EP1856442A1 - Vormischbrenner zum erzeugen eines zündfähigen brennstoff-luftgemisches - Google Patents

Vormischbrenner zum erzeugen eines zündfähigen brennstoff-luftgemisches

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EP1856442A1
EP1856442A1 EP06724902A EP06724902A EP1856442A1 EP 1856442 A1 EP1856442 A1 EP 1856442A1 EP 06724902 A EP06724902 A EP 06724902A EP 06724902 A EP06724902 A EP 06724902A EP 1856442 A1 EP1856442 A1 EP 1856442A1
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EP
European Patent Office
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burner
fuel
fuel line
shell
burner shell
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EP06724902A
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English (en)
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EP1856442B1 (de
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Thomas Ruck
Slawomir Slowik
Christian Steinbach
Martin Andrea Von Planta
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2211/00—Thermal dilatation prevention or compensation

Definitions

  • the invention relates to a premix burner for producing an ignitable fuel-air mixture, with a swirl generator, which provides at least two supplementing to a flow body burner shells, which together enclose an axially conically widening swirl space and limit each other in the axial longitudinal extent of the cone mutually tangential air inlet slots through the Combustion air enters the swirl space, in which an axially spreading swirl flow is formed, and with means for injecting fuel, which are provided at least in sections along the tangentially extending air inlet slots.
  • Premix burners of the abovementioned type are known from a large number of published publications, for example from EP 0 210 462 A1 and EP 0 321 809 B1, to name only a few.
  • Vormischbrennem this type is based on the general principle of action, within a mostly designed as a conical swirl generator, which provides at least two with corresponding overlap overlapping Operakegelschalen to create a consisting of a fuel-air mixture swirl flow, which within a downstream of the premix burner combustion chamber under training a spatially stable preheating flame is ignited.
  • the partial cone shells which overlap with each other, enclose tangential air inlet slots along the burner axis the radially in the bounded by the partial cone shells swirl space air under impression of a longitudinally to the burner axis propagating swirl flow occurs.
  • the mostly double-walled partial cone shells provide for fuel supply in the region along the air inlet slots at least one inner fuel supply channel, is supplied through each gaseous fuel, which exits through fuel nozzle openings in the region of the air inlet slots.
  • the fuel openings are distributed in the region of the burner shell wall facing the air inlet slot, in order to ensure an effective and as uniform as possible mixing between the gaseous fuel and the inflowing supply air already in the region of the air inlet slot.
  • the supply of gaseous fuel for further feeding along the fuel openings in the region of the air inlet slots usually takes place at gas temperatures in the range between 20 and 30 ° C.
  • gas temperatures temperatures between 300 to 350 ° C.
  • all those partial cone shell surfaces delimiting the air inlet areas have body temperatures in the range of the above radiation temperatures.
  • the partial cone cup portions are cooled immediately around the fuel holes by the cool gas flow. Due to these temperature differences occur in the Area of fuel openings on high thermal gradients, which lead to cracks within the material surrounding the fuel openings.
  • a premix burner according to the features of the preamble of claim 1 is developed in such a way that the means for injecting fuel is formed as a fuel line separate from the burner shell, which is longitudinally movably fixed to the burner shell along the burner shell and perpendicular to the surface of the burner shell.
  • the means for injecting fuel is formed as a fuel line separate from the burner shell, which is longitudinally movably fixed to the burner shell along the burner shell and perpendicular to the surface of the burner shell.
  • Holes provided, open into the fuel injectors, which are provided along the fuel line, which project beyond the peripheral edge of the fuel line.
  • the invention is based on the idea to carry out the necessary means for injecting gaseous fuel along the air inlet slot means as separate components, preferably as a separate component, and so spatially relative to the burner shell, so that thermal gradients can be avoided within the material.
  • those components in which the comparatively cool burner gas is guided have to be formed and fastened separately from the burner shells, which are heated to correspondingly high temperatures due to the direct radiation exposure in the area of the swirl space.
  • Component separation eliminates thermal stresses within the burner shells, thereby eliminating material cracks and the associated problems and hazards.
  • the fuel line provided for supplying fuel to each individual burner shell is designed for this purpose in the form of a conduit tube sealed off on both sides and has a tube length which is adapted to the axial extension of the respective burner shell and does not protrude beyond it.
  • the fuel line associated with each individual burner shell is connected by at least one retaining means on the burner shell surface remote from the swirl space, such that the fuel line is largely fixed to the burner shell surface by clamping force, but is preferably mounted away from the burner shell surface by a separating gap and largely freely movable in the axial direction to the burner shell is stored.
  • fuel injectors that protrude at least partially provided by openings provided within the burner shell or holes.
  • the fuel injectors are formed in a preferred embodiment as each having a hollow channel sleeve members having a maximum the peripheral edge of the fuel line towering elevation, with which they connect flush to the fuel line facing away from the surface of the burner shell.
