EP1999410B1

EP1999410B1 - Brenner für den betrieb eines wärmeerzeugers

Info

Publication number: EP1999410B1
Application number: EP07726625.2A
Authority: EP
Inventors: Stefano Bernero; Peter Flohr; Gijsbertus Oomens; Martin Zajadatz
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2027-03-05
Also published as: US7972133B2; EP1999410A1; WO2007110298A1; US20090081599A1; JP2009531642A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, wobei ein solcher Brenner einen Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom, sowie Mittel zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom umfasst. Stromab des Drallerzeugers ist dabei eine Mischstrecke angeordnet, und im Bereich radial ausserhalb der Austrittsöffnung der Mischstrecke des Brenners ist wenigstens eine Düse zur Zuführung von flüssigem Pilotbrennstoff vorhanden. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb solcher Brenner.

STAND DER TECHNIK

Vormischbrenner, wie beispielsweise in der EP 0 321 809 B1 vorgeschlagen, sind Brenner, bei welchen ein Brennstoff, gasförmig oder flüssig, zunächst mit der Verbrennungsluft vermischt wird und nach diesem Vermischungsprozess in der Flamme verbrannt wird. Beim in der EP 0 321 809 B1 vorgeschlagenen Typ eines solchen Vormischbrenners ist eine Mehrzahl von konischen Wandelementen vorgesehen, wobei diese Wandelemente derart zueinander versetzt angeordnet sind, dass zwischen ihnen Eintrittsschlitze für die Verbrennungsluft in das Innere des Brenners gebildet werden. In diesem Bereich wird also ein Drall erzeugt, und die darin gebildete Drallströmung wird anschliessend in eine Mischstrecke übergeführt. In einem solchen Brenner können sowohl flüssige wie auch gasförmige Brennstoffe verbrannt werden, wobei Erstere bevorzugt auf der Achse des Brenners über eine BrennstoffLanze zugeführt werden, und der Letztere im Bereich der Eintrittsschlitze, typischerweise über eine Vielzahl von hintereinander angeordneten Austrittslöchern. Solche Brenner zeichnen sich durch eine hervorragende Stabilität der Flamme aus sowie durch ausgezeichnete Schadstoffwerte (niedrige NOx-Werte) und eine effiziente Wärmeerzeugung.
Eine weitere Verbesserung einer solchen Konstruktion wird beispielsweise in den Dokumenten EP 0 704 657 B1 oder in der EP 0 780 629 B1 beschrieben. In diesem Fall ist stromab des Drallerzeugers aus den genannten konischen Wandelementen ebenfalls eine Mischstrecke angeordnet, und beim Eingang dieser Mischstrecke sind spezifische Übergangskanäle vorgesehen, weiche eine ideale Überführung der im Drallerzeuger gebildeten Strömung in die Mischstrecke sicherstellen.
Problematisch bei derartigen Brennern ist die Tatsache, dass sie, wenn sie beispielsweise unter Niederlast-Bedingungen oder unter transienten Bedingungen mit einer niedrigen Brennstoffversorgung angesteuert werden, die die Tendenz haben, instabil zu werden. Dies liegt unter anderem daran, dass solche Brenner idealerweise nahe an der mageren Löschgrenze -betrieben werden müssen, um die oben genannten Vorteile aufzuweisen. Wird die Brennstoffversorgung unter einem kritischen Wert abgesenkt, so kann es zu Löschpulsationen kommen, das heisst durch Schwingungen in der Brennkammer kann ein Erlöschen der Flamme bewirkt werden (so -genannte thermoakustische Instabilitäten).
Um derartige Probleme zu vermeiden, wurde bereits mehrfach ein sogenannter Pilotbetrieb vorgeschlagen, das heisst eine Betriebsweise, bei welcher spezielle zusätzliche Brennstoffdüsen an geeigneten Orten des Brenners oder in der Brennkammer angeordnet werden, welche unter solchen niedrigen Lastbedingungen oder bei transienten Bedingungen angesteuert werden können.
