EP1918641A2

EP1918641A2 - Brennervorrichtung und Verfahren zum Einblasen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in einen Brennraum

Info

Publication number: EP1918641A2
Application number: EP07119000A
Authority: EP
Inventors: Claus Wahl; Manfred Aigner; Harald Schütz; Oliver Lammel; Rainer Lückerath
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; WS Warmeprozesstechnik GmbH
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2008-05-07
Also published as: US20080131824A1; DE102006051286A1; EP1918641A3

Abstract

Es wird eine Brennervorrichtung bereitgestellt, umfassend eine Brennkammer mit einem Brennraum und eine Einblaseinrichtung zum Einblasen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in den Brennraum, wobei die Einblaseinrichtung eine Mehrzahl von an einer Kreislinie angeordneten Düsen aufweist, die Düsen jeweils einen Düsenraum aufweisen, Brennstoffdüsen oder Brennstoffröhren zum Einkoppeln von Brennstoff in die Düsenräume münden, über eine Zuführungseinrichtung Oxidator in die Düsenräume zur Gemischerzeugung einkoppelbar ist, und wobei Düsenöffnungen der Düsen in dem Brennraum als Langlöcher ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennervorrichtung, umfassend eine Brennkammer mit einem Brennraum und eine Einblaseinrichtung zum Einblasen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in den Brennraum, wobei die Einblaseinrichtung eine Mehrzahl von an einer Kreislinie angeordneten Düsen aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Einblasen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in einen Brennraum.
Durch eine solche Brennervorrichtung lässt sich in dem Brennraum eine Rezirkulation von Abgas erreichen. Das Brennstoff-Oxidator-Gemisch, welches über entsprechende Düsenstrahle in den Brennraum eingeblasen wird, kann sich mit dem rezirkulierenden Abgas vermischen. Dadurch erhält man homogene Verbrennungsverhältnisse in dem Brennraum, die dem Entstehen von heißen Stellen entgegenwirken. Dadurch wiederum erhält man gute Abgaswerte bezüglich CO und NOx.
Aus der US 2006/0029894 A1 ist ein Verbrennungssystem bekannt, welches eine Brennkammer umfasst und einen Verteiler, welcher mindestens einen Einlass für Brennstoff trägt. Über den Verteiler ist Brennstoff in die Brennkammer von einem ersten Ende in Richtung eines zweiten Endes richtbar.
Aus der US 3,834,627 ist ein Brennstoffinjektor bekannt, welcher einen Brennstoffverteiler aufweist.
Aus der DE 25 28 671 A1 ist eine Brennkammer für Flüssigtreibstoffe und Gastreibstoffe bekannt, welche eine im Wesentlichen zylindrische Wandung und eine an der Stirnseite angeordnete Deckplatte aufweist. Die Deckplatte hat eine zentral angeordnete Brennstoffzuführdüse und mehrere Zuführöffnungen für gasförmige Medien, welche um einen Winkel in tangentialer Richtung zur Brennkammermittelachse geneigt angeordnet sind.
Aus der DE 1 800 612 ist eine Brennkammer mit Öffnungen bekannt, welche zur Beimengung von Kühlluft zu heißen Verbrennungsgasen dienen. Die Eintrittsöffnungen für die Kühlluft haben schlitzförmige Querschnitte.
Aus der WO 2005/080878 A1 ist ein Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases bekannt, welcher einen sich entlang einer Brennerachse erstreckenden Vormisch-Luftkanal aufweist, über den Verbrennungsluft zuführbar ist.
Aus der US 3,043,577 ist eine Lanze mit Führungen zur Gasmischung bekannt.
