical stresses and as a result to irreversible damage to the structure of the premix burner.
  • the invention has for its object to provide a premix burner for a heat generator, in particular for firing a combustion chamber for driving a gas turbine plant with complementary to a swirler part cone shells, which span a conically expanding swirl space and limit each other tangential air inlet slots, and with feeds for gaseous and / or liquid fuel, of which at least one along the air inlet slots on the partial cone shells and at least one other along the swirl space centrally passing burner axis are arranged, such that its use is possible even with larger-sized gas turbine plants, which require a larger burner load without to change the structural design of the premix burner significantly.
  • it is important to keep the emission of pollutants caused by the burner as low as possible despite the measures maximizing the burner performance.
  • Another desirable aspect relates to the size of such a premix burner, which should be kept as compact and small.
  • the invention is based on the idea of increasing the absorption capacity of a pre-mixing burner which is known per se and optimized for a corresponding burner output without changing the dimensions of geometry, such as the length and diameter of the premix burner, which determine the size of the premix burner.
  • a premix burner according to the features of the preamble of claim 1 is characterized in that at least n partial cone shells surround the swirl space, which delimit n air inlet slots, where n> 3.
  • the n air inlet slots each have at least one maximum slot width which is equal to or greater than that slot width which is a generic premix burner of the same size and dimension, ie. H. Burner diameter and burner length with m ⁇ 2 Operakegelschalen and m air inlet slots.
  • the compact burner design can basically be maintained unchanged
  • the problem of an increased fuel distribution through the central liquid fuel injection in the burner center is circumvented, especially since the velocity of the air streams flowing through the premix burner increases to the same extent, with which the air throughput and thus the absorption capacity of the premix burner is also increased. This is also the reason that the risk of backfire can be significantly reduced despite greater burner performance.
  • an increase in the so-called burner nominal speed leads to the formation of a spatially stable return flow zone downstream of the burner and the associated flame stabilization being affected.
  • the inner contour of the mixing tube is designed as a diffuser in the flow direction, ie, in a preferred embodiment, the inner contour of the mixing tube expands with a suitably predetermined cone angle ⁇ relative to the flow axis.
  • FIG. 1 longitudinal cross-section through a burner assembly with a cone-shaped premix burner with subsequent mixing tube, the upper part of the cross-sectional half of the prior Technique and its lower part cross-section half of a solution according to the invention corresponds embodiment, Fig. 2 cross-sectional view of a known swirl generator
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a burner arrangement, which essentially comprises three subcomponents: a cone-shaped premix burner 1, a transition piece 2 and a mixing section 3, which is designed in the form of a tubular mixing element 4.
  • a cross-sectional view of such a known swirl generator 1 is shown in FIG. From this illustration, clearly the four an inner swirl chamber 6 spanning partial cone shells 5 emerge.
  • the four air inlet slots 7 define an outer Vormischbrenner nursenner nurse inconveniencer Da and a size of the swirl space 6 defining inner diameter Di. Furthermore, the cross-sectional view of Figure 2, the respective mutual spatial displacement of the Operakegelschalen respect. Their Generalkegelschalenschigma, which are each indicated by a cross to remove , Through the respective air inlet slots 7 passes both air L, indicated by the respective large arrows, and preferably gaseous fuel B, which are provided by corresponding supply lines 8, which are provided at the leading edges of the Operakegelschalen 5, in the interior of the swirl generator 1. Inside the Swirl generator 1 forms a swirl flow which propagates axially along the burner axis A (see FIG. 1) downstream.
  • the downstream in the flow direction in the premix burner 1 transition piece 2 serves a largely lossless transfer of forming in the interior of the swirler 1 swirl flow in the downstream subsequent Mixing section 3.
  • 2 transitional channels 9 are provided in the transition piece, which are designed for a corresponding flow transfer.
  • the burner nominal velocity ie the flow velocity
  • the embodiment of Figure 1 lower partial longitudinal section view provides a tubular mixing element 4, which in the flow direction ⁇ with the angles widening flow cross-sectional contour provides and thus acts as a diffuser, whereby the axial velocity of the flow is reduced.