So beschreibt beispielsweise die EP 0 994 300 81 die Möglichkeit der Eindüsung von gasförmigem Pilotbrennstoff bei einem Brenner des Typs wie er in der EP 0 704 657 B1 oder der EP 0 780 629 B1 beschrieben ist, dies gewissermassen an der Vorderkante der Mischstrecke, wobei zusätzlich Wirbelgeneratoren im Bereich des Austritts dieses Pilotbrennstoffes angeordnet sind. Durch die an den Wirbelgeneratoren entstehenden Wirbelzöpfe wird eine erhöhte Vermischung der Verbrennungsluft mit dem Pilotbrennstoff bewirkt, und entsprechend eine höhere Stabilität des Verbrennungsprozesses und niedrigere Schadstoffwerte. Dadurch kann bewirkt werden, dass bei gleich bleibenden Schadstoffwerten der Betriebsbereich eines solchen Brenners nach unten ausgeweitet werden kann.
Eine andere Möglichkeit der Zuführung von gasförmigem Pilotbrennstoff ist in der EP 0 931 980 B1 beschrieben, hier wird das Gas in einem Austrittsring des Brenners nach Vermischung mit Verbrennungsluft mittels einer Zündvorrichtung gezündet und in die Brennkammer eingedüst.
Während die oben genannten Systeme ausschliesslich die Zuführung von gasförmigem Pilotbrennstoff betreffen, beschreibt die EP-A-1 389 713 daneben auch die Zuführung von flüssigem Pilotbrennstoff ebenfalls an der vorderen, der Brennkammer zugewandten Austrittskante, und zwar aus einer konischen, nach aussen und zur Brennerrückwand abgeschrägten Flanke des Austrittsringes nach Vermischung mit Verbrennungsluft in die Brennkammer sehr nahe bei der Austrittsöffnung des Brenners. Da flüssige Brennstoffe einerseits in der Regel leichter entzündlich sind, der Pilotbetrieb auch außerhalb der Teillast aufrechterhalten bleiben kann, und da bei Zuführung von flüssigem Brennstoff nach dem Abschalten nicht zwingend mit Luft gespült werden muss, ist dies von grossem Vorteil.
Um die Problematik der auftretenden grossen Hitze im Bereich der Austrittskante in den Griff zu bekommen, wird in diesem Dokument die Zuführung über Brennstoffleitungen mit an deren Ende angeordneten Austrittsöffnungen beschrieben, wobei die Austrittsöffnungen nicht unmittelbar in die Brennkammer münden sondern viel mehr in einen im Bereich der Austrittkante angeordneten umlaufenden Hohlraum im Austrittsring direkt neben der Brenneröffnung, welcher mit Verbrennungsluft gespült wird und welcher über oberhalb der Austrittsöffnungen resp. Düsen angeordnete Löcher verfügt, durch welche der flüssige Brennstoff in die Brennkammer aus der genannten Flanke austreten kann. Um die Stabilität der Pilotflamme gewährleisten zu können, wird der Brennstoff in einem Strahl in die Brennkammer eingebracht, der in einer Ebene angeordnet ist, welche die Achse des Brenners beinhaltet. Es wird beschrieben, dass der Strahl mit der Achse des Brenners einen Winkel im Bereich von 15 bis 60° bildet. Die Austrittsöffnungen werden zwar an ihrer der Brennkammer zugewandten Oberfläche durch die im Ring zugeführte Verbrennungsluft umströmt, aber die Kühlung hat noch Optimierungsbedarf, denn durch den Luftring kommt es zu einer ungleichmässigen Verteilung der Luft und damit zu einer ungleichmässigen Kühlung. Hinzu kommt, dass der kalte Brennstoff in diesem Falle einen hohen Temperaturgradienten bewirkt, welcher zu hohen Spannungen führt.
Zur besseren Vermischung des flüssigen Brennstoffes mit der Verbrennungsluft ist es zudem notwenig, stromauf der an der Austrittsöffnung angeordneten Düse in der Zuführungsleitung Wirbelgeneratoren für den flüssigen Brennstoff .anzuordnen. Spezifisch wird angegeben, dass beispielsweise eine in die Leitungsquerschnitte der Zuführungsleitung eingesetzte Lochplatte mit wenigstens zwei Löchern für die Erzeugung einer solchen Turbulenz verwendet werden kann.
