WO2005095858A1 - Verfahren zur flüssigbrennstoffzerstäubung in einem vormischbrenner sowie vormischbrenner - Google Patents

Verfahren zur flüssigbrennstoffzerstäubung in einem vormischbrenner sowie vormischbrenner Download PDF

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WO2005095858A1
WO2005095858A1 PCT/EP2005/051366 EP2005051366W WO2005095858A1 WO 2005095858 A1 WO2005095858 A1 WO 2005095858A1 EP 2005051366 W EP2005051366 W EP 2005051366W WO 2005095858 A1 WO2005095858 A1 WO 2005095858A1
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swirl chamber
swirl
flow
directed
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PCT/EP2005/051366
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Ernest Geoffrey Engelbrecht
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Alstom Technology Ltd
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads
    • F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
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    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/11101—Pulverising gas flow impinging on fuel from pre-filming surface, e.g. lip atomizers

Definitions

  • the invention relates to a method for atomizing liquid fuel in a premix burner with a swirl chamber into which air and fuel are fed and mixed in the form of a swirl flow which forms axially within the swirl chamber and which flows downstream of the swirl chamber through an unsteady flow transition with formation of a backflow zone breaks open, in which the fuel-air mixture ignites.
  • An appropriately trained premix burner is also described.
  • EP 0 321 809 B1 describes a method for the combustion of liquid fuel and a corresponding premix burner, in the interior of which a fuel nozzle is placed, from which a fuel column which conically extends in the axial flow direction is formed, which has a tangential in the two hollow partial cone bodies positioned one on top of the other are mixed with a rotating combustion air flow which increases in the direction of flow of the cone opening and with existing burner staggering center axes, forming a swirl flow.
  • the ignition of the air-fuel mixture takes place at the outlet of the burner, a “backflow zone” forming in the area of the burner mouth prevents the flame from flashing back from the burner chamber into the premix burner.
  • liquid fuel feeds into the swirl space of a premix burner are known, which are made along the tangential air inlet slots enclosed by the partial cone shells of the premix burner.
  • EP 0433, 789 A1 shows a premix burner system which, in the direction of flow of the combustion supply air, provides fuel nozzles before entering the respective air inlet slots, through which liquid fuel is mixed into the supply air stream, a liquid fuel / air being added before and during the passage through the air inlet slots - Can form a mixture and the fuel evaporation essentially already takes place in the area of the air inlet slots of the burner, so that only fuel vapor enters the interior, ie into the swirl space of the burner, which considerably reduces the risk of the mixture igniting prematurely, especially since evaporated liquid fuel shows only negligible flame radiation absorption.
  • the high fuel supply pressure required for this requires costly and maintenance-intensive high-pressure lines, including high-pressure-safe connecting elements, such as high-pressure flanges etc.
  • an additional pump generating the high fuel supply pressure is required, for the drive of which energy must be made available, which is to be generated, for example, by a heat engine fired by the burner, for example in the form of a gas turbine system.
  • this affects the overall efficiency of the heat engine.
  • the invention has for its object to develop a method for atomizing liquid fuel in a premix burner with a swirl chamber according to the features of the preamble of claim 1 such that the disadvantages mentioned above with respect to the prior art are to be avoided.
  • it is important to be able to carry out the liquid fuel atomization under a significantly reduced fuel supply pressure without impairing the atomization quality.
  • the measures to be taken should also leave the combustion process unaffected as much as possible and help to keep nitrogen oxide emissions as low as possible.
  • a premix burner operating according to the above method is to be specified, which enables liquid fuel atomization with the formation of a finely divided fuel spray, the apparatus complexity for atomizing the fuel being kept low.
  • the method according to the invention for atomizing liquid fuel in a premix burner with a swirl chamber into which air and fuel are fed and mixed in the form of a swirl flow which forms axially within the drain chamber and breaks up downstream of the swirl chamber through an unstable flow transition with formation of a backflow zone in which the fuel-air mixture ignites characterized in that liquid fuel is directed in the form of at least one liquid fuel jet onto a surface element which is overflowed by the air directed into the swirl chamber and / or at least by flow components of the swirl flow that propagates within the swirl chamber , The liquid fuel jet impinging on the surface element is deflected to form a liquid fuel film that extends along the surface of the surface element in the overflow direction. Finally, the liquid fuel film is detached from the surface element and atomized in the overflow direction.