  • each individual fuel line is provided with a connecting web, via which the fuel line is firmly connected to a component of the premix burner, which is not part of the burner shell.
  • a connecting web via which the fuel line is firmly connected to a component of the premix burner, which is not part of the burner shell.
  • Fig. 2 three-dimensional coronal arrangement of a variety of
  • FIG. 3 perspective view of a fuel line, as well Fig. 4 detail of a introduced in a burner cup
  • FIG. 1 shows a three-dimensional representation of a single burner shell 1, the upper side facing away from the swirl space facing the viewer visibly.
  • the eight individual burner shells 1 provides, which are arranged in a ring around a mold element 2 and each internally in each case a conically widening Include swirl space.
  • a retaining ring to be provided for the stability of the burner shells 1, which centrally supports the upper ends of the burner shells in the illustration, is not shown, especially as it does not depend on this to explain the measure according to the solution.
  • each two immediately adjacent arranged burner shells 1 together include an air inlet slot 3, flows through the radial flow direction in each case a supply air flow L in the limited by the burner shells 1 inside swirl space.
  • the swirl flow forming within the swirl space emerges downwards from the swirl generator shown in FIG. 2 (see arrow illustration).
  • gaseous fuel in the region of the air inlet slot 3 of the inflowing combustion air L is added in a manner known per se. This is done by located within the burner shells 1 openings 4, which are arranged in each axial extent of each burner shell, preferably along a straight line.
  • the fuel supply takes place in each individual burner shell via a fuel supply line 5 (see Figures 1 and 2), which is connected to a tube-like fuel line 6.
  • the tube-like fuel line 6 is formed in each case closed at its two pipe ends and arranged as a separate component relative to the burner shell 1.
  • the pipeline 6 provides sleeve-like fuel injectors 7 which, facing the burner shell 1, open at least partially into or through the openings 4 provided in the burner shell 1.
  • a holding means 8 which supports the fuel line 6 radially, i. is fixed in a tension-loaded manner perpendicular to the surface of the burner shell 1 and ensures that the fuel injectors 7 projecting into the openings 4 within the burner shell 1 remain securely in the openings and can not "slip out.”
  • the retaining means 8 designed as a retaining clip offers the possibility that the Fuel line 6 along its longitudinal axis, ie axially to the burner shell, at least slightly relative movements to perform to prevent in this way any distortion phenomena and clamping between the fuel line 6 and the burner shell 1 due to different thermal expansion behavior.
  • the holding means 8 designed as a retaining clip has a shape adapted to the outer contour of the pipeline 6, in the case of a cylinder-shaped fuel line 6 the retaining means is U-shaped and connected to both U-legs at the top of the burner shell 1.
  • the connection between the holding means 8 and the burner shell 1 is carried out either in the context of a fixed connection, for example solder or welded connection or by means of a releasably fixed connection, through which a simplified assembly and disassembly of the burner components is possible.
  • the fuel line 6 is connected via a connecting web 9 fixed to the inlet geometry of the mold element 2 (see Figure 2).
  • the connecting web 9 leads to a fixedly connected to the fuel line 6 connecting flange 10 which establishes a gas-tight connection between the fuel line 6 and supply line 5.
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of the fuel line 6 as a separate component.
  • the sleeve-like fuel injectors 7 each project beyond the peripheral edge of the tubular fuel line 6, so that they open at least partially into the openings, not shown in FIG. 3, inside the burner shell 1.
  • two separate fuel supply lines 5, 5 ' is provided, is supplied via the gaseous fuel from two different fuel supply circuits of the fuel line 6.
  • the connecting web 9 is attached, the ungsfuss a fastening 14 provides on which the separate unit is firmly attached to the inlet geometry of the mold element 2, preferably by way of a soldered or welded connection.
  • Figure 4 shows a partial cross-sectional view through the fuel line 6 in the region of a fuel injector 7, which opens into the opening 4 of a burner shell 1.
  • the fuel injector 7 is sleeve-like and has an inner hollow channel 15, injected by the gaseous fuel from the interior of the fuel line 6 in the bounded by two adjacent burner shells air inlet gap 3.
  • the Peripheral edge of the fuel line 6 from the fuel line 6 facing top of the burner shell 1 spaced can be done by providing an air gap between the two components, which is ensured by means not shown spacers between the fuel line 6 and the burner shell 1, or by means of a suitably provided thermally or poorly conductive intermediate layer.
  • the openings provided within the burner shell 1 are formed with a slight excess over the diameter of the fuel injectors, so that between the outer peripheral edge of the respective fuel injector 7 and the Opening 4 sets a clear air gap.
  • the openings 4 introduced within the burner shell 1 are designed as elongated holes oriented in the axial extension of the burner shell, in order in particular to allow the greatest possible possibility of relative longitudinal expansion for the area of the fuel line 6 located furthest away from the connecting web 9.
  • the fuel injector 7 embodied as a sleeve element is connected to the pipeline wall via at least one intermediate element 16 in order to minimize the heating that may possibly occur on the fuel line 6 via the sleeve element of the fuel injector 14.
  • the burner shell 1 Due to the separate design of the fuel line 6 and its storage described above the burner shell 1 can be largely excluded any thermal stresses between the two components and in particular the associated risk of possible cracking in the material of the burner shell in the fuel holes are avoided. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • Burner shell Form element Air inlet gap Opening inside the burner shell, 5 'Supply line Fuel line Fuel injector Holding means Connecting bridge 0 Connecting flange 1, 12 End sections of the fuel line 6 3 Opening inside the fuel line 4 Fastening 5 Hollow channel 6 Adapter

Abstract

Beschrieben wird ein Vormischbrenner zum Erzeugen eines zündfähigen Brennstoff- Luftgemisches, mit einem Drallerzeuger, der wenigstens zwei sich zu einem Durchströmungskörper ergänzende Brennerschalen (1) vorsieht, die gemeinsam einen sich axialwärts kegelförmig erweiternden Drallraum einschliessen und in axialer Kegellängserstreckung gegenseitig tangentiale Lufteintrittsschlitze (3) begrenzen, durch die Verbrennungszuluft in den Drallraum gelangt, in dem sich eine axialwärts ausbreitende Drallströmung ausbildet, sowie mit Mitteln (6) zur Eindüsung von Brennstoff, die wenigstens abschnittsweise längs der tangential verlaufenden Lufteintrittschlitze (3) vorgesehen sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Mittel zur Eindüsung von Brennstoff als eine zur Brennerschale (1) separate Brennstoffleitung (6) ausgebildet ist, die längs zur Brennerschale (1) längsbeweglich und senkrecht zur Oberfläche der Brennerschale (1) lösbar fest an die Brennerschale (1) gefügt ist, dass in der Brennerschale (1) Öffnungen (4) vorgesehen sind, in die Brennstoffinjektoren (7) einmünden, die längs der Brennstoffleitung (6) vorgesehen sind, die den Umfangsrand der Brennstoffleitung (6) überragen.

Description

Vormischbrenner zum Erzeugen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Vormischbrenner zum Erzeugen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, mit einem Drallerzeuger, der wenigstens zwei sich zu einem Durchströmungskörper ergänzende Brennerschalen vorsieht, die gemeinsam einen sich axialwärts kegelförmig erweiternden Drallraum einschliessen und in axialer Kegellängserstreckung gegenseitig tangentiale Lufteintrittsschlitze begrenzen, durch die Verbrennungszuluft in den Drallraum gelangt, in dem sich eine axialwärts ausbreitende Drallströmung ausbildet, sowie mit Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff, die wenigstens abschnittsweise längs der tangential verlaufenden Lufteintrittschlitze vorgesehen sind.
Stand der Technik
Vormischbrenner der vorstehend genannten Gattung sind aus einer Vielzahl vor veröffentlichter Druckschriften bekannt, so bspw. aus der EP 0 210 462 A1 sowie der EP 0 321 809 B1 , um nur einige zu nennen. Vormischbrennem dieser Art liegt das allgemeine Wirkprinzip zugrunde, innerhalb eines zumeist als kegelförmig ausgebildeten Drallerzeugers, der wenigstens zwei mit entsprechend gegenseitiger Überlappung zusammengesetzte Teilkegelschalen vorsieht, eine aus einem Brennstoff-Luftgemisch bestehende Drallströmung zu erzeugen, die innerhalb einer in Strömungsrichtung dem Vormischbrenner nachfolgenden Brennkammer unter Ausbildung einer räumlich möglichst stabilen Vorm ischf lamme zur Zündung gebracht wird.
Zur Drallerzeugung schliessen die miteinander in Überlappung tretenden Teilkegelschalen längs der Brennerachse tangentiale Lufteintrittsschlitze ein, durch die radialwärts in den durch die Teilkegelschalen eingegrenzten Drallraum Luft unter Einprägung einer sich längs zur Brennerachse ausbreitenden Drallströmung eintritt. Die zumeist doppelwandig ausgebildeten Teilkegelschalen sehen zur Brennstoffversorgung im Bereich längs der Lufteintrittsschlitze wenigstens einen innen liegenden Brennstoffversorgungskanal vor, durch den jeweils gasförmiger Brennstoff zugeführt wird, der über Brennstoffdüsenöffnungen in den Bereich der Lufteintrittschlitze austritt. Die Brennstofföffnungen sind hierzu verteilt im Bereich der dem Lufteintrittsschlitz zugewandten Brennerschalenwand vorgesehen, um auf diese Weise bereits im Bereich des Lufteintrittsschlitzes für eine effektive und möglichst gleichförmige Durchmischung zwischen gasförmigen Brennstoff und der einströmenden Zuluft zu sorgen.
Neben der doppelwandigen Ausbildung der den Drallraum eingrenzenden Teilkegelschalen ist auch der Einsatz von Teilkegelschalen bekannt, die ihrerseits lediglich aus einwandigen Flachmaterialien zur Luftlenkung geformt sind. Derartige Vormischbrenner sehen längs der Anströmkante der Teilkegelschalen jeweils einen Aufsatz in Form einer Rohrleitung vor, durch die gasförmiger Brennstoff längs der tangentialen Erstreckung des Lufteintrittsschlitzes durch entsprechend in der Rohrleitung vorgesehene Bohrungen in die Verbrennungszuluft eingespeist wird. Die Rohrleitung ist hierzu fest im Wege einer Löt- oder Schweissverbindung mit der Anströmkante der Teilkegelschale verbunden.
Aus Gründen einer stets zu gewährleistenden Betriebssicherheit erfolgt die Zufuhr gasförmigen Brennstoffes zur weiteren Einspeisung längs der Brennstofföffnungen in den Bereich der Lufteintrittsschlitze üblicherweise bei Gastemperaturen im Bereich zwischen 20 und 30°C. Andererseits herrschen betriebsbedingt aufgrund der im Bereich der Lufteintrittsschlitze vorherrschenden Strahlungstemperaturen Temperaturen zwischen 300 bis 350°C. Es liegt auf der Hand, dass all jene die Lufteintrittsbereiche begrenzenden Teilkegelschalenoberflächen Körpertemperaturen im Bereich der vorstehenden Strahlungstemperaturen aufweisen. Andererseits werden die Teilkegelschalenbereiche unmittelbar um die Brennstofföffnungen durch den kühlen Gasstrom gekühlt. Bedingt durch diese Temperaturunterschiede treten im Bereich der Brennstofföffnungen hohe thermische Gradienten auf, die zu Rissen innerhalb der die Brennstofföffnungen umgebenden Materialbereiche führen. Die Folge hiervon sind irreversible Strukturschwächungen, die möglicherweise zu einem Totalverlust zumindest der betroffenen Teilkegelschale führen können. Zudem erhöht sich in rissbehafteten Brennstofföffnungen die Gefahr lokaler Flammenrückschläge in die Kanalbereiche der Brennstoffversorgung hinein, wodurch letztlich auch die Betriebssicherheit eines derart geschwächten Vormischbrenners in Frage gestellt ist.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Vormischbrenner zum Erzeugen eines zundfähigen Brennstoff-Luftgemisches, mit einem Drallerzeuger der wenigstens zwei sich zu einem Durchströmungskörper ergänzende Brennerschalen vorsieht, die gemeinsam einen sich axialwärts kegelförmig erweiternden Drallraum einschliessen und in axialer Kegellängserstreckung gegenseitig tangential Lufteintrittsschlitze begrenzen, durch die Verbrennungszuluft in den Drallraum gelangt, in dem sich eine axialwärts ausbreitende Drallströmung ausbildet, sowie mit Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff, die wenigstens abschnittsweise längs der tangential verlaufenden Lufteintrittsschlitze vorgesehen sind, derart weiterzubilden, dass die Mittel zur Eindüsung von Brennstoff längs der Lufteintrittsschlitze keine thermisch bedingte Rissbildungen betriebsbedingt erfahren.
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.
Lösungsgemäß ist ein Vormischbrenner gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart weitergebildet, dass das Mittel zur Eindüsung von Brennstoff als eine zur Brennerschale separate Brennstoffleitung ausgebildet ist, die längs zur Brennerschale längsbeweglich und senkrecht zur Oberfläche der Brennerschale lösbar fest an die Brennerschale gefügt ist. In der Brennerschale sind Bohrungen vorgesehen, in die Brennstoffinjektoren einmünden, die längs der Brennstoffleitung vorgesehen sind, die den Umfangsrand der Brennstoffleitung überragen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die zur Eindüsung gasförmigen Brennstoffes längs des Lufteintrittsschlitzes notwendigen Mittel als separate Bauteile, vorzugsweise als ein separates Bauteil auszuführen, und derart räumlich relativ zur Brennerschale anzubringen, so dass thermische Gradienten innerhalb des Materiales vermieden werden können. Insbesondere gilt es jene Komponenten, in denen das vergleichsweise kühle Brennergas geführt wird, getrennt von den Brennerschalen auszubilden und zu befestigen, die aufgrund der unmittelbaren Strahlungsexposition im Bereich des Drallraumes auf entsprechend hohe Temperaturen erwärmt sind. Durch die Komponententrennung werden thermische Spannungen innerhalb der Brennerschalen vermieden, wodurch Materialrisse und die damit verbundenen Probleme und Gefahren ausgeschlossen werden können.
Zugleich gilt es Vorsorge zu treffen, die zur Brennstoffversorgung und Brennstoffeinspeisung in den Bereich der Lufteintrittsschlitze erforderlichen Mittel derart mit den Brennerschalen zu verbinden, so dass einerseits gewährleistet ist, dass die Mittel betriebssicher an den Brennerschalen angefügt sind, andererseits jedoch die Mittel gegenüber der Brennerschale beweglich gelagert sind, um thermisch bedingte Materialausdehnungen zu tolerieren.
Die zur Brennstoffversorgung zu jeder einzelnen Brennerschale vorgesehene Brennstoffleitung ist hierzu in Art eines beidseitig abgeschlossenen Leitungsrohres ausgebildet und weist eine Rohrlänge auf, die an die axiale Erstreckung der jeweiligen Brennerschale angepasst ist und diese nicht überragt. Die jeder einzelnen Brennerschale zugeordnete Brennstoffleitung ist durch wenigstens ein Haltemittel an der dem Drallraum abgewandten Brennerschalenoberfläche derart verbunden, dass die Brennstoffleitung spannkraftbeaufschlagt senkrecht zur Brennerschalenoberfläche weitgehend fixiert ist, jedoch vorzugsweise durch einen Trennspalt von der Brennerschalenoberfläche entfernt angebracht und weitgehend frei beweglich in axialer Erstreckung zur Brennerschale gelagert ist. Durch diese Lagerung ist es möglich, dass sich die Brennstoffleitung unabhängig von der Brennerschale auszudehnen vermag, so dass keinerlei thermisch bedingte Spannungen zwischen Brennstoffleitung und Brennerschale auftreten können, d.h. es herrscht vollkommene Unabhängigkeit im thermischen Ausdehnungsvermögen zwischen der Brennstoffleitung und der Brennerschale, die als aerodynamische Struktur für die Strömungslenkung innerhalb des Brenners verantwortlich ist.
Aus der in axialer Erstreckung relativ zur Brennerschale orientierten Brennstoffleitung münden sogenannten Brennstoffinjektoren, die durch innerhalb der Brennerschale vorgesehene Öffnungen bzw. Bohrungen zumindest teilweise hindurchragen. Die Brennstoffinjektoren sind in einer bevorzugten Ausführungsform als jeweils einen Hohlkanal aufweisende Hülsenelemente ausgebildet, die maximal eine den Umfangsrand der Brennstoffleitung überragende Überhöhung aufweisen, mit der sie bündig an der, der Brennstoffleitung abgewandten Oberflläche der Brennerschale anschliessen. Hierdurch ist den innerhalb des Lufteintrittsschlitzes vorherrschenden Temperaturen lediglich ein schmaler, ringförmiger vorderster Rand eines Brennstoffinjektors ausgesetzt, wodurch jeder einzelne Brennstoffinjektor nur unwesentlich bzw. in vernachlässigbarer Weise erwärmt wird. Im Wesentlichen bleiben sowohl die Brennstoffleitung als auch die für die Einspeisung des gasförmigen Brennstoffes in den Lufteintrittsschlitz erforderlichen Brennstoffinjektoren auf dem durch den gasförmigen Brennstoffstrom vorgegebenen, niedrigen Temperaturniveau. Thermisch bedingte Spannungen aufgrund auftretender thermischer Gradienten sind somit nahezu vollständig ausgeschlossen.
Dennoch bedarf es einer weiteren Befestigung der jeder einzelnen Brennerschale zugeordneten Brennstoffleitung, zumal es zu verhindern gilt, dass die Brennstoffleitung während des normalen Brennerbetriebes von der jeweiligen Brennerschale abfällt. Hierzu ist jede einzelne Brennstoffleitung mit einem Verbindungssteg versehen, über den die Brennstoffleitung mit einer Komponente des Vormischbrenners fest verbunden ist, die nicht Teil der Brennerschale ist. Vorzugsweise dient als geeignete Tragstruktur hierzu ein am stromabseitigen Endbereich des Drallerzeugers, alle Brennerschalen umschliessendes Formelement, das die sich innerhalb des Drallerzeugers ausbildende Drallströmung axialwärts stromab in eine Brennkammer oder ein zwischen Brennkammer und Drallerzeuger vorgesehene Mischstrecke strömungsgünstig überführt.
In besonders vorteilhafter Weise ist der Verbindungssteg nicht unmittelbar an der parallel zur Längserstreckung der Brennerschale verlaufenden Brennstoffleitung angebracht, sieht die Brennstoffleitung einen Verbindungsflansch vor, an den eine Brennstoffversorgungsleitung fluiddicht anschließbar ist und an den ferner der Verbindungssteg angefügt ist. Der Verbindungssteg ist in Länge und Form dahingehend optimiert, so dass die Brennstoffleitung möglichst schwingungsarm gegenüber der Brennerschale gelagert ist, zudem gilt es die von Seiten des Brenners herrührenden Brennerschwingungen möglichst nicht längs des Verbindungssteges auf die Brennstoffleitung zu übertragen. Hierzu ist der Querschnitt des Verbindungssteges längs seiner Erstreckung mit variabel ausgebildeten Querschnittsformen ausgebildet, bspw. eignen sich elliptisch ausgebildete Querschnittsformen sehr gut für eine gezielte Unterdrückung von im Brenner auftretenden Schwingungsmoden.
Zur weiteren Beschreibung des Erfindungsgedankens wird auf das in den Figuren näher beschriebene Ausführungsbeispiel Bezug genommen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 dreidimensionale Darstellung einer Brennerschale mit lösungsgemäss angebrachter Brennstoffleitung,
Fig. 2 dreidimensionale kranzförmige Anordnung einer Vielzahl von
Brennerschalen um eine Einlaufgeometrie eines Vormischbrenners,
Fig. 3 perspektivische Darstellung einer Brennstoffleitung, sowie Fig. 4 Detaildarstellung einer in einer Brennerschale eingebrachten
Brennstofföffnung.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Figur 1 ist in dreidimensionaler Darstellung eine einzige Brennerschale 1 dargestellt, deren den Drallraum abgewandte Oberseite dem Betrachter sichtbar zugewandt ist.
Zum erleichterten Verständnis der räumlichen Anordnung und Funktionsweise der in Figur 1 dargestellten Brennerschale sei ferner auf den in Figur 2 gezeigten Drallerzeuger eines Vormischbrenners verwiesen, der acht einzelne Brennerschalen 1 vorsieht, die kranzförmig um ein Formelement 2 angeordnet sind und gegenseitig innenliegend jeweils einen konisch sich erweiternden Drallraum einschliessen. Aus Gründen einer besseren Übersicht ist ein für die Stabilität der Brennerschalen 1 vorzusehender Haltering, der mittig die in der Darstellung oberen Enden der Brennerschalen abstützt, nicht dargestellt, zumal es auf diesen zur Erläuterung der lösungsgemässen Massnahme nicht weiter ankommt.
Zum technischen Verständnis der in Figur 2 dargestellten Brennerschalenanordnung sei angemerkt, dass jeweils zwei unmittelbar benachbart angeordnete Brennerschalen 1 gemeinsam einen Lufteintrittsschlitz 3 einschliessen, durch den in radialer Strömungsrichtung jeweils ein Zuluftstrom L in den durch die Brennerschalen 1 begrenzten innen liegenden Drallraum einströmt. Die sich innerhalb des Drallraumes ausbildende Drallströmung aus tritt dem in Figur 2 dargestellten Drallerzeuger nach unten (siehe Pfeildarstellung) aus. Zur Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches wird in an sich bekannter Weise gasförmiger Brennstoff im Bereich des Lufteintrittsschlitzes 3 der zuströmenden Verbrennungszuluft L beigemischt. Dies erfolgt durch innerhalb der Brennerschalen 1 befindliche Öffnungen 4, die in jeweils axialer Erstreckung jeder einzelnen Brennerschale, vorzugsweise längs einer Geraden, angeordnet sind. Die Brennstoffversorgung erfolgt bei jeder einzelne Brennerschale über eine Brennstoffversorgungsleitung 5 (siehe Figur 1 und 2), die mit einer rohrartig ausgebildeten Brennstoffleitung 6 verbunden ist. Die rohrartig ausgebildete Brennstoffleitung 6 ist an ihren beiden Rohrenden jeweils geschlossen ausgebildet und als separate Komponente gegenüber der Brennerschale 1 angeordnet. Wie im weiteren, insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 hervorgeht, sieht die Rohrleitung 6 hülsenartig ausgebildete Brennstoffinjektoren 7 vor, die der Brennerschale 1 zugewandt zumindest teilweise in oder durch die in der Brennerschale 1 vorgesehenen Öffnungen 4 münden.
Zur Befestigung der rohrartig ausgebildeten Brennstoffleitung 6 an der Brennerschale 1 ist ein Haltemittel 8 vorgesehen, das die Brennstoffleitung 6 radial, d.h. senkrecht zur Oberfläche der Brennerschale 1 spannkraftbeaufschlagt fixiert und dafür sorgt, dass die in die Öffnungen 4 innerhalb der Brennerschale 1 hineinragenden Brennstoffinjektoren 7 sicher in den Öffnungen verbleiben und nicht „herausrutschen" können. Andererseits bietet das als Halteklammer ausgebildete Haltemittel 8 die Möglichkeit, dass die Brennstoffleitung 6 längs ihrer Längsachse, d.h. axial zur Brennerschale, zumindest geringfügig Relativbewegungen auszuführen vermag, um auf diese Weise jeglichen Verspannungserscheinungen sowie Klemmungen zwischen der Brennstoffleitung 6 und der Brennerschale 1 aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungsverhalten vorzubeugen.
Das als Halteklammer ausgebildete Haltemittel 8 weist eine entsprechend an die Aussenkontur der Rohrleitung 6 angepasste Form auf, im Falle einer zylinderförmig ausgebildeten Brennstoffleitung 6 ist das Haltemittel U-förmig ausgebildet und mit beiden U-Schenkeln an der Oberseite der Brennerschale 1 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Haltemittel 8 und der Brennerschale 1 erfolgt entweder im Rahmen einer festen Verbindung, beispielsweise Löt- oder Schweissverbindung oder mittels einer lösbar festen Verbindung, durch die eine vereinfachte Montage sowie auch Demontage der Brennerkomponenten möglich ist. Zur weiteren Befestigung ist die Brennstoffleitung 6 über einen Verbindungssteg 9 fest mit der Einlaufgeometrie des Formelementes 2 (siehe Figur 2) verbunden. Der Verbindungssteg 9 mündet an einen fest mit der Brennstoffleitung 6 verbundenen Anschlussflansch 10 der eine gasfeste Verbindung zwischen Brennstoffleitung 6 und Versorgungsleitung 5 herstellt.
In Figur 3 ist eine schematisierte perspektivische Darstellung der Brennstoffleitung 6 als separates Bauteil dargestellt. Die rohrförmig ausgebildete Brennstoffleitung 6, die an beiden gegenüberliegenden Endbereichen 11 , 12 gasdicht abgeschlossen ist, weist in linearer Anordnung längs ihrer axialen Erstreckung Öffnungen 13 auf, in denen sogenannte Brennstoffinjektoren 7 integriert sind.
Die hülsenartig ausgebildeten Brennstoffinjektoren 7 überragen jeweils den Umfangsrand der rohrförmig ausgebildeten Brennstoffleitung 6, so dass sie in die in Figur 3 nicht dargestellten Öffnungen innerhalb der Brennerschale 1 zumindest teilweise einmünden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel in Figur 3 sind zwei getrennte Brennstoffversorgungsleitungen 5, 5' vorgesehen, über die gasförmiger Brennstoff aus zwei unterschiedlichen Brennstoffversorgungskreisen der Brennstoffleitung 6 zugeführt wird. Grundsätzlich ist es jedoch möglich, die Brennstoffleitung 6 mit nur einer einzigen Versorgungsleitung zu verbinden. An dem unmittelbar mit der Brennstoffleitung verbundenen Anflanschstück 10 ist der Verbindungssteg 9 angebracht, der einen Befestig ungsfuss 14 vorsieht, an dem die separate Baueinheit an der Einlaufgeometrie des Formelementes 2 fest angebracht wird, vorzugsweise im Wege einer Löt- oder Schweissverbindung.
Figur 4 zeigt eine Teilquerschnittsdarstellung durch die Brennstoffleitung 6 im Bereich eines Brennstoffinjektors 7, der in die Öffnung 4 einer Brennerschale 1 einmündet. Der Brennstoffinjektor 7 ist hülsenartig ausgebildet und weist einen innenliegenden Hohlkanal 15 auf, durch den gasförmiger Brennstoff aus dem Inneren der Brennstoffleitung 6 in den von zwei benachbarten Brennerschalen eingegrenzten Lufteintrittsspalt 3 eindüst. Zur Gewährleistung einer weitgehend thermischen Entkopplung zwischen der Brennerschale 1 und der Brennstoffleitung 6 ist der Umfangsrand der Brennstoffleitung 6 von der der Brennstoffleitung 6 zugewandten Oberseite der Brennerschale 1 beabstandet angeordnet. Entweder kann dies durch Vorsehen eines Luftspaltes zwischen beiden Komponenten erfolgen, der mittels nicht dargestellter Distanzelemente zwischen Brennstoffleitung 6 und Brennerschale 1 gewährleistet wird, oder mittels einer geeignet vorzusehenden thermisch nicht oder schlecht leitenden Zwischenschicht.
Um eine axiale Relativbeweglichkeit zwischen Brennstoffleitung 6 und Brennerschale 1 gemäss Pfeildarstellung in Figur 4 gewährleisten zu können, sind die innerhalb der Brennerschale 1 vorgesehenen Öffnungen mit einem leichten Übermass gegenüber dem Durchmesser der Brennstoffinjektoren ausgebildet, so dass sich zwischen dem Aussenumfangsrand des jeweiligen Brennstoffinjektors 7 und der Öffnung 4 ein deutlicher Luftspalt einstellt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die innerhalb der Brennerschale 1 eingebrachten Öffnungen 4 als in Axialerstreckung der Brennerschale orientierte Langlöcher ausgebildet, um insbesondere den vom Verbindungssteg 9 am weitest entfernt gelegenen Bereich der Brennstoffleitung 6 die grösste Möglichkeit einer relativen Längenausdehnung zu ermöglichen. Ebenso kann der Teilquerschnittsdarstellung gemäss Figur 4 entnommen werden, dass der als Hülsenelement ausgebildete Brennstoffinjektor 7 über wenigstens ein Zwischenelement 16 mit der Rohrleitungswand verbunden ist, um eine über das Hülsenelement des Brennstoffinjektors 14 auf die Brennstoffleitung 6 möglicherweise einwirkende Erwärmung möglichst gering zu halten.
Durch die separate Ausbildung der Brennstoffleitung 6 und ihre vorstehend beschriebene Lagerung gegenüber der Brennerschale 1 können weitgehend jegliche thermische Spannungen zwischen beiden Komponenten ausgeschlossen werden und insbesondere die damit verbundene Gefahr einer möglichen Rissbildung im Material der Brennerschale im Bereich der Brennstofföffnungen vermieden werden. Bezugszeichenliste
Brennerschale Formelement Lufteintrittsspalt Öffnung innerhalb der Brennerschale , 5' Versorgungsleitung Brennstoffleitung Brennstoffinjektor Haltemittel Verbindungssteg 0 Verbindungsflansch 1 ,12 Endbereiche der Brennstoffleitung 6 3 Öffnung innerhalb der Brennstoffleitung 4 Befestig u ngsf uss 5 Hohlkanal 6 Zwischenstück

Claims

Patentansprüche
1. Vormischbrenner zum Erzeugen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, mit einem Drallerzeuger, der wenigstens zwei sich zu einem Durchströmungskörper ergänzende Brennerschalen (1) vorsieht, die gemeinsam einen sich axialwärts kegelförmig erweiternden Drallraum einschliessen und in axialer Kegellängserstreckung gegenseitig tangentiale Lufteintrittsschlitze (3) begrenzen, durch die Verbrennungszuluft in den Drallraum gelangt, in dem sich eine axialwärts ausbreitende Drallströmung ausbildet, sowie mit Mitteln (6) zur Eindüsung von Brennstoff, die wenigstens abschnittsweise längs der tangential verlaufenden Lufteintrittschlitze (3) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Eindüsung von Brennstoff als eine zur Brennerschale (1 ) separate Brennstoffleitung (6) ausgebildet ist, die längs zur Brennerschale (1 ) längsbeweglich und senkrecht zur Oberfläche der Brennerschale (1 ) lösbar fest an die Brennerschale (1 ) gefügt ist, dass in der Brennerschale (1) Öffnungen (4) vorgesehen sind, in die Brennstoffinjektoren (7) einmünden, die längs der Brennstoffleitung (6) vorgesehen sind, die den Umfangsrand der Brennstoffleitung (6) überragen.
2. Vormischbrennem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass längs der Brennerschale (1 ) ein Haltemittel (8) vorgesehen ist, das fest oder lösbar fest mit der Brennerschale (1 ) verbunden ist und das die Brennstoffleitung (6) unter Aufbringung einer senkrecht zu einer der Brennstoffleitung (6) zugewandten Oberfläche der Brennerschale (1 ) gerichteten Vorspannung fixiert.
3. Vormischbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der der Brennstoffleitung (6) zugewandten Oberfläche der Brennerschale (1 ) und der Brennstoffleitung (6) ein Luftspalt vorgesehen ist, der durch Distanzelemente zwischen der Oberfläche der Brennerschale (1 ) und dem Umfangsrand der Brennstoffleitung (6) gewährleistet ist.
4. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Öffnungen (4) in der Brennerschale (1) in Form von Langlöchern ausgebildet sind mit jeweils einem größten Lochdurchmesser, der in Längsrichtung der Brennstoffleitung (1 ) orientiert ist.
5. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffleitung (6) einen Verbindungssteg (9) aufweist, über den die Brennstoffleitung (6) mit einer Komponente des Vormischbrenners fest verbunden ist, die nicht Teil einer Brennerschale (1 ) ist.
6. Vormischbrennem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am stromabseitigen Endbereich des Drallerzeugers ein die Brennerschalen (1) umschließendes Formelement (2) vorgesehen ist, an das der Verbindungssteg (9) einer jeden Brennstoffleitung (6) befestigt ist.
7. Vormischbrennem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffinjektoren (7) in Form von jeweils einen Hohlkanal (15) aufweisende Hülsenelemente ausgebildet sind, die maximal eine den Umfangsrand der Brennstoffleitung (6) überragende Überhöhung aufweisen, mit der sie bündig an der der Brennstoffleitung (6) abgewandten Oberfläche der Brennerschale (1 ) anschliessen.
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