Da die Pilotdüse für den flüssigen Brennstoff im Austrittsring fest integriert ist und die gleiche Spülluft wie für den Gaspilot verwendet wird, besteht ein weiterer Nachteil der aus EP-A-1 389 713 bekannten Lösung darin, dass bei einem Schadensfall der gesamte Brennerkopf ausgetauscht werden muss, was hohe Kosten verursacht.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Brenner zur Verfügung zu stellen, welcher mit flüssigem Brennstoff im Pilotbetrieb gefahren werden kann. Insbesondere soll ein stabiler Betrieb -bei niedrigen Schadstoffwerten ermöglicht werden, und es soll eine Überhitzung von Bauteilen vermieden werden. Weiterhin soll ein möglichst modularer Aufbau, welcher beispielsweise einen Ersatz der Elemente des Pilotbrenners, erlaubt, gegeben sein. Konkret handelt es sich dabei um die Verbesserung eines Brenners zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, wobei der Brenner einen Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom, sowie Mittel zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom umfasst, wobei stromab des Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet ist, und wobei im Bereich radial ausserhalb der Austrittsöffnung der Mischstrecke des Brenners wenigstens eine Düse zur Zuführung von flüssigem Pilotbrennstoff angeordnet ist. Es handelt sich also im Grundsatz um einen Brenner des Typs, wie er in der EP 0 321 809 B1 beschrieben ist, wobei zusätzlich, wie dies z. B. in der EP 0 704 657 B1 oder in der EP 0 780 629 B1 beschrieben wird, Überführungskanäle zwischen dem Drallerzeuger und der Mischstrecke angeordnet sein können.
Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, dass die wenigstens eine Düse in einer Brennerfrontplatte angeordnet ist, wobei in einer im wesentlichen parallel zu einer Brennkammerrückwand angeordneten Frontfläche der Brennerfrontplatte wenigstens eine Austrittsöffnung vorgesehen ist, durch welche der flüssige Pilotbrennstoff in die Brennkammer austritt. Diese Brennerfrontplatte mit ihrer parallel zur Brennkammerrückwand angeordneten Frontfläche, welche ausserhalb der Austrittsöffnung des Brenners angeordnet ist, erlaubt es, die Zuführung von Pilotbrennstoff in den Brenner zu integrieren, aber trotzdem in genügendem Abstand von der Austrittsöffnung des Brenners anzuordnen. So kann vermieden werden, dass beim Pilotbetrieb eine Überhitzung von konstruktiven Bauteilen des Brenners auftritt. Durch -eine direkte Einspeisung von Schirmluft (Spülluft) wird die Zerstäubung des flüssigen Pilotbrennstoffes unterstützt und eine Verkokung vermieden, sowie eine lokale Rückströmung unterbunden. Zudem kann durch die Anordnung in der Frontfläche eine bessere Zerstäubung des Brennstoffes gewährleistet werden. Der Eindüsungswinkel kann hier im Vergleich zum Stand der Technik kleiner gehalten werden, da man weit genug von der Brennefaustrittskante eindüst.
Weiterhin ist vorteilhaft eine modulare Bauweise möglich, das heisst aufgrund der Tatsache, dass die Elemente des Pilotbrenners nicht im Austrittsring des Brenners - wie bei EP-A-1 389 713 - angeordnet sind, sind diese Elemente besser zugänglich und können leicht ausgewechselt werden, was Kosten spart.
Typischerweise verfügt nämlich ein Brenner des eingangs genannten Typs über einen zentralen, an die Brenneröffnung grenzenden Bereich, welcher bezüglich einer Brennerachse nach radial aussen konisch zurück abfallend und eine abgeschrägte Flanke bildend ausgebildet ist. Die Brennerfrontplatte kann nun einstückig mit einem solchen Bereich ausgebildet sein, das heisst einen zentralen, an die Brenneröffnung grenzenden Bereich aufweisen, welcher bezüglich einer Brennerachse nach radial aussen konisch zurück abfallend und eine abgeschrägte Flanke bildend ausgebildet ist. In diesem Fall ist die wenigstens eine Austrittsöffnung bezüglich der genannten Brennerachse gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung radial ausserhalb dieser Flanke angeordnet.
Alternativ ist es möglich, dass zwischen Brennerfrontplatte und Brenneröffnung ein Austrittsring angeordnet ist, welcher bezüglich einer Brennerachse nach radial aussen konisch zurück abfallend und eine abgeschrägte Flanke bildend ausgebildet ist. Auch in diesem Falle ist die Austrittsöffnung bezüglich der genannten Brennerachse radial ausserhalb dieser Flanke angeordnet,
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerfrontplatte eine Mehrzahl von umlaufend angeordneten Austrittsöffnungen aufweist, wobei die Brennerfrontplatte wenigstens eine, zumeist hinter einer Rückwand der Brennkammer vorgesehene Eintrittsöffnung aufweist, durch welche Verbrennungsluft von aussen in die Brennerfrontplatte eintreten und durch den Druckabfall zur Brennkammer durch die Austrittsöffnungen hindurch strömen kann. So kann eine optimale Kühlung des Kantenbereiches sowie der Brennerfrontplatte gewährleistet werden.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung ist pro Brenner eine Düse nur hinter einer Austrittsöffnung angeordnet.