Aus der EP 0 856 128 B1 ist ein Gasgerät zum Erreichen eines Wärmeübergangs auf ein Fluid mit mindestens einem Gasbrenner mit Vormischung bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennervorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welcher man eine gute Gasdurchmischung im Brennraum auch bei Erhöhung der Leistungsdichte erhält.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Brennervorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Düsen jeweils einen Düsenraum aufweisen, dass Brennstoffdüsen oder Brennstoffröhren zum Einkoppeln von Brennstoff in die Düsenräume münden, dass über eine Zuführungseinrichtung Oxidator in die Düsenräume zur Gemischerzeugung einkoppelbar ist, und dass Düsenöffnungen der Düsen in dem Brennraum als Langlöcher ausgebildet sind.
Um die Leistungsdichte einer Brennervorrichtung der eingangs genannten Art zu erhöhen, kann der Gasdurchsatz durch die Düsen erhöht werden. Dies führt aber zu höheren Druckverlusten und damit zu einer direkten Verringerung des Wirkungsgrads. Um die Druckverluste wiederum zu verringern, kann der Durchmesser der Düsenöffnungen erhöht werden. Durch die Erhöhung des Durchmessers der Düsenöffnungen wird aber die Gasdurchmischung in dem Brennraum verschlechtert, weil der Gasstrahl dicker wird.
Durch die erfindungsgemäße Lösung mit Langlöchern als Düsenöffnungen lässt sich das Brennstoff-Oxidator-Gemisch in dem Brennraum als Bandstrahl an den jeweiligen Düsen einblasen. Bei einem solchen Bandstrahl hat man im Vergleich zu einem Strahl mit rundem Durchmesser bei gleichem Querschnitt eine größere Oberfläche. Dadurch wird die Einmischung in das rezirkulierte Abgas verbessert. Dadurch wiederum erhält man kleinere Lambda-Gradienten in der Brennkammer und die Emission von NOx und CO lässt sich im Vergleich zu Düsen mit runden Düsenöffnungen verringern.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann man auch bei Erhöhung der Leistungsdichte eine verbesserte Gasdurchmischung erreichen.
Brennstoffdüsen oder Brennstoffröhren sind zum Einkoppeln von Brennstoff in die Düsen vorgesehen sind. Es lässt sich dadurch ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch erzeugen, welches durch die Düsen in den Brennraum eingeblasen wird. Dieses Brennstoff-Oxidator-Gemisch wird in einem Düsenraum der Düsen erzeugt. Durch die Vormischung werden NOx- und CO-Emissionen weiter reduziert (im Vergleich zur fehlenden Vormischung), da der λ-Gradient verringert wird.
Insbesondere ist bei den Langlöchern das Verhältnis von Lochumfang zu Lochfläche größer als bei einem Kreisloch mit gleichem Lochumfang oder gleicher Lochfläche. Dadurch lässt sich bezogen auf die gleiche Lochfläche die Gasdurchmischung verbessern. Bezogen auf den gleichen Lochumfang lassen sich die Düsenöffnungen mit kleinerer Fläche und damit platzsparender ausbilden.
Insbesondere ist das Verhältnis um mindestens einen Faktor 1,2, bevorzugterweise um einen Faktor 1,4 und bei einem Ausführungsbeispiel um einen Faktor 1,5 größer. Es lässt sich dadurch im Vergleich zu runden Düsenöffnungen eine effektive Durchmischung bezogen auf die gleiche Querschnittsfläche erreichen.
Günstig ist es, wenn eine Länge einer Düsenöffnung größer ist als eine größte Breite der Düsenöffnung. Dadurch lässt sich das Verhältnis von Lochumfang zu Lochfläche vergrößern.
Insbesondere ist die Länge der Düsenöffnung mindestens 1,5-fach größer als die größte Breite, um einen großen Lochumfang zu erreichen. Ein großer Lochumfang bewirkt wiederum einen großen Querschnittsumfang in einem eingeblasenen Brennstoff-Oxidator-Strahl.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Düsenöffnungen mit ihrer Mittellinie radial oder in einem Winkel kleiner 30° zur Radialenrichtung ausgerichtet sind. Dadurch hat man eine optimierte Einmischung in das rezirkulierte Abgas erhalten. Die Mittellinie liegt dabei zwischen den längeren Seiten der Düsenöffnung.