  • transition channels for transferring the swirl flow in the mixing section 3 are also provided in the transition piece.
  • the example described above represents a premixing burner with a downstream mixing section, a burner arrangement which is also referred to by the applicant as "Advanced Environmental Vortex Burner (AEV burner).
  • AEV burner Advanced Environmental Vortex Burner
  • the idea according to the invention which relates to increasing the burner output by increasing the number of air inlet slots with otherwise constant burner geometries, is not only applicable to premix burners with a downstream mixing section, but the inventive concept can also be applied to generic premix burners without downstream mixing sections.
  • an Environmental Vortex burner (EV burner) Vormischbrenner be formed in a conventional manner as a double cone cup burner, ie the swirl chamber of the swirl generator is only spanned by two partial cone shells, which limit a total of only two air inlet slots.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Gas Burners (AREA)

Abstract

Beschrieben wird ein Vormischbrenner für einen Wärmeerzeuger mit zu einem Drallkörper sich ergänzenden Teilkegelschalen (5), die einen konisch sich erweiternden Drallraum (6) umspannen und gegenseitig tangentiale Lufteintrittschlitze (7) begrenzen sowie mit Zuführungen für gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff, von denen wenigstens eine längs der Lufteintrittsschlitze (7) an den Teilkegelschalen (5) und wenigstens eine andere längs einer den Drallraum (6) mittig durchsetzenden Brennerachse (A) angeordnet sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens n Teilkegelschalen (5) den Drallraum (6) umspannen, die n Lufteintrittsschlitze (7) begrenzen, mit n = 3, dass die n Lufteintrittsschlitze (7) jeweils wenigstens eine maximale Schlitzbreite (10) aufweisen, die gleich oder größer ist jener Schlitzbreite (10), die ein gattungsgemäßer Vormischbrenner (1 ) gleicher Größer und Dimensionierung mit m = 2 Teilkegelschalen (5) und m Lufteintrittsschlitze (7) aufweist.

Description

Vormischbrenner
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Vormischbrenner für einen Wärmeerzeuger mit zu einem Drallkörper sich ergänzenden Teilkegelschalen, die einen konisch sich erweiternden Drallraum umspannen und gegenseitig tangentiale Lufteintrittschlitze begrenzen sowie mit Zuführungen für gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff, von denen wenigstens eine längs der Lufteintrittsschlitze an den Teilkegelschalen und wenigstens eine andere längs einer den Drallraum mittig durchsetzenden Brennerachse angeordnet sind.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Vormischbrenner werden seit vielen Jahren erfolgreich zur Befeuerung von Brennkammern zum Antrieb von Gasturbinenanlagen eingesetzt und stellen im Hinblick auf ihre Brennereigenschaften weitgehend ausgereifte Komponenten dar. Je nach Einsatz und erwünschter Brennerleistung sind gattungsgemäße Vormischbrenner verfügbar, die sowohl im Hinblick auf Brennerleistung sowie auch unter dem Aspekt reduzierter Schadstoffemission optimiert sind.
Der EP 0 321 809 B1 ist ein derartiger Vormischbrenner zu entnehmen, der im Wesentlichen aus zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinander geschachtelten Teilkörpern besteht, deren jeweilige Längssymmetrieachsen gegeneinander versetzt verlaufen, so dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze für einen Verbrennungsluftstrom bilden. Vorzugsweise wird in den von den Teilkörpern umspannten Drallraum über eine zentrale Düse flüssiger Brennstoff eingedüst, während über die im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze in Längserstreckung vorhandene weitere Düsen gasförmiger Brennstoff eingebracht wird.