Bevorzugtermassen ist es möglich, die Düse als Druckstrahldüse (plain jet) oder als Druckdrallzerstäuberdüse (pressure swirl nozzle) auszubilden. Bevorzugt wird dabei, zumindest hinsichtlich der Schadstoffwerte, eine Druckdrallzerstäuberdüse.
Eine Druckzerstäuberdüse ist eine Düse, bei welcher der Brennstoff unter hohem Druck zunächst über z. B. tangential verlaufende Schlitze in eine Wirbelkammer geführt wird und anschliessend diese Wirbelkammer über eine Düsenbohrung verlässt. Dadurch entsteht ein Spraykegel, bei welchem der Brennstoff in aussergewöhnlich feine Partikel zerrissen wird (vergleiche dazu beispielsweise Lueger, Lexikon der Technik, Stuttgart, 1965, Band 7, Seite 600).
Ein Aspekt der Erfindung besteht somit darin, nicht, wie dies in der EP-A-1 389 713 beschrieben wird, eine konventionelle Lochdüse (plain jet injection) zu verwenden, sondern vielmehr eine ganz spezifische Düsenausbildung, nämlich eine Druckdrallzerstäuberdüse. Das die Verwendung einer Druckdrallzerstäuberdüse im Zusammenhang mit der Piloteindüsung überhaupt möglich ist, ist durchaus unerwartet. Problematisch bei der Eindüsung von flüssigem Brennstoff im Randbereich des Brenners, das heisst in unmittelbarer Nähe der Brennkammer, ist die Tatsache, dass eine Überhitzung im Bereich der Düse vermieden werden muss. Dies kann bereits durch die Anordnung des Pilotbrenners im Bereich der Frontfläche einer Brennerfrontplatte weitgehend erreicht werden. Bei der Verwendung einer Düse gemäss der EP-A-1 389 713 ist dies teilweise gewährleistet, da der Strahl des Brennstoffs weit in -die Brennkammer hineingetragen werden kann und entsprechend die Flamme meist, aber auch nicht immer, genügend weit von der Rückwand der Brennkammer entfernt ist. Bei der feinen Tröpfchenstruktur einer Druckdrallzerstäuberdüse wäre grundsätzlich zu erwarten gewesen, dass die Flamme viel zu nahe bei der Rückwand angeordnet ist und somit eine übermässige Erhitzung im Bereich der Düse auftreten müsste. Überraschenderweise zeigte es sich nun aber, dass dies nicht der fall ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Druckdrallzerstäuberdüse handelt, welche einen Hohlkegelspray, und keinen vollen Brennstoffkegel erzeugt. Beilspielsweise können Düsen verwendet werden, wie sie in der EP 0 924 461 81 oder in der EP 0 794 383 B1 beschrieben werden, es sind aber auch andere Konstruktionen möglich.
Vorteilhaft ist, wenn die Düse in einem Hohlraum in der Brennerfrontplatte angeordnet ist, welcher zur Brennkammer eine Austrittsöffnung aufweist, durch welche der von der Düse erzeugte Spraykegel in die Brennkammer eintritt, wobei die Düsenöffnung von der Austrittsöffnung bezüglich der Brennkammer zurückversetzt ist. Bevorzugtermassen handelt es sich bei diesem Hohlraum um einen wenigstens im Bereich der Düse und stromab der Düse im wesentlichen zylindrischen Hohlraum, und insbesondere bevorzugt ist der Innendurchmesser dieses Hohlraums gleich oder kleiner alls der Innendurchmesser der Austrittsöffnung. Bevorzugtermassen ist die Düsenöffnung um bis zu 50 mm von der der Brennkammer zugewandten Vorderkante der Austrittsöffnung nach hinten versetzt.