Es kann vorgesehen sein, dass die Drehorientierung zu einer zur Brennraumachse parallelen Achse einer Düsenöffnung mindestens in einem Winkelbereich einstellbar ist. Dadurch kann diese Drehstellung variiert werden, um an einer Brennervorrichtung optimierte Vermischungsverhältnisse und Verbrennungsverhältnisse in dem Brennraum zu erhalten.
Insbesondere ist eine Düsenöffnung schlitzförmig ausgebildet, um einen Bandstrahl an dem eingeblasenen Brennstoff-Oxidator-Gemisch zu erzeugen.
Es ist auch möglich, dass eine Düsenöffnung dreiecksförmig ausgebildet ist.
Es ist auch möglich, dass eine Düsenöffnung eine oder mehrere gekrümmte Begrenzungslinien aufweist. Die Begrenzungslinien können dabei einfach oder mehrfach gekrümmt sein.
Es ist günstig, wenn der Brennraum rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Dadurch lassen sich Vermischungsverhältnisse und Verbrennungsverhältnisse in dem Brennraum mit hohem Symmetriegrad erreichen. Dies wiederum führt zu einer verbesserten Durchmischung von rezirkuliertem Abgas und eingeblasenem Brennstoff-Oxidator-Gemisch.
Günstig ist es, wenn die Brennkammer einen Auslassbereich aufweist, welcher einen sich verengenden inneren Querschnitt hat. Durch diesen Auslassbereich lässt sich eine Abgasrezirkulation erreichen, durch die wiederum eingeblasenes Brennstoff-Oxidator-Gemisch in heißes rezirkuliertes Abgas einmischbar ist.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Brennervorrichtung so ausgebildet ist, dass sich eine Abgasrezirkulation im Brennraum ausbilden kann. Dadurch erhält man homogene Mischungs- und Verbrennungsverhältnisse in dem Brennraum unter Vermeidung von heißen Stellen.
Günstig ist es, wenn die Lochfläche eines Langlochs größer oder gleich ist als eine Fläche einer Auslassöffnung einer Brennstoffdüse oder Brennstoffröhre in einen Düsenraum. Dadurch wird das Entstehen eines Gegendrucks verhindert. Es lässt sich so effektiv ein Vorgemisch aus Brennstoff und Oxidator in dem Düsenraum erzeugen und dieses Gemisch lässt sich in den Brennraum einkoppeln.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Schalteinrichtung vorhanden ist, durch die eine oder mehrere Düsen als aktiv oder inaktiv bezüglich des Einblasens von Brennstoff-Oxidator-Gemisch in den Brennraum durch die jeweilige Düse schaltbar sind. Durch die Schalteinrichtung kann beispielsweise mit Hilfe eines Ventils eingestellt werden, ob durch eine entsprechend angesteuerte Düse Brennstoff-Oxidator-Gemisch eingeblasen wird oder nicht. Dadurch lässt sich bei einer Leistungsvariation der Massenstrom des Brennstoff-Oxidator-Gemischs in den Brennraum reduzieren, ohne dass das Verhältnis von Brennstoff zu Oxidator im Gemisch (λ-Verhältnis) neu eingestellt werden muss. Durch die Inaktivierung einer oder mehrerer Düsen lässt sich bei reduziertem Massenstrom die Austrittsgeschwindigkeit des Gemischs aus einer aktiven Düse in den Brennraum aufrechterhalten, das heißt der Impuls des Brennstoff-Oxidator-Gemischs beim Eintritt in den Brennraum muss bei einer Leistungsvariation nicht modifiziert werden. Insbesondere ist durch die Schalteinrichtung steuerbar, dass beispielsweise jede zweite oder jede dritte oder jede vierte usw. Düse inaktiviert werden kann. Dadurch lassen sich auch bei Reduzierung des Massenstroms bei einer Leistungsverminderung symmetrische Verhältnisse erreichen.