Das Brennerkonzept des vorstehend genannten Vormischbrenners basiert auf der Erzeugung einer geschlossenen Drallströmung innerhalb des sich kegelförmig erweiternden Drallraumes. Die Drallströmung wird jedoch aufgrund des zunehmenden Dralls in Strömungsrichtung innerhalb des Drallraumes instabil und geht in eine annulare Drallströmung mit Rückströmungszone im Strömungskern über. Der Ort, an dem die Drallströmung durch Aufplatzen in eine anulare Drallströmung mit Rückströmzone übergeht, wird im Wesentlichen durch den Kegelwinkel, der durch die Teilkegelschalen eingeschrieben wird, sowie die Schlitzbreite der Lufteintrittsschlitze bestimmt. Grundsätzlich sind bei der Wahl zur Dimensionierung der Schlitzbreite sowie des Kegelwinkels, durch den letztlich die Baulänge des Brenners bestimmt wird, enge Grenzen gesetzt, damit sich ein gewünschtes Strömungsfeld einstellt, das zur Ausbildung einer Drallströmung führt, die im Brennermündungsbereich in eine anulare Drallströmung unter Ausbildung einer räumlich stabilen Rückströmzone aufplatzt, in der das Brennstoff-Luftgemisch unter Ausbildung einer räumlich stabilen Flamme zündet. Grundsätzlich führt eine Verkleinerung der Lufteintrittsschlitze zu einer stromaufwärtigen Verschiebung der Rückströmzone, wodurch dann allerdings das Gemisch aus Brennstoff und Luft zeitlich und räumlich früher zur Zündung kommt.
Um auf der anderen Seite die sich ausbildende Rückströmzone weiter stromab zu positionieren, d.h. eine längere Vormisch- oder Verdampfungsstrecke zu erhalten, wird stromab zum Drallkörper eine die Drallströmung weiterführende Mischstrecke in Form eines Mischrohres vorgesehen, wie es bspw. in der EP 0 704 657 B1 im Einzelnen beschrieben. In dieser Druckschrift ist ein aus vier Teilkegelkörpern bestehender Drallkörper zu entnehmen, an dem sich stromab eine für eine weitere Durchmischung des Brennstoff-Luftgemisches dienende Mischstrecke anschließt. Zur kontinuierlichen Überführung der aus dem Drallkörper austretenden Drallströmung in die Mischstrecke sind zwischen dem Drallkörper und der Mischstrecke in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle vorgesehen, die zur Überführung der im Drallkörper gebildeten Drallströmung in den stromab der Übergangskanäle nachgeschalteten Mischstrecke dienen.
Neben dem konstruktiven Brennerdesign übt auch die Einspeisung von Flüssigbrennstoff einen entscheidenden Einfluss auf die Strömungsdynamik der sich innerhalb des Drallkörpers ausbildenden Drallströmung sowie der sich stromab des Drallkörpers möglichst raumstabil ausbildenden Rückströmzone aus. So zeigt sich bei einer typischen Einspeisung von Flüssigbrennstoff längs der Brennerachse am Ort der Kegelspitze des sich konisch erweiternden Drallraumes ein sich längs der Brennerachse ausbildendes, fettes Brennstoff-Luftgemisches, insbesondere bei Vormischbrennem größerer Bauart, wodurch die Gefahr der sog. Rückzündung (Flashback) in den Bereich des Drallraumes hinein ansteigt. Derartige Rückzündungen führen zum einen unweigerlich zu erhöhten NOx-Emissionen, zumal hierdurch nicht vollständig durchmischte Brennstoff-Luftgemisch-Anteile verbrannt werden. Zum anderen sind Rückzündungserscheinungen vor allem deswegen gefährlich und zu vermeiden, da sie zu thermischen sowie mechanischen Belastungen und in Folge dessen zu irreversiblen Schäden an der Struktur des Vormischbrenners führen können.