  • the idea according to the invention provides for a temporal and spatial separation between the fuel feed and the process of fuel atomization.
  • An increased fuel supply pressure is therefore for the The atomization process is no longer necessary, but care must be taken to ensure that the fuel is fed into the burner in the form of a fuel liquid jet, which is to be fed into the interior of the premix burner at a suitable point under a much lower line pressure than is the case in the prior art shown the case is.
  • the fuel lines required for the provision of liquid fuel are not to be formed from safety-relevant high-pressure supply lines, rather conventional fuel lines can be used.
  • Fig. 1 shows a schematic cross-sectional view through two partial cone shells delimiting an air inlet slot with radially inwardly directed fuel feed
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional illustration of two partial cone shells enclosing an air inlet slot and having a fuel feed directed radially outward.
  • Fig. 1 shows a highly schematic partial cross section through the swirl chamber 1 of a premix burner.
  • the swirl chamber 1 is delimited by two partial cone shells 2, 3 in the exemplary embodiment shown.
  • the partial cone shells 2 and 3 enclose a common air inlet slot 4 through which an air flow 5 (the arrow representation indicates the flow direction) into the Swirl chamber enters 1.
  • the ends of the partial cone shells 2, 3, not shown in FIG. 1 enclose an air inlet slot in the same way, so that a swirl flow 11, which is fed by two opposite air inlet slots, is formed within the swirl chamber 1 (see arrow display).
  • a fuel feed channel 6 is provided in the area of the leading edge of the partial cone shell 3 - this also applies accordingly to the inflow area of the partial cone shell 2, through which gaseous fuel is fed into the supply air stream 5 at the location of the air inlet slot 4.
  • the feed of gaseous fuel in the context of the so-called premix operation will not be dealt with further at this point, but rather the known literature in this regard. directed.
  • a means 7 for feeding in liquid fuel which is provided in the region of the leading edge of the partial cone shell 3 - this also applies accordingly to the inflow region of the partial cone shell 2, through which a liquid fuel jet 8 emerges and impinges on an opposing surface element 21 which corresponds to an area of the outer wall of the partial cone shell 2.
  • the means 7 for feeding in liquid fuel is advantageously designed as a perforated or gap nozzle and extends along the tangentially extending air inlet slot 4.
  • the means for feeding in liquid fuel 7 is integrated within the fuel supply duct 6, as a result of which the flow dynamics of the supply air flow along the air inlet slot 4, which are predetermined by the partial cone shells 2 and 3, remain largely unaffected.
  • the means 7 for feeding in liquid fuel has an outlet channel 71, which can be designed as a perforated or gap channel, which is connected to a fuel supply line 72 is.
  • the outlet duct 71 is mounted and aligned relative to the air inlet slot 4 relative to the outer wall of the partial cone shell 2, so that the liquid fuel jet 8 emerging from the outlet duct 71 strikes the outer wall 21 directly upstream of the trailing edge 9 of the partial cone shell 2.
  • the speed or the pressure at which the liquid jet 8 that emerges from the outlet channel 71 is selected such that largely no atomization of fuel occurs between the outlet channel 71 and the impact of the liquid jet 8 on the outer wall 21 of the partial cone shell 2.
  • a liquid fuel film 10 is formed which is deflected by the air flow in the direction of the trailing edge 9 of the partial cone shell 2.
  • the trailing edge 9 acts as a tear-off edge for the liquid fuel film 10, along which the liquid fuel film is atomized.
  • the atomization process taking place along the tear-off edge 9 is, on the one hand, caused by the air flow 5, which enters the interior of the swirl chamber 1 through the air inlet slot 4 and flows over the trailing edge 9, and, on the other hand, by the swirl flow 11 prevailing in the interior of the swirl chamber 1, which flows under the trailing edge 9, conditionally.
  • the liquid fuel film 10 detaching along the tear-off edge 9 in the flow direction is thus literally enclosed on both sides by two air flows, the air flow 5 and the swirl flow 11. Since shear forces occur between the two flows 5 and 11 which meet, the liquid fuel film 10 enclosed by the two flows is atomized in a highly efficient manner to form the finest fuel liquid droplets.
  • the tear-off edge 9 is sharpened, as a result of which vortex formation is largely avoided and the atomization process is caused solely by the very high shear forces between the two flows 5, 11.