Ein ideales Verbrennungsverhalten der Pilotflamme kann realisiert werden, wenn ein derartiger Hohlraum wenigstens eine Eintrittsöffnung aufweist, durch welche Verbrennungsluft von aussen in den Hohlraum eintreten und durch den Druckabfall zur Brennkammer durch die Austrittsöffnungen hindurch strömen kann. Dadurch entsteht ein Verbrennungsluftstrom, welcher den Spraykegel gewissermassen umfasst und einen optimalen Transport in die Brennkammer und eine Umhüllung dieses Spraykegels gewährleisten kann. Dies insbesondere dann, wenn die Düse am Ende einer im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Brennstoffleitung angeordnet ist, welche in den im wesentlichen zylindrischen Hohlraum und konzentrisch zu diesem hineinragt, so dass die Verbrennungsluft den Spraykegel im wesentlichen umlaufend umströmt. Diese Schirmluft (Spülluft) unterstützt die Zerstäubung, und es werden vorteilhaft eine Verkokung des Injektors und lokales Rückströmen vermieden. Die Eindüsung des flüssigen Pilotbrennstoffes erfolgt somit einzeln und ist bei jeder Düse mit eigener Spülluft positioniert.
Bevorzugtermassen ist die Austrittsöffnung wenigstens gleich gross wie der zylindrischen Hohlraum, um Strömungsverluste zu vermeiden. Um die Bedingungen einstellen zu können, erweist es sich als vorteilhaft, stromauf der Düse Mittel vorzusehen, mittels welcher der Durchflussquerschnitt für Verbrennungsluft in den Hohlraum eingestellt werden kann.
Vorteilhafterweise wird die Düse derart ausgerichtet, dass die Hauptachse des durch die Düse erzeugten Spraykegels in einer Ebene gebildet durch die genannte Hauptachse und die zentrale Achse des Brenners angeordnet ist, wobei zwischen der Hauptachse des durch die Düse erzeugten Spraykegels (mit einem Spraykegelwinkel β inBereich von 0 bis 90°) und der Achse des Brenners ein Winkel γ im Bereich von +/-45°, bevorzugtermassen im Bereich von 0°, eingeschlossen wird.
Dabei ist es auch möglich, durch einen Tiltwinkel δ von der genannten Ebene abzuweichen und so eine Eindüsung gewissermassen parallel oder zumindest schleifend zur Drehungsrichtung des aus der Hauptöffnung des Brenners austretenden Verbrennungsluftstromes zu gewährleisten.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners, wie er oben beschrieben wurde. Das Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass flüssiger Brennstoff über die Düse wenigstens bei niedriger Last oder unter transienten Bedingungen zur Erzeugung von Pilotflammen verwendet wird. Durch die spezifische Auslegung der Düse ist es möglich, die Pilotflamme zur Stabilisierung auch bei nominaler Last respektive hoher Last anzusteuern.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: einen axialen Schnitt durch einen Doppelkegelbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke und Pilotbrenner für flüssigen Brennstoff;
Fig. 2: einen Ausschnitt aus einer Ansicht gemäss Figur 1 durch den Randbereich des Brenners im Bereich der Brennerfrontplatte und
Fig. 3: Kenngrössen für eine Druckdrallzerstäuberdüse, mittlerer Durchmesser der Tröpfchen nach Sauter (D) sowie Druckabfall (dP) als Funktionen des Massenflusses.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Figur 1 zeigt schematisch in einem zentralen Schnitt einen Brenner des Typs, wie er beispielsweise in der EP 0 704 657 B1 oder in der EP 0 780 629 B1 beschrieben wird. Ein solcher Brenner 23 verfügt über einen Drallerzeuger 2, welcher durch die versetzte Anordnung von wenigstens zwei kegelförmigen Teilkörpern 1 gebildet wird. Zwischen den beiden Teilkörpern 1 bilden sich durch diese versetzte Anordnung tangentiale Eintrittsschlitze 8. Die Verbrennungsluft 9 tritt durch diese tangentialen Eintrittsschlitze 8 in den Brennerhohlraum 10 ein, wobei ein hoher Drall erzeugt wird. An der zentralen Spitze des Kegels ist eine Brennstoffdüse 7 für flüssige Brennstoffe angeordnet.
Der aus dieser Brennstoffdüse 7 austretende Brennstoff bildet einen Brennstoffkegel 11 und wird durch die tangential einströmende Verbrennungsluft 9 erfasst und von dieser umhüllt, und es bildet sich eine kegelförmige Säule aus einem Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsluft. Gasförmiger Brennstoff kann im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze 8 über zusätzliche Brennstoffdüsen 12 zugeführt werden.
Diesem Drallerzeuger 2 nachgeschaltet ist eine Mischstrecke 3. Im Übergang vom Drallerzeuger 2 zur Mischstrecke 3 sind Übergangskanäle 6 angeordnet, welche die Strömung in diesem Bereich unterstützen und einen optimalen Eintritt in die Mischstrecke 3 gewährleisten. Die Mischstrecke 3 besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Rohr. Am der Brennkammer 16 zugewandten Ende dieses Rohres ist nun eine Brennerfrontplatte 32, welche den Brenner zur Brennkammer 16 hin begrenzt sowie ggf. ganz innen ein Austrittsring 4 angeordnet.
Im Bereich dieser Brennerfrontplatte 32 respektive des Austrittsringes 4 sind beispielsweise Mittel vorgesehen, um gasförmigen Brennstoff für den Pilotbetrieb zuzuführen, wie dies zum Beispiel in der EP 0 931 980 B1 oder in der EP 0 994 300 B1 beschrieben ist. Weiterhin ist nun ebenfalls im Bereich-der Brennerfrontplatte 32 respektive in diese integriert eine Zuführung für flüssigen Pilotbrennstoff vorgesehen. Zu diesem Zweck ist eine Brennstoffleitung 17 vorgesehen, welche an ihrem der Brennkammer zugewandten Ende über eine Druckdrallzerstäuberdüse 20 oder über eine konventionelle Stahldüse verfügt.
Die wenigstens eine Düse 20 ist in der Brennerfrontplatte 32 angeordnet. In einer im wesentlichen parallel zu einer Brennkammerrückwand 28 angeordneten Frontfläche 34 der Brennerfrontplatte 32 ist wenigstens eine Austrittsöffnung 15 vorgesehen ist, durch welche der Pilotbrennstoff in die Brennkammer 16 austritt.
Die Ausrichtung dieser Druckdrallzerstäuberdüse oder Druckstrahldüse 20 kann parallel zur Achse 29 des Brenners angeordnet sein (siehe unterer Spraykegel 21 mit einem Spraykegelwinkel β in Fig. 1). Es ist aber auch möglich, die Hauptachse des durch die Druckdrallzerstäuberdüse 20 erzeugten Hohlkegelsprays 21 aus Pilotbrennstoff in einer Ebene umfassend die Achse 29 des Brenners um einen Winkel γ zu neigen. Weiterhin ist es möglich, eine Neigung um einen Tiltwinkel δ (in Fig. 1 nicht dargestellt) vorzusehen, um den Brennstoff in einer auf die drehende Bewegung der Verbrennungsluft aus dem Brenner angepassten Weise einzubringen. Der Spraykegelwinkel β liegt bevorzugt im Bereich von 0-90°.
In Figur 2 ist ein Detailschnitt des Randbereiches des Brenners im Bereich der Brennerfrontplatte eines solchen Brenners dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass die Brennstoffleitung 17 in die Brennerfrontplatte 32 eintritt und konzentrisch in ein Rohr 31 geführt wird. An der Spitze der Brennstoffleitung 17 ist eine Druckdrallzerstäuberdüse 20 (oder analog jeweils eine Druckstrahldüse) angeordnet. Die Druckdrallzerstäuberdüse ist dabei um eine Distanz d, welche bis zu 50 mm betragen kann, von der Vorderkante 26, welche der Brennkammer 16 zugewandt ist, zurückversetzt. Diese Versetzung trägt dazu bei, dass die Druckdrallzerstäuberdüse 20 keiner übermässigen Erhitzung durch die Brennkammer ausgesetzt ist. Das Rohr 31 umschliesst einen Hohlraum 27. In der Brennerfrontplatte 32 ist eine Austrittsöffnung 15 vorgesehen, welche einen solchen Durchmesser aufweist, so dass der von der Druckdrallzerstäuberdüse 20 gebildete Hohlkegelspray 21 die Austrittsöffnung 15 beim Betrieb nicht berührt. Das Rohr 31 verfügt über einen Innendurchmesser, welcher höchstens so gross ist, bevorzugt gleichgross ist, wie der Innendurchmesser der Austrittsöffnung 15, um zu vermeiden, dass über eine Stufe Strömungsprobleme entstehen. Weiterhin verfügt das Rohr 31 über eine der Brennkammer 16 abgewandte Eintrittsöffnung 22 für Verbrennungsluft 18. Diese Verbrennungsluft 18 wird durch den Druckabfall zur Brennkammer 16 durch das Rohr 31 und den Hohlraum 27 hindurchgesaugt und strömt in Richtung Brennkammer 16. Zur Einstellung des Flusses können Mittel 14 (zum Beispiel Insert) vorgesehen werden. Dieser Verbrennungsluftstrom 18, für welchen unter Umständen Kanäle 19 vorgesehen sein können, umströmt zunächst die Brennstoffleitung 17, anschliessend den Bereich der Druckdrallzerstäuberdüse 20 und umhüllt anschliessend den Hohlkegelspray 21 beim Austreten in die Brennkammer. Die Verbrennungsluft 18 stellt daher auch eine Schirmluft dar. Sie unterstützt die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes, so dass infolge der gleichmässigen Verteilung des Brennstoffes Verkokung und lokale Rückströmung vermieden werden. Sie stellt nicht nur sicher, dass eine genügende Kühlung der Druckdrallzerstäuberdüse 20 gewährleistet ist, sondern sie führt auch zu einer idealen Überführung des Hohlkegelsprays durch die Austrittsöffnung 15 in die Brennkammer 16. Weiterhin wird die Atomisierung des Brennstoffes des Hohlkegels an der Grenzfläche flüssig/gasförmig unterstützt.
Wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, ist es möglich, einen separaten Austrittsring 4 mit einer abgeschrägten Kante 33 vorzusehen, es ist aber auch möglich, den Vorsprung eines solchen Austrittsringes 4 integral mit der Brennerfrontplatte 32 als ein Element auszubilden.
In Figur 3 ist dargestellt, wie aus einer derartigen Druckdrallzerstäuberdüse eine für die Verbrennung ideale Grösse der Tröpfchen erzeugt werden kann. Es zeigt sich nämlich, dass auch für niedrigen Massenfluss von Brennstoff (auf der x-Achse aufgetragen) einerseits eine geringe Partikelgrösse resultiert (beispielsweise D10 bedeutet bei 10 g/s, dass 10% der Tröpfchen kleiner sind als circa 22 um, und D90, dass 90% der Tröpfchen kleiner sind als circa 133 um). Zudem resultiert ein für den Verbrennungsprozess über einen weiten Bereich optimales Verhältnis von Volumen zu Oberfläche (D32). Auch der Druckabfall unter den typischen Bedingungen bei der Zuführung von Brennstoff für Pilotbrenner bewegt sich im geeigneten Bereich.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: kegelförmige Teilkörper
2: Drallerzeuger
3: Mischstrecke
4: Austrittsring
6: Übergarigskanäle
7: zentrale Brennstoffdüse für flüssige Brennstoffe
8: tangentiale Eintrittsschlitze
9: Verbrennungsluft, Verbrennungsluftstrom
10: Brennerhohlraum
11: zentraler Brennstoffkegel des flüssigen Brennstoffes
12: tangentiale Brennstoffdüsen für gasförmige Brennstoffe
14: Insert
15: Austrittsöffnung aus 4
16: Brennraum
17: Brennstoffleitung für flüssigen Pilotbrennstoff
18: Verbrennungsluft für flüssigen Pilotbrennstoff
19: Kanäle für 18
20: Druckdrallzerstäuberdüse / Druckstrahldüse
21: Hohlkegelspray aus Pilotbrennstoff
22: Eintrittsöffnungen für Verbrennungsluft 18
23: Brenner
26: der Brennkammer zugewandte Vorderkante der Brennerfrontplatte
27: Hohlraum für 20
28: Rückwand der Brennkammer
29: Achse des Brenners, Brennerachse
31: Rohr
32: Brennerfrontplatte
33: Abgeschrägte Flanke von 4
34: Frontfläche von 32
d: Distanz zwischen Düse 20 und Vorderkante 26
β: Spraykegelwinkel
γ: Winkel zwischen der Hauptachse des Spraykegels und der Achse des Brenners

Claims

Brenner (23) zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, wobei der Brenner einen Drallerzeuger (2) für einen Verbrennungsluftstrom (9), sowie Mittel (7, 12) zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom (9) umfasst, wobei stromab des Drallerzeugers (2) eine Mischstrecke (3) angeordnet ist, und wobei im Bereich radial ausserhalb der Austrittsöffnung der Wischstrecke (3) des Brenners wenigstens eine Düse (20) zur Zuführung von flüssigem Pilotbrennstoff angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Düse (20) in einer Brennerfrontplatte (32) angeordnet ist, wobei in einer im wesentlichen parallel zu einer Brennkammerrückwand (28) angeordneten Frontfläche (34) der Brennerfrontplatte (32) wenigstens eine Austrittsöffnung (15) vorgesehen ist, durch welche der flüssige Pilotbrennstoff in -die Brennkammer (16) austritt.
Brenner (23) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerfrontplatte (32) einen zentralen, an die Brenneröffnung grenzenden Bereich (4) aufweist, welcher bezüglich einer Brennerachse (29) nach radial aussen konisch zurück abfallend und eine abgeschrägte Flanke (33) bildend ausgebildet ist, und dass die wenigstens eine Austrittsöffnung (15) bezüglich der genannten Brennerachse (29) radial ausserhalb dieser Flanke (33) angeordnet ist;
oder dass zwischen Brennerfrontplatte (32) und Brenneröffnung ein Austrittsring (4) angeordnet ist, welcher bezüglich einer Brennerachse (29) nach radial aussen konisch zurück abfallend und eine abgeschrägte Flanke (33) bildend ausgebildet ist, und dass die wenigstens eine Austrittsöffnung (15) bezüglich der genannten Brennerachse (29) radial ausserhalb dieser Flanke (33) angeordnet ist.
Brenner (23) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerfrontplatte (32) eine Mehrzahl von umlaufend angeordneten Austrittsöffnungen (15) aufweist, wobei die Brennerfrontplatte (32) wenigstens eine Eintrittsöffnung (22) aufweist, durch welche Verbrennungsluft (18) von aussen in die Brennerfrontplatte (32) eintreten und durch den Druckabfall zur Brennkammer (16) durch die Austrittsöffnungen (15) hindurch strömen kann.
Brenner (23) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass pro Brenner (23) eine Düse (20) nur hinter einer Austrittsöffnung (15) angeordnet ist.
Brenner (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Düse (20) um eine Druckstrahldüse oder eine Druckdrallzerstäuberdüse handelt.
Brenner (23) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Druckdrallzerstäuberdüse (20) handelt, welche einen Hohlkegelspray (21) erzeugt.
Brenner (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (20) in einem Hohlraum (27) in der Brennerfrontplatte (32) angeordnet ist, welcher zur Brennkammer (16) eine Austrittsöffnung (15) aufweist, durch welche -der von der Düse (20) erzeugte Spraykegel (21) in die Brennkammer (16) eintritt, wobei die Düsenöffnung von der Austrittsöffnung (15) bezüglich der Brennkammer (16) zurückversetzt ist.
Brenner (23) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass -der Hohlraum (27) wenigstens eine Eintrittsöffnung (22) aufweist, durch welche Verbrennungsluft (18) von aussen in den Hohlraum (27) eintreten und durch den Druckabfall zur Brennkammer (16) durch die Austrittsöffnung(en) (15) hindurch strömen kann.
Brenner (23) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (20) am Ende einer im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Brennstoffleitung (17) angeordnet ist, welche in den im wesentlichen zylindrischen Hohlraum (20) und konzentrisch zu diesem hineinragt, so dass die Verbrennungsluft (18) den Spraykegel (21) im wesentlichen umlaufend umströmt.
Brenner (23) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Düse (20) Mittel (14) vorgesehen sind, mittels welcher der Durchflussquerschnitt für Verbrennungsluft (18) in den Hohlraum (27) eingestellt werden kann.
Brenner (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (20) derart angeordnet ist, dass die Hauptachse des durch die Düse (20) erzeugten Spraykegels (21) in einer Ebene gebildet durch die genannte Hauptachse und die zentrale Achse (29) des Brenners (23) angeordnet ist, wobei bevorzugtermassen zwischen der Hauptachse des durch die Düse (20) erzeugten Spraykegels (21) und der Achse des Brenners ein Winkel γ im Bereich von +/- 45°, bevorzugtermassen im Bereich von 0° eingeschlossen wird.
Brenner (23) nach einem der Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spraykegel (21) aus einer Ebene gebildet durch -die genannte Hauptachse und die zentrale Achse (29) des Brenners (23) um einen Winkel δ herausgeneigt ist, insbesondere um die Einbringung des flüssigen Pilotbrennstoffes in Richtung des drehenden Verbrennungsluftstroms aus dem Brenner (23) einzutragen.
Verfahren zum Betrieb eines Brenners (23) nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiger Brennstoff über die Düse (20) bei niedriger Last oder unter transienten Bedingungen zur Erzeugung von Pilotflammen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pilotflamme zur Stabilisierung auch bei nominaler Last respektive hoher Last angesteuert wird.