Durch das vorstehend geschilderte, jeweils an die gewünschten Brennerverhältnisse optimiert angepasste Brennerdesign liegt es auf der Hand, dass durch bloße Größenskalierung sämtlicher Vormischbrennerkomponenten zur Ausbildung eines größeren und leistungsstärkeren Brenners nicht automatisch auch die erwünschten Brennereigenschaften erhalten bleiben. So skaliert bspw. der Massenstrom einer Gasturbine nicht linear mit dem geometrischen Skalierungsfaktor einzelner Gasturbinenkomponenten, sondern verhält sich weitgehend quadratisch, d.h. soll die Leistung durch Größenanpassung der Gasturbinenanlage verdoppelt werden gilt es dem Verbrennungsprozess viermal soviel Luft zur Verfügung zu stellen. Dies hat zur Folge, dass für jede individuelle Gasturbinenanlage, die sich durch Größe und Leistungsfaktor unterscheidet, ein vollkommen neuer Brenner und insbesondere ein vollkommen neuer Vormischbrenner entworfen und gebaut werden muss, den es gilt in geeigneter Weise an die gewünschten optimierten Brennereigenschaften anzupassen. Dies ist wirft hohe Kosten auf, die es zu vermeiden gilt. Insbesondere bei leistungsstarken Gasturbinenanlagen wird eine Vielzahl einzelner Brenner in zirkularer Anordnung um eine Brennkammer angeordnet um je nach Gasturbinenleistung ein optimales Brennerverhalten im Hinblick auf Brennerleistung sowie Schadstoffemissionen zu erreichen. Es liegt zudem auf der Hand, dass ein- aber insbesondere zwei- und mehrreihige Brenneranordnungen um jeweils eine Brennkammer große Bauvolumina beanspruchen.
Die vorstehenden Ausführungen zeigen, dass eine Leistungsvariation im Sinne einer Leistungserhöhung einer Gasturbinenanlage mit den derzeit bekannten Mitteln unweigerlich eine vollständige Neukonstruktion eines bis anhin bekannten kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenners erforderlich macht. Hier gilt es Abhilfe zu schaffen und nach Maßnahmen zu suchen, um eine gewünschte Skalierung von Gasturbinenanlagen auch mit dem derzeit in Betrieb befindlichen Vormischbrennem zu ermöglichen und dies mit nur geringen bautechnischen Änderungen an bestehenden Vormischbrennersystemen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vormischbrenner für einen Wärmeerzeuger, insbesondere für die Befeuerung einer Brennkammer zum Antrieb einer Gasturbinenanlage mit zu einem Drallkörper sich ergänzenden Teilkegelschalen, die einen konisch sich erweiternden Drallraum umspannen und gegenseitig tangentiale Lufteintrittschlitze begrenzen, sowie mit Zuführungen für gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff, von denen wenigstens eine längs der Lufteintrittsschlitze an den Teilkegelschalen und wenigstens eine andere längs einer den Drallraum mittig durchsetzenden Brennerachse angeordnet sind, derart weiterzubilden, dass sein Einsatz auch bei größer dimensionierten Gasturbinenanlagen, die eine größere Brennerlast erfordern, möglich wird ohne die konstruktive Ausgestaltung des Vormischbrenners wesentlich verändern zu müssen. Insbesondere gilt es trotz den die Brennerleistung maximierenden Maßnahmen die durch den Brenner verursachte Schadstoffemission so gering wie möglich zu halten. Ein weiterer wünschenswerter Aspekt betrifft die Baugröße eines derartigen Vormischbrenners, die möglichst kompakt und klein gehalten werden soll. Selbstverständlich gilt es überdies stets die Betriebssicherheit eines erfindungsgemäß modifizierten Vormischbrenners zu gewährleisten und trotz den die Brennerleistung steigernden Maßnahmen die bei leistungsstarken Brennersystemen zunehmende Gefahr bezüglich Rückzündungsereignisse zu minimieren bis hin zu vollständig auszuschließen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde das Schluckvermögen eines an sich bekannten an einer entsprechenden Brennerleistung optimiert angepassten Vormischbrenners zu erhöhen ohne dabei die für die Baugröße des Vormischbrenners bestimmenden Geometriedimensionen, wie Länge und Durchmesser des Vormischbrenners zu verändern.
Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Vormischbrenner nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch aus, dass wenigstens n Teilkegelschalen den Drallraum umspannen, die n Lufteintrittsschlitze begrenzen, wobei n > 3 ist. Die n Lufteintrittsschlitze weisen jeweils wenigstens eine maximale Schlitzbreite auf, die gleich oder größer ist jener Schlitzbreite, die ein gattungsgemäßer Vormischbrenner gleicher Größe und Dimensionierung, d. h. Brennerdurchmesser und Brennerlänge mit m < 2 Teilkegelschalen und m Lufteintrittschlitzen aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Anzahl n an Lufteintrittsschlitzen, die jeweils durch eine entsprechende Anzahl n von Teilkegelschalen begrenzt sind, kann das kompakte Brennerdesign grundsätzlich in unveränderter Weise beibehalten werden und umgeht zugleich das Problem einer erhöhten Brennstoffverteilung durch die zentrale Flüssigbrennstoffeindüsung im Brennerzentrum, zumal die Geschwindigkeit der den Vormischbrenner durchströmenden Luftströme in gleichem Maße zunimmt, mit dem auch der Luftdurchsatz und damit das Schluckvermögen des Vormischbrenners erhöht wird. Dies ist auch der Grund dafür, dass die Gefahr einer Rückzündung trotz größerer Brennerleistungen erheblich reduziert werden kann. Auf der anderen Seite führt jedoch eine Erhöhung der sog. Brennernenngeschwindigkeit dazu, dass die Ausbildung einer räumlich stabilen Rückströmzone stromab des Brenners und die damit verbundene Flammenstabilisation in Mitleidenschaft gezogen wird. Um der Flammenstabilisation entsprechend Rechnung zu tragen, gilt es die aus dem Vormischbrenner austretende Strömungsgeschwindigkeit des sich ausbildenden Brennstoff-Luftgemisches entsprechend herabzusetzen. Im Falle eines Vormischbrenners bei dem stromab des Drallerzeugers ein Mischrohr nachgeschaltet ist, ist die Innenkontur des Mischrohrs in Strömungsrichtung als Diffuser ausgebildet, d. h. in einer bevorzugten Ausführungsform weitet sich die Innenkontur des Mischrohres mit einem geeignet vorgegebenen Konuswinkel α relativ zur Strömungsachse auf.
Im Falle eines Vormischbrenners ohne nach geschaltetes Mischrohr führt eine Erhöhung der Anzahl der Luftschlitze zu einer Verschiebung der Rückströmblase gegen den Brenneraustritt zu. Damit verbessert sich auch die Vormischung und es ergeben sich ebenso tiefere Emissionswerte.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Längsquerschnitt durch eine Brenneranordnung mit einem kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner mit anschließendem Mischrohr, dessen obere Teilquerschnittshälfte dem Stand der Technik und dessen untere Teilquerschnittshälfte einer lösungsgemässen Ausführungsform entspricht, Fig. 2 Querschnittsdarstellung durch einen an sich bekannten Drallerzeuger
(Stand der Technik) sowie Fig. 3 Querschnittsdarstellung durch einen lösungsgemäss ausgebildeten
Drallerzeuger.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Figur 1 ist eine Längsschnittdarstellung durch eine Brenneranordnung dargestellt, die im Wesentlichen drei Teilkomponenten aufweist: ein kegelförmig ausgebildeter Vormischbrenner 1 , ein Übergangsstück 2 sowie eine Mischstrecke 3, die in Form eines rohrförmigen Mischelementes 4 ausgebildet ist. Die obere Hälfte der Längsschnittdarstellung gemäß Figur 1 stellt eine an sich bekannte Vormischbrenneranordnung dar, mit einem Drallerzeuger 1 , dessen Drallraum von n=4 Teilkegelschalen 5 umspannt ist, die insgesamt n=4 Lufteintrittschlitze 7 begrenzen. Eine Querschnittsdarstellung eines derart bekannten Drallerzeugers 1 ist in Figur 2 dargestellt. Aus dieser Darstellung gehen deutlich die vier einen inneren Drallraum 6 umspannende Teilkegelschalen 5 hervor. Die vier Lufteintrittschlitze 7 definieren einen äußeren Vormischbrennerdurchmesser Da sowie einen die Größe des Drallraumes 6 definierenden inneren Durchmesser Di. Ferner ist der Querschnittsdarstellung gemäß Figur 2 der jeweilige gegenseitige räumliche Versatz der Teilkegelschalen bzgl. ihrer Teilkegelschalenmittelpunkte, die jeweils durch ein Kreuz angedeutet sind, zu entnehmen. Durch die jeweiligen Lufteintrittsschlitze 7 gelangt sowohl Luft L, angedeutet durch die jeweils großen Pfeile, als auch vorzugsweise gasförmiger Brennstoff B, der durch entsprechende Zuführleitungen 8, die an den Anströmkanten der Teilkegelschalen 5 vorgesehen sind, in das Innere des Drallerzeugers 1. Im Inneren des Drallerzeugers 1 bildet sich eine Drallströmung aus, die sich axial längs zur Brennerachse A (siehe Figur 1 ) stromab ausbreitet.