  • the occurrence of shear forces between the flows results from different flow velocities and flow impulses, which have to be selected to optimize the atomization process. Since the liquid fuel is preferably supplied along the entire length of the flow separation edge 9, a very good distribution of liquid fuel within the burner is ensured, which in turn means that low nitrogen oxide emissions can be achieved.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 2 provides for the liquid fuel jet to be fed within the swirl chamber 1 with a Infeed direction, which is directed radially outwards.
  • a fuel lance 12 is provided within the swirl chamber 1, which extends centrally to the swirl chamber 1.
  • a liquid fuel line 72 is provided within the lance 12 and is connected to at least one outlet channel 71.
  • the outlet channel 71 can be designed as a perforated or gap channel.
  • a large number of individual perforated channels are conceivably distributed along the burner lance 12; in the case of a gap channel, this can extend continuously to the entire length of the burner lance 12.
  • a large number of individual liquid fuel jets are fed into the swirl chamber as a kind of two-dimensional fuel film.
  • the outlet channel 71 is attached and aligned with respect to the inner wall of the partial cone shell 2 such that a liquid fuel jet 8 emerging from the outlet channel 71 strikes upstream of the tear-off edge 9 of the partial cone shell 2. Since a swirl flow 11 prevails in the interior of the swirl chamber 1 (see arrow illustration), the swirl flow emerging from the outlet channel 71 becomes
  • a liquid fuel film 10 is also formed in the exemplary embodiment in FIG. 2, which is deflected or driven by the overflow of the swirl flow 11 to the tear-off edge of the partial cone shell 2.
  • the liquid fuel film 10 is detached and atomized immediately due to the shear forces prevailing between the two flows 5 and 11.
  • the above exemplary embodiments show a possibility for the targeted feeding of liquid fuel and atomization into a burner system, the burner components of which are flowed around by gas flows or better by system flows.
  • the invention uses the flow energy inherent in the system-inherent flows for the purpose of atomizing a liquid, which is present in the form of a liquid film in the manner according to the invention and is enclosed between two flows.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssigbrennstoff in einem Vormischbrenner mit einem Drallraum (1), in den Luft und Brennstoff eingespeist und in Form einer sich innerhalb des Drallraumes (1) axialwärts ausbildenden Drallströmung (11) gemischt werden, die stromab des Drallraumes (1) durch einen unsteten Strömungsübergang unter Ausbildung einer Rückströmzone aufbricht, in der sich das Brennstoff-Luft-Gemisch entzündet. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Flüssigbrennstoff in Form wenigstens eines Flüssigbrennstoffstrahls (8) auf ein Flächenelement gerichtet wird, das von der in den Drallraum (1) gerichteten Luft (5) und/oder wenigstens von Strömungsanteilen der sich innerhalb des Drallraumes (1) ausbreitenden Drallströmung (11) überströmt wird, dass der auf das Flächenelement auftreffende Flüssigbrennstoffstrahl (8) unter Ausbildung eines sich längs zur Oberfläche des Flächenelementes in Überströmungsrichtung ausbreitenden Flüssigbrennstofffilmes (10) abgelenkt wird, und dass der Flüssigbrennstofffilm (10) in Überströmungsrichtung von dem Flächenelement abgelöst und zerstäubt wird.

Description

Verfahren zur Flüssigbrennstoffzerstäubung in einem Vormischbrenner sowie Vormischbrenner
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigbrennstoff in einem Vormischbrenner mit einem Drallraum, in den Luft und Brennstoff eingespeist und in Form einer sich innerhalb des Drallraumes axialwärts ausbildenden Drallströmung gemischt werden, die stromab des Drallraumes durch einen unsteten Strömungsübergang unter Ausbildung einer Rückströmzone aufbricht, in der sich das Brennstoff-Luft-Gemisch entzündet. Ebenso wird ein entsprechend ausgebildeter Vormischbrenner beschrieben.
Stand der Technik
In der EP 0 321 809 B1 ist ein Verfahren für die Verbrennung von flüssigem Brennstoff sowie ein entsprechender Vormischbrenner beschrieben, in dessen Innenraum eine Brennstoffdüse platziert ist, aus der eine sich in axialer Strömungsrichtung kegelförmig ausbreitende Brennstoffsäule ausbildet, welche mit einem tangential in den aus zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörper mit in Strömungsrichtung zunehmender Kegelöffnung und mit zueinander versetzten Mittelachsen bestehenden Brenner einströmenden rotierenden Verbrennungsluftstrom unter Ausbildung einer Drallströmung vermischt wird. Die Zündung des Luft-Brennstoff-Gemisches findet am Ausgang des Brenners statt, wobei sich im Bereich der Brennermündung eine „Rückströmzone" bildet, die verhindert, dass ein Rückschlag der Flamme vom Brennerraum in den Vormischbrenner erfolgen kann.
Es hat sich gezeigt, dass beim Einsatz bspw. von Dieselöl als Flussigbrennstoff, der durch die zentrale Brennstoffdüse in den Drallraum zur Mischung mit Verbrennungszuluft eingespeist wird, insbesondere bei hohen Druckverhältnissen verfrühte Zünderscheinungen noch im Bereich des Brenners selbst vereinzelt auftreten können. Aufgrund derartiger Zünderscheinungen ist ein vormischartiger Verbrennungsbetrieb bei höheren Druckverhältnissen, d.h. bei hohen Lasten, mit flüssigen Brennstoffen nicht sicher zu gewährleisten. Der Grund hierfür liegt in der von den zerstäubten Brennstofftröpfchen bedingten Strahlungsabsorption der durch die Verbrennung auftretenden Flammenstrahlung.
Aus Gründen der Vermeidung derartiger Frühzündungen sind Fliissigbrennstoff- Einspeisungen in den Drallraum eines Vormischbrenners bekannt, die längs der tangential verlaufenden, von den Teilkegelschalen des Vormischbrenners eingeschlossenen Lufteintrittsschlitzen vorgenommen werden. So geht aus der EP 0433, 789 A1 ein Vormischbrennersystem hervor, das in Strömungsrichtung der Verbrennungszuluft vor Eintritt in die jeweiligen Lufteintrittsschlitze Brennstoffdüsen vorsieht, durch die Flüssigbrennstoff in den Zuluftstrom beigemischt wird, wobei sich bereits vor und während des Passierens der Lufteintrittsschlitze ein Flüssigbrennstoff/Luft-Gemisch auszubilden vermag und die Brennstoffverdampfung im Wesentlichen bereits im Bereich der Lufteintrittschlitze des Brenners erfolgt, so dass in den Innenraum, d.h. in den Drallraum des Brenners, lediglich Brennstoffdampf eintritt, wodurch die Gefahr einer Frühzündung des Gemisches erheblich eingeschränkt wird, zumal verdampfter Flüssigbrennstoff eine nur vernachlässigbare Flammenstrahlungsabsorption zeigt. Auch die hierdurch verbesserte Durchmischung von Brennstoff und Luft trägt zu einer markanten Stickoxid-reduzierten Verbrennung bei. Eine ähnliche Flüssigbrennstoff-Einspeisung in den Lufteintrittsstrom in Strömungsrichtung vor den Lufteintrittsschlitzen des Brennergehäuses geht ebenso auch aus der EP 0 503 319 B1 hervor. Der an sich bekannte Einsatz vorstehend beschriebener Düsenanordnungen zum Einspeisen von Flüssigbrennstoff sowohl in den Bereich der Lufteintrittsschlitee als auch mittig innerhalb des Drallraums setzt im Bestreben des Erreichens einer möglichst feinen Brennstoffzerstäubung einen hohen Brennstoffversorgungsdruck innerhalb des Brennstoffzuleitungssystems voraus. So gilt es den Flüssigbrennstoff in möglichst kleinste Flüssigkeitstropfen zu zerstäuben, um eine möglichst rasche Verdampfung des sich durch die Brennstoffzerstäubung ausbildenden Brennstoffsprays zu erhalten. Der hierfür erforderliche hohe Brennstoffversorgungsdruck setzt jedoch kosten- und wartungsintensive Hochdruckleitungen einschließlich hochdrucksichere Verbindungselemente, wie Hochdruckflansche etc., voraus. Ferner bedarf es einer zusätzlichen den hoh^n Brennstoffversorgungsdruck erzeugenden Pumpe, zu deren Antrieb Energie zur Verfügung gestellt werden muss, die es gilt beispielsweise durch eine von dem Brenner befeuerten Wärmekraftmaschine, bspw. in Form einer Gasturbinenanlage, zur erzeugen. Hierdurch wird jedoch der Gesamtwirkungsgrad der Wärmekraftmaschine beeinträchtigt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigbrennstoff in einem Vormischbrenner mit einem Drallraum gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart weiterzubilden, dass die vorstehend zum Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden sollen. Insbesondere gilt es die Flüssigbrennstoff-Zerstäubung unter einem deutlich reduzierten Brennstoffversorgungsdruck durchführbar sein, ohne dabei die Zerstäubungsqualität zu beeinträchtigen. Auch sollen die zu ergreifenden Massnahmen den Verbrennungsvorgang möglichst unbeeinflusst belassen und dazu beitragen die Stickoxidemission möglichst gering zu halten. Überdies soll ein nach dem vorstehenden Verfahren arbeitender Vormischbrenner angeben werden, der eine Flüssigbrennstoff-Zerstäubung unter Ausbildung eines feinstverteilten Brennstoffsprays ermöglicht, wobei der apparative Aufwand zur Brennstoffzerstäubung gering gehalten werden soll. Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 9 ist ein erfindungsgemäßer Vormischbrenner. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie insbesondere der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigbrennstoff in einem Vormischbrenner mit einem Drallraum, in den Luft und Brennstoff eingespeist und in Form einer sich innerhalb des Drailraumes axialwärts ausbildenden Drallströmung gemischt werden, die stromab des Drallraumes durch einen unsteten Strömungsübergang unter Ausbildung einer Rückströmzone aufbricht, in der sich das Brennstoff-Luft-Gemisch entzündet, zeichnet sich dadurch aus, dass Flüssigbrennstoff in Form wenigstens eines Flussigbrennstoffstrahls auf ein Flächenelement gerichtet wird, das von der in den Drallraum gerichteten Luft und/oder wenigstens von Strömungsanteilen der sich innerhalb des Drallraumes ausbreitenden Drallströmung überströmt wird. Der auf das Flächenelement auftreffende Flussigbrennstoffstrahl wird unter Ausbildung eines sich längs zur Oberfläche des Flächenelementes in Überströmungsrichtung ausbreitenden Flüssigbrennstofffilmes abgelenkt. Schließlich wird der Flüssigbrennstofffilm in Überströmungsrichtung von dem Flächenelement abgelöst und zerstäubt.
Wurde bisher der Weg beschritten, den Zerstäubungsvorgang durch eine Düsenöffnung vorzunehmen, durch die sowohl der Brennstoff zerstäubt und zugleich in den Innenraum des Brenners eingespeist wird, sieht die erfindungsgemäße Idee eine zeitliche und räumliche Trennung zwischen der Brennstoffeinspeisung und dem Vorgang der Brennstoffzerstäubung vor. Wird der Grad der
Flüssigbrennstoffzerstäubung bei Verwendung bisher bekannter Düsenanordnungen weitgehend durch den Brennstoffversorgungsdruck bestimmt, unter dem der Flüssigbrennstoff durch eine entsprechende Düsenanordnung hindurch tritt, so erfolgt die erfindungsgemäße Brennstoff-Zerstäubung unter gezielter Ausnutzung der ohnehin innerhalb des Vormischbrenners vorhandenen Luft- und/oder Drallströmungen. Ein erhöhter Brennstoffversorgungsdruck ist somit für den Zerstäubungsvorgang nicht mehr notwendig, vielmehr ist dafür Sorge zu tragen ist, dass die Brennstoffeinspeisung in den Brenner in Form eines Brennstoffflüssigkeitsstrahls erfolgt, der an einer geeigneten Stelle in das Innere des Vormischbrenners unter einem weitaus geringeren Leitungsdruck einzuspeisen ist, als es beim aufgezeigten Stand der Technik der Fall ist. Die für die Flüssigbrennstoffbereitstellung erforderlichen Brennstoffleitungen sind infolgedessen nicht aus sicherheitsrelevanten Hochdruckversorgungsleitungen auszubilden, vielmehr sind übliche Brennstoffleitungen einsetzbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie ein erfindungsgemäß ausgebildeter Vormischbrenner soll im Weiteren unter Bezugnahme auf die nachstehenden Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisierte Querschnittsdarstellung durch zwei einen Lufteintrittsschlitz eingrenzende Teilkegelschalen mit radial nach innen gerichteter Brennstoffeinspeisung, sowie
Fig. 2 schematisierte Querschnittsdarstellung zweier, einen Lufteintrittsschlitz einschließende Teilkegelschalen mit radial nach außen gerichteter Brennstoffeinspeisung.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Fig. 1 zeigt einen stark schematisierten Teilquerschnitt durch den Drallraum 1 eines Vormischbrenners. Der Drallraum 1 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel von zwei Teilkegelschalen 2, 3 begrenzt. Die Teilkegelschalen 2 und 3 schließen im dargestellten Teilquerschnitt einen gemeinsamen Lufteintrittsschlitz 4 ein, durch den eine Luftströmung 5 (die Pfeildarstellung gibt die Strömungsrichtung an) in den Drallraum eintritt 1. Nur der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass die in Figur 1 nicht dargestellten Enden der Teilkegelschalen 2, 3 in gleicher weise einen Lufteintrittsschlitz einschließen, so dass sich innerhalb des Drallraumes 1 eine durch zwei gegenüberliegende Lufteintrittsschlitze gespeiste Drallströmung 11 ausbildet (siehe Pfeildarstellung).
In an sich bekannter Weise ist im Bereich der Anströmkante der Teilkegelschale 3 - das gleich gilt entsprechend für den nicht dargestellten Anströmbereich der Teilkegelschale 2 - ein Brennstoffzuleitungskanal 6 vorgesehen, durch den gasförmiger Brennstoff am Ort des Lufteintrittsschlitzes 4 in den Zuluftstrom 5 eingespeist wird. Auf die Einspeisung von gasförmigem Brennstoff im Rahmen des so genannten Vormischbetriebes soll an dieser Stelle jedoch nicht weiter eingegangen werden, vielmehr wird auf die diesbezügliche bekannte Literatur . verwiesen.
Besondere Bedeutung kommt jedoch einem im Bereich der Anströmkante der Teilkegelschale 3 - das gleich gilt entsprechend für den nicht dargestellten Anströmbereich der Teilkegelschale 2 - vorgesehenen Mittel 7 zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff zu, durch das ein Flussigbrennstoffstrahl 8 austritt und auf ein gegenüberliegendes Flächenelement 21 auftrifft, das einem Bereich der Aussenwand der Teilkegelschale 2 entspricht. Das Mittel 7 zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff ist in vorteilhafter Weise als Loch- oder Spaltdüse ausgebildet und erstreckt sich längs des tangential verlaufenden Lufteintrittsschlitzes 4.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist das Mittel zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff 7 innerhalb des Brennstoffzuleitungskanals 6 integriert, wodurch die durch die Teilkegelschalen 2 und 3 vorgegebene Strömungsdynamik der Zuluftströmung längs des Lufteintrittschlitzes 4 weitgehend unbeeinträchtigt bleibt.
Das Mittel 7 zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Auslasskanal 71 , der als Loch- oder Spaltkanal ausgebildet sein kann, auf, der mit einer Brennstoffversorgungsleitung 72 verbunden ist. Der Auslasskanal 71 ist derart relativ zum Lufteintrittsschlitz 4 gegenüber der Außenwand der Teilkegelschale 2 angebracht und ausgerichtet, so dass der aus dem Auslasskanal 71 austretende Flussigbrennstoffstrahl 8 unmittelbar stromauf zur Abströmkante 9 der Teilkegelschale 2 auf deren Aussenwand 21 auftrifft. Die Geschwindigkeit bzw. der Druck mit dem der sich ausbildende Flüssigkeitsstrahl 8 aus dem Auslasskanal 71 austritt, ist so gewählt, dass weitgehend keine Brennstoffzerstäubung zwischen Austritt aus dem Auslasskanal 71 und dem Auftreffort des Flüssigkeitsstrahls 8 an der Außenwand 21 der Teilkegelschale 2 auftritt. Vielmehr bildet sich nach Auftreffen des Flüssigkeitsstrahls 8 auf der Außenwand 21 der Teilkegelschale 2 ein Flüssigbrennstofffilm 10 aus, der von der Luftströmung in Richtung der Abströmkante 9 der Teilkegelschale 2 abgelenkt wird. Die Abströmkante 9 wirkt für den Flüssigbrennstofffilm 10 als Abrisskante, längs der eine Zerstäubung des Flüssigbrennstofffilmes erfolgt. Der längs der Abrisskante 9 stattfindende Zerstäubungsprozess wird einerseits durch die Luftströmung 5, die durch den Lufteintrittsschlitz 4 in das Innere des Drallraumes 1 eintritt und die Abströmkante 9 überströmt sowie andererseits durch die im Inneren des Drallraumes 1 vorherrschende Drallströmung 11 , die die Abströmkante 9 unterströmt, bedingt. Der sich längs der Abrisskante 9 in Strömungsrichtung ablösende Flüssigbrennstofffilm 10 wird somit regelrecht von zwei Luftströmungen, die Luftströmung 5 sowie die Drallströmung 11 , beidseitig umschlossen. Da zwischen beiden aufeinander treffenden Strömungen 5 und 11 Scherkräfte auftreten, wird der von beiden Strömungen eingeschlossene Flüssigbrennstofffilm 10 unter Ausbildung feinster Brennstoffflüssigkeitströpfchen hocheffizient zerstäubt.
Um die Ablösung des sich ausbildenden Flüssigbrennstofffilmes 10 längs der Abrisskante 9 möglichst zu optimieren, ist die Abrisskante 9 angeschärft ausgebildet, wodurch Wirbelbildungen weitgehend vermieden werden und der Zerstäubungsprozess ausschließlich aufgrund der sehr hohen Scherkräfte zwischen beiden Strömungen 5, 11 hervorgerufen. Das Auftreten von Scherkräften zwischen den Strömungen rührt von unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und Strömungsimpulsen her, die zur Optimierung des Zerstäubungsprozesses geeignet zu wählen sind. Da die Flüssigbrennstoffzufuhr vorzugsweise längs der gesamten Länge der Strömungsabrisskante 9 erfolgt, wird eine sehr gute Verteilung von Flüssigbrennstoff innerhalb des Brenners sichergestellt, wodurch wiederum geringe Stickoxidemissionen erzielbar sind.
Alternativ zu der in Fig. 1 dargestellten Flüssigbrennstoffeinspeisung, die im Bereich des Lufteintrittsschlitzes 4 in Bezug zu dem sich axial konisch erweiternden Drallraum radial nach innen gerichtet ist, sieht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 eine Einspeisung des Flussigbrennstoffstrahls innerhalb des Drallraumes 1 vor, mit einer Einspeisungsrichtung, die radial nach außen gerichtet ist. Hierzu ist innerhalb des Drallraumes 1 eine Brennstofflanze 12 vorgesehen, die sich mittig zum Drallraum 1 erstreckt. Innerhalb der Lanze 12 ist eine Flüssigbrennstoffleitung 72 vorgesehen, die mit wenigstens einem Auslasskanal 71 verbunden ist. Wie auch im vorstehenden Fall kann der Auslasskanal 71 als Loch- oder Spaltkanal ausgebildet sein. Im Falle eines Lochkanals, sind eine Vielzahl einzelner Lochkanäle längs zur Brennerlanze 12 verteilt denkbar, im Falle eines Spaltkanals kann sich dieser durchgehend bis hin zur gesamten Länge der Brennerlanze 12 erstrecken. Im ersten Fall wird eine Vielzahl einzelner Flüssigbrennstoffstrahlen im zweiten Fall eine Art zweidimensionaler Brennstofffilm in den Drallraum eingespeist.
Der Auslasskanal 71 ist gegenüber der Innenwand der Teilkegelschale 2 derart angebracht und ausgerichtet, dass ein aus dem Auslasskanal 71 austretender Flussigbrennstoffstrahl 8 stromauf zur Abrisskante 9 der Teilkegelschale 2 auftrifft. Da im Inneren des Drallraumes 1 eine Drallströmung 11 (siehe Pfeildarstellung) vorherrscht, wird der aus dem Auslasskanal 71 austretende
Brennstoffflüssigkeitsstrahl 8, wie in Fig. 2 dargestellt, abgelenkt. Auch in diesem Fall gilt es durch entsprechende Wahl von Strömungsgeschwindigkeit bzw. Leitungsdruck innerhalb der Flüssigbrennstoffleitung 72 sicherzustellen, dass weitgehend keine Brennstoff-Zerstäubung vor Auftreffen auf den Innenwandbereich der Teilkegelschale 2 längs des Flussigbrennstoffstrahls 8 auftrifft. Gleichsam dem vorstehend geschilderten Fall