Es ist auch möglich, dass an der Kreislinie mehrere Düsen in radialer Richtung hintereinander angeordnet sind. An einem Düsenplatz an der Kreislinie sitzen dann mindestens zwei Düsen mit entsprechenden Düsenöffnungen in Langlochform. Statt einer einzigen Düsenöffnung an dem entsprechenden Düsenplatz sind dann mehrere Düsenöffnungen vorgesehen. Diese lassen sich mit geringerer Länge ausbilden, als wenn nur eine Düse an einem Düsenplatz vorhanden ist. Bei entsprechender Ausgestaltung ist es möglich, bezogen auf die Gesamtanzahl der Düsen an einem Düsenplatz ein größeres Verhältnis des Lochumfangs zur Lochfläche an den Düsenöffnungen zu erhalten. Dadurch wiederum lässt sich die Einmischung in rezirkulierendes heißes Abgas verbessern. Eine Düse an einem Düsenplatz wird gewissermaßen in mehrere Düsen unterteilt.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welchem eine gute Gasdurchmischung im Brennraum auch bei Erhöhung der Leistungsdichte erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Brennstoff und Oxidator in Düsenräume eingekoppelt werden, um ein Vorgemisch von Brennstoff und Oxidator herzustellen, und das Brennstoff-Oxidator-Gemisch über sich an die Düsenräume anschließende Düsenöffnungen in den Brennraum eingeblasen wird, wobei die Düsenöffnungen auf einer Kreislinie liegen und als Langlöcher ausgebildet sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung erläutert.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Brennstoff-Oxidator-Gemisch in den Brennraum mit einer höheren Geschwindigkeit als die turbulente Flammengeschwindigkeit im Brennraum eingeblasen wird. Dadurch wird ein Rückschlag in den Düsenraum vermieden.
Es ist günstig, wenn zur Verringerung des Massenstroms eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs, welches in den Brennraum eingeblasen wird, eine oder mehrere Düsen inaktiviert werden. Dadurch lässt sich auf einfache Weise der Massenstrom bei einer Leistungsvariation reduzieren, ohne dass die Mischung in dem Düsenraum beeinflusst werden muss. Weiterhin muss dadurch der Austrittsimpuls an den Düsen bei einer Massenstromreduzierung nicht modifiziert werden.
Insbesondere werden die inaktivierten Düsen so ausgewählt, dass sie symmetrisch auf der Kreislinie verteilt sind. Dadurch erhält man auch bei einer Reduzierung des Massenstroms symmetrische Verhältnisse.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung;
Figur 2: eine Schnittansicht der Brennervorrichtung gemäß Figur 1; und
Figur 3: eine schematische Darstellung verschiedener Möglichkeiten für die Ausgestaltung von Düsenöffnungen.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung, welches in Figur 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Brennkammer 12 mit einem Brennraum 14. Der Brennraum 14 ist rotationssymmetrisch um eine Achse 16 ausgebildet.
Der Brennraum 14 umfasst einen Verbrennungsbereich 18, welcher im Wesentlichen zylindrisch ist, und einen Auslassbereich 20 mit einer Auslassöffnung 22. Der Auslassbereich 20 verengt sich zu der Auslassöffnung 22 hin. Der Auslassbereich 20 ist kegelstumpfförmig ausgebildet.
An der Brennkammer 12 ist eine Einblaseinrichtung 24 angeordnet, über welche sich ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch in den Brennraum 14 einblasen lässt. Als Brennstoff wird ein gasförmiger Brennstoff eingesetzt. Der Oxidator ist insbesondere Luftsauerstoff.
Die Einblaseinrichtung 24 umfasst eine Mehrzahl von Düsen 26, welche an einer Kreislinie 28 (Figur 2) angeordnet sind. Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Düsen 26 auf der Kreislinie 28. Die Düsen 26 weisen Düsenöffnungen 30 auf, welche in den Brennraum 14 münden. Die Düsenöffnungen 30 liegen in der Nähe einer Brennkammerwand 32, welche den Verbrennungsbereich 18 des Brennraums 14 begrenzt und sind beabstandet zu dieser Brennkammerwand 32.
Die Düsen 26 sind im Wesentlichen parallel zu der Achse 16 ausgerichtet, so dass das Brennstoff-Oxidator-Gemisch mit einer Einströmungs-Hauptrichtung in den Brennraum 14 einblasbar ist, welcher im Wesentlichen parallel zu der Achse 16 liegt. Entsprechend sind Düsenachsen 34 parallel zur Achse 16 ausgerichtet.
In die Düsen 26 ist jeweils über eine zugeordnete Brennstoffdüse 36 oder über ein Brennstoffröhrchen 36 Brennstoff einblasbar. Eine solche Brennstoffdüse oder ein solches Brennstoffröhrchen 36 weist eine Auslassöffnung 38 auf, welche in einen Düsenraum 40 der Düsen 26 mündet oder so außerhalb des Düsenraums 40 positioniert ist, dass Brennstoff, welcher aus den jeweiligen Auslassöffnungen 38 austritt, in den jeweiligen Düsenraum 40 vollständig eintritt. Der Durchmesser der Auslassöffnungen 38 ist entsprechend kleiner als der Durchmesser des Düsenraums 40.
In den Düsenraum 40 ist ferner über eine Zuführungseinrichtung 42 Oxidator und insbesondere Luft einkoppelbar.
Den Brennstoffdüsen 36 ist Brennstoff über eine Zuführungseinrichtung 44 zuführbar.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind auf der Kreislinie 28 zwölf Düsen 26 angeordnet. Der Durchmesser der Düsen 26 am Düsenraum 40 beträgt 4,5 mm. Der Durchmesser der Auslassöffnungen 38 der Brennstoffdüsen 36 beträgt 1 mm. Die Auslassöffnung 38 der Brennstoffdüsen 36 ist insbesondere kreisförmig.
An der Brennkammer 12 ist eine Zündeinrichtung 46 angeordnet, um das Brennstoff-Oxidator-Gemisch im Brennraum 14 zünden zu können.
Die Brennervorrichtung 10 ist so ausgebildet, dass Abgas in dem Brennraum 14 rezirkulieren kann. Die Abgasrezirkulation ist in Figur 1 durch das Bezugszeichen 48 angedeutet. Durch die Abgasrezirkulation lässt sich in dem Brennraum 14 ein Temperaturprofil mit gutem Homogenitätsgrad erreichen, so dass heiße Stellen ("hot spots") vermieden werden. Dadurch erhält man niedrigere Anteile an NOx und an CO im Abgas.
Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die Geschwindigkeit von Brennstoff in den Brennstoffdüsen 36 größer ist als die turbulente Flammengeschwindigkeit im Brennraum 14, um ein Rückschlagen der Flamme in die Einblaseinrichtung 24 zu verhindern.
Um bei einer gegebenen Gasturbinen-Brennervorrichtung-Kombination 10 die Leistungsdichte zu erhöhen, kann der Durchsatz Brennstoff-Oxidator-Gemisch durch die Einblaseinrichtung 24 erhöht werden. Dies führt aber zu erhöhten Druckverlusten, die in einer Verringerung des Wirkungsgrads resultieren. Um den Druckverlust gering zu halten, können die Querschnittsflächen der Düsenöffnungen 30 der Düsen 26 erhöht werden. Durch den dadurch bedingten dickeren Gasstrahl, welcher in den Brennraum 14 eingekoppelt wird, wird die Durchmischung mit rezirkuliertem Abgas in dem Brennraum 14 verschlechtert.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass statt kreisförmigen Düsenöffnungen für die Düsen 26 die Düsenöffnungen 30 als Langlöcher 50 ausgebildet sind. Bei den Langlöchern 50 ist das Verhältnis von Lochumfang zur Lochfläche an den Düsenöffnungen 30 größer als bei einer Kreisöffnung mit gleicher Lochfläche und insbesondere um einen Faktor von mindestens 1,2 größer. Es kann vorteilhaft sein, wenn dieser Faktor mindestens 1,4 oder sogar mindestens 1,5 ist.
Ferner weisen die Langlöcher eine Länge L auf, welche größer ist als die größte Breite B. Insbesondere ist diese Länge L um das mindestens 1,5-fache größer als die Breite B.
Die Langlöcher 50 für die Düsenöffnungen 30 sind mit einer Mittellinie 51 parallel zu der Radialenrichtung 54 ausgerichtet oder liegen in einem kleinen spitzen Winkel zur Radialenrichtung 54. Insbesondere ist dieser kleine spitze Winkel kleiner als 30°.
Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass die Orientierung der Düsenöffnung 30 in ihrer Drehstellung bezogen auf eine Drehachse 56 parallel zur Achse 16 einstellbar ist.
Beispielsweise sind die Düsen 26 oder entsprechende Teile der Düsen 26, welche die Düsenöffnung 30 tragen, an einem Halter 58 einschraubbar. Durch die Einschraubstellung ist dann die Position der Drehachse 56 und damit die Ausrichtung bezüglich der Radialenrichtung 54 bestimmt.
Durch die Langloch-Düsenöffnungen 50 lässt sich das Brennstoff-Oxidator-Gemisch in "dünnen Bändern" in den Brennraum 14 einblasen. Man erhält ein hohes Verhältnis für den Querschnittsumfang eines eingeblasenen Strahls im Vergleich zu seiner Querschnittsfläche (insbesondere bezogen auf eine kreisförmige Düsenöffnung). Dadurch wird die Einmischung in das rezirkulierte heiße Abgas verbessert und die Einmischung erfolgt auch schneller. Dadurch wiederum kommt es zu kleineren Lambda-Gradienten und die Emission von NOx und CO wird verringert im Vergleich zu runden Düsenöffnungen mit gleicher Lochfläche.
Die Langlöcher 50 können schlitzförmig ausgebildet sein, wie in Figur 3 durch das Bezugszeichen 60 angedeutet. Bei dem Langloch 60 sind parallele Begrenzungslinien vorgesehen.
Es ist auch möglich, dass Langlöcher gekrümmte Begrenzungslinien aufweisen, wie die Langlöcher 62, 64 und 66 gemäß Figur 3. Die Langlöcher können dabei, wie oben erwähnt, in radialer Richtung 54 ausgerichtet sein oder gegenüber dieser gedreht sein.
Die Langlöcher 62 und 64 gemäß Figur 3 weisen einfach gekrümmte Begrenzungslinien auf. Das Langloch 66 weist mehrfach gekrümmte Begrenzungslinien auf.
Es ist beispielsweise auch möglich, dass ein Langloch wie das Langloch 68 gemäß Figur 3 dreiecksförmig ausgebildet ist.
Es ist auch möglich, dass an der Kreislinie 28 auf einem entsprechenden Kreissektor eine Mehrzahl von Düsen 70, 72 angeordnet ist. Die Düsen 70, 72 liegen insbesondere radial zueinander. Sie weisen entsprechende Düsenöffnungen 74, 76 auf, welche Langlochöffnungen sind. Die Düsenöffnungen 74 und 76 liegen in radialer Richtung 54 hintereinander und sind fluchtend zueinander ausgerichtet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Düsenöffnung mit großer Länge unterteilt in mehrere Düsenöffnungen 74, 76. Dadurch kann man getrennte Brennstoff-Oxidator-Strahlen an den Düsen 70, 72 in den Brennraum 14 einkoppeln mit einer vergrößerten Oberfläche, wenn der Abstand der Düsenöffnungen 74, 76 entsprechend gewählt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Brennervorrichtung 10 eine Schalteinrichtung 80. Diese wirkt auf die Zuführungseinrichtung 42 für Oxidator in die jeweiligen Düsenräume 40. Durch diese ist die Oxidator-Zuführung für jede Düse oder für ausgewählte Düsen 26 unterbrechbar. Dazu sind insbesondere den entsprechenden Düsen Schaltventile 82 zugeordnet.
Ferner steuert die Schalteinrichtung 80 Schaltventile 84 an, welche an den Brennstoffröhrchen 36 sitzen oder an Brennstoffröhrchen 36 ausgewählter Düsen 26 sitzen. Es ist die Zuführung von Brennstoff in den Düsenraum 40 einer jeweiligen Düse 26 unterbrechbar.
Bei einer ausgewählten Düse 26 ist sowohl ein Schaltventil 82 für die Unterbrechung der Oxidatorzuführung als auch ein Schaltventil 84 für die Unterbrechung der Brennstoffzuführung vorgesehen; die Ansteuerung der entsprechenden Schaltventile 82 und 84 ist durch die Schalteinrichtung 80 synchronisiert.
Durch die Schalteinrichtung 80 ist eine ausgewählte Düse 26 inaktivierbar; der entsprechenden Düse 26 wird durch Schließen der Schaltventile 82 und 84 kein Oxidator und kein Brennstoff mehr bereitgestellt und durch diese Düse 26 kann dann auch kein Brennstoff-Oxidator-Gemisch mehr in den Brennraum 14 strömen.
Durch die Schalteinrichtung 80 lässt sich der Massenstrom an Brennstoff-Oxidator-Gemisch in den Brennraum 14 reduzieren, indem eine oder mehrere Düsen 26 inaktiviert werden. Dies kann beispielsweise bei einer Leistungsvariation erforderlich sein. Der Massenstrom lässt sich dabei reduzieren, ohne dass an der oder den Düsen, über die noch Brennstoff-Oxidator-Gemisch eingeblasen wird, eine Regelung oder Neuanpassung des Verhältnisses von Brennstoff zu Oxidator notwendig ist. Ferner tritt keine Reduzierung der Austrittsgeschwindigkeit an den Düsen, über die eingeblasen wird, auf, das heißt der Austrittsimpuls wird nicht verändert.
Insbesondere steuert die Schalteinrichtung 80 die Düsen 26 auf der Kreislinie symmetrisch an, so dass beispielsweise jede zweite, jede dritte oder jede vierte usw. Düse 26 je nach einzustellendem Massenstrom inaktiviert wird.
Durch die erfindungsgemäße Lösung mit dem Vorsehen von Langlöchern 50 lässt sich im Vergleich zu kreisförmigen Düsenöffnungen bei gleicher Strahlfläche die Oberfläche des Strahls, welcher in den Brennraum 14 eingekoppelt wird, vergrößern. Es wird ein Bandstrahl bereitgestellt, mittels dem eine bessere Einmischung in rezirkuliertes Abgas erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert wie folgt:
In den Düsenräumen 40 der Düsen 26 wird Brennstoff und Oxidator vorgemischt. Über die Zuführungseinrichtung 42 wird Oxidator in die jeweiligen Düsenräume 40 eingekoppelt und über die Brennstoffröhrchen 36 wird Brennstoff eingekoppelt. Dieses Gemisch wird dann über die jeweiligen Langloch-Düsenöffnungen 50 in den Brennraum 14 eingeblasen.
Die Einblasgeschwindigkeit ist dabei so eingestellt, dass sie höher ist als die turbulente Flammengeschwindigkeit in dem Brennraum 14. Dadurch lässt sich ein Flammenrückschlag in die Düsenräume 40 vermeiden.
Die Düsenöffnungen 30 der Düsen 26 sind dabei auf der Kreislinie 28 angeordnet.
Die Öffnungsfläche der Auslassöffnungen 38 in die Düsenräume 40 ist kleiner als die jeweilige Fläche der Langloch-Düsenöffnungen 50, um einen Gegendruck zu vermeiden.
Durch die Schalteinrichtung 80 lassen sich eine oder mehrere Düsen 26 inaktivieren, das heißt über die entsprechenden Schaltventile 82 oder 84 wird die Oxidatorzuführung und Brennstoffzuführung in den entsprechenden Düsenraum 40 unterbrochen. Dadurch lässt sich der Massenstrom an Brennstoff-Oxidator-Gemisch, welches in den Brennraum 14 eingeblasen wird, reduzieren, wobei keine Reduktion der Austrittsgeschwindigkeit und damit des Austrittsimpulses des Brennstoff-Oxidator-Gemischs an den Düsen 26 erfolgt, über welche noch eingeblasen wird.

Claims

Brennervorrichtung, umfassend eine Brennkammer (12) mit einem Brennraum (14) und eine Einblaseinrichtung (24) zum Einblasen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in den Brennraum (14), wobei die Einblaseinrichtung (24) eine Mehrzahl von an einer Kreislinie (28) angeordneten Düsen (26) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (26) jeweils einen Düsenraum (40) aufweisen, dass Brennstoffdüsen (36) oder Brennstoffröhren (36) zum Einkoppeln von Brennstoff in die Düsenräume (40) münden, dass über eine Zuführungseinrichtung (42) Oxidator in die Düsenräume (40) zur Gemischerzeugung einkoppelbar ist, und dass Düsenöffnungen (30) der Düsen (26) in dem Brennraum (14) als Langlöcher (50) ausgebildet sind.
Brennervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Langlöchern (50) das Verhältnis von Lochumfang zu Lochfläche größer ist als bei einem Kreisloch mit gleichem Lochumfang oder gleicher Lochfläche.
Brennervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis mindestens um einen Faktor 1,2 größer ist.
Brennervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis mindestens um einen Faktor 1,4 größer ist.
Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis mindestens um einen Faktor 1,5 größer ist.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (L) einer Düsenöffnung (30) größer ist als eine größte Breite (B) der Düsenöffnung (30).
Brennervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Düsenöffnung (30) mindestens 1,5-fach größer ist als die größte Breite (B).
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen (30) mit ihrer Mittellinie (51) radial oder in einem Winkel kleiner 30° zur Radialenrichtung (54) ausgerichtet sind.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehorientierung zu einer zur Brennraumachse (16) parallelen Achse (51) einer Düsenöffnung (30) mindestens in einem Winkelbereich einstellbar ist.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düsenöffnung (30) schlitzförmig ausgebildet ist.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düsenöffnung dreiecksförmig ausgebildet ist.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düsenöffnung eine oder mehrere gekrümmte Begrenzungslinien aufweist.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (14) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (12) einen Auslassbereich (20) aufweist, welcher einen sich verengenden inneren Querschnitt hat.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung, bei der sich eine Abgasrezirkulation in dem Brennraum (14) ausbilden kann.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kreislinie (28) mehrere Düsen (70, 72) in radialer Richtung (54) hintereinander angeordnet sind.
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lochfläche eines Langlochs (50) größer oder gleich ist als eine Fläche einer Auslassöffnung (38) einer Brennstoffdüse (36) oder Brennstoffröhre (36) in einen Düsenraum (40).
Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (80), durch die eine oder mehrere Düsen (26) als aktiv oder inaktiv bezüglich des Einblasens von Brennstoff-Oxidator-Gemisch durch die jeweilige Düse (26) schaltbar sind.
Verfahren zum Einblasen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in einen Brennraum, bei dem Brennstoff und Oxidator in Düsenräume eingekoppelt werden, um ein Vorgemisch von Brennstoff und Oxidator herzustellen, und das Brennstoff-Oxidator-Gemisch über sich an die Düsenräume anschließende Düsenöffnungen in den Brennraum eingeblasen wird, wobei die Düsenöffnungen auf einer Kreislinie verteilt angeordnet sind und als Langlöcher ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoff-Oxidator-Gemisch in den Brennraum mit einer höheren Geschwindigkeit als die turbulente Flammengeschwindigkeit im Brennraum eingeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung des Massenstroms am Brennstoff-Oxidator-Gemisch, welches in den Brennraum eingeblasen wird, eine oder mehrere Düsen inaktiviert werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die inaktivierten Düsen so ausgewählt werden, dass sie symmetrisch auf der Kreislinie verteilt sind.