Das in Strömungsrichtung im Vormischbrenner 1 nachgeordnete Übergangsstück 2 dient einer weitgehend verlustfreien Überführung der sich im Inneren des Drallerzeugers 1 ausbildenden Drallströmung in die stromab sich anschließende Mischstrecke 3. Hierzu sind im Übergangsstück 2 Übergangskanäle 9 vorgesehen, die für eine entsprechende Strömungsüberführung ausgebildet sind. Innerhalb der Mischstrecke 3 vermischt sich das Brennstoffluftgemisch in einem rohrförmigen Mischelement 4 mit bis anhin konstantem Strömungsdurchmesser DM vollständig und wird nach Austritt aus dem Mischrohr 4 innerhalb einer nicht dargestellten Brennkammer unter Ausbildung einer räumlich stabilen Rückströmzone gezündet.
Um das Schluckvermögen des Vormischbrenners lösungsgemäss zu vergrößern, bei ansonsten gleichbleibenden Baugrößen, d. h. insbesondere bei gleich bleibender Länge des Vormischbrenners 1 sowie auch gleich bleibenden Vormischbrenneraußendurchmesser Da sowie Innendurchmesser Di. sieht der neuartige Vormischbrenner gemäß der Querschnittsdarstellung in Figur 3 anstelle von n = 4 Teilkegelschalen n = 6 Teil kegelschalen 5 vor, die jeweils n = 6 Lufteintrittschlitze 7 einschließen. Die Eintrittsschlitze 7 weisen die gleiche maximale Schlitzbreite 10 auf wie im Falle des Standardvormischbrenners gemäß Figur 2. Somit liegt auf der Hand, dass die Gesamtfläche über die Luft L über die Lufteintrittsschlitze 7 in das Innere des Drallraumes 6 gelangen kann, sehr viel größer ist als im Falle eines bisher bekannten Vormischbrenners, bspw. gemäß der Ausführungsform in Figur 2. Wieder sind die Teilkegelschalen 5 im lösungsgemäß ausgebildeten Vormischbrenner gemäß Figur 3 mittig zueinander versetzt angeordnet, gemäß den Teilkegelschalenmittelpunkten, die gekreuzt im Inneren der Querschnittsdarstellung gemäß Figur 3 dargestellt sind.
Durch das vergrößerte Schluckvermögen des Vormischbrenners steigt zugleich auch die Brennernenngeschwindigkeit, d. h. die Strömungsgeschwindigkeit, mit der sich das im Inneren des Drallerzeugers ausbildende Brennstoffluftgemisch axial zur Brennerachse A auszubreiten vermag. Um die Flammenstabilität der sich ansonsten räumlich stabil ausbildenden Rückströmzone innerhalb der Brennkammer nicht in Mitleidenschaft zu ziehen, sieht das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 untere Teillängsschnittdarstellung ein rohrförmiges Mischelement 4 vor, das eine sich in Strömungsrichtung mit dem Winkeln α aufweitende Strömungsquerschnittkontur vorsieht und somit als Diffuser wirkt, wodurch die Axialgeschwindigkeit der Strömung herabgesetzt wird.
Gleichsam der Anzahl der den Drallraum 6 begrenzenden bzw. umspannenden Teilkegelschalen 5 sind auch im Übergangsstück 2 Übergangskanäle in der gleichen Anzahl, also 6 Übergangskanäle zur Überführung der Drallströmung in die Mischstrecke 3 vorgesehen.
Das vorstehend beschriebene Beispiel stellt einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke dar, eine Brenneranordnung, die von der Anmelderin auch als „Advanced Environmental Vortex-Brenner (AEV-Brenner) genannt wird. Der erfindungsgemäße Gedanke, der sich auf die Steigerung der Brennerleistung durch eine Erhöhung der Anzahl an Lufteintrittschlitzen bei ansonsten gleich bleibenden Brennergeometrien bezieht ist jedoch nicht nur auf Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke anzuwenden, vielmehr ist der Erfindungsgedanke auch auf gattungsgemäße Vormischbrenner ohne nachgeschaltete Mischstrecken anwendbar. Derartige, von der Anmelderin als ein Environmental Vortex-Brenner (EV-Brenner) bezeichnete Vormischbrenner werden in an sich bekannter Weise als Doppelkegelschalenbrenner ausgebildet, d. h. der Drallraum des Drallerzeugers wird lediglich durch zwei Teilkegelschalen umspannt, die insgesamt lediglich zwei Lufteintrittsschlitze begrenzen. Werden hingegen drei oder mehr Teilkegelschalen zur Begrenzung des Drallraums eingesetzt, wobei die Breite der einzelnen Lufteintrittschlitze wenigstens die Breite der bis anhin bekannten Lufteintrittschlitze aufweisen, so kann auch in diesem Fall das Schluckvermögen eines derartigen EV- Vormischbrenners erhöht werden, ohne dabei die Brennerdimensionen in Bezug auf Länge und Durchmesser zu verändern. Bezugszeichenliste
Vormischbrenner Übergangsstück Mischstrecke Mischrohr Teilkegelschale Drallraum Lufteintrittsschlitz Brennstoffzufuhrleitung Übergangskanal Spaltbreite eines Lufteintrittsschlitzes

Claims

Patentansprüche
1. Vormischbrenner für einen Wärmeerzeuger mit zu einem Drallkörper sich ergänzenden Teilkegelschalen (5), die einen konisch sich erweiternden Drallraum (6) umspannen und gegenseitig tangentiale Lufteintrittschlitze (7) begrenzen sowie mit Zuführungen für gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff, von denen wenigstens eine längs der Lufteintrittsschlitze (7) an den Teilkegelschalen (5) und wenigstens eine andere längs einer den Drallraum (6) mittig durchsetzenden Brennerachse (A) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens n Teilkegelschalen (5) den Drallraum (6) umspannen, die n Lufteintrittsschlitze (7) begrenzen, mit n > 3, dass die n Lufteintrittsschlitze (7) jeweils wenigstens eine maximale Schlitzbreite (10) aufweisen, die gleich oder größer ist jener Schlitzbreite (10), die ein gattungsgemäßer Vormischbrenner (1 ) gleicher Größer und Dimensionierung mit m < 2 Teilkegelschalen (5) und m Lufteintrittsschlitze (7) aufweist.
2. Vormischbrenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass n > 5 Teilkegelschalen (5) vorgesehen sind, dass stromab an den Drallerzeuger eine Mischstrecke (3) in Form eines rohrförmigen
Mischelementes (4) vorgesehen ist, und dass zwischen dem Drallerzeuger und der Mischstrecke (3) ein Übergangsstück (2) mit n Übergangskanälen (9) vorgesehen ist, zur Überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in den stromab der Übergangskanäle (9) nach geschalteten
Durchflussquerschnitt der Mischstrecke (3).
3. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Mischelement (10) in Durchströmungsrichtung zumindest abschnittsweise als Diffusor ausgebildet ist.
4. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischelement (4) unmittelbar in Anschluss an das Übergangsstück (2) einen ersten Strömungsbereich mit einem gleich bleibenden
Durchströmungsquerschnitt aufweist, und dass sich stromab an den ersten Strömungsbereich ein zweiter Strömungsbereich mit einem sich in Strömungsrichtung unter einem Winkel α konisch erweiternden
Durchflussquerschnitt anschließt.
EP05803397.8A 2004-11-03 2005-10-27 Vormischbrenner Not-in-force EP1807656B1 (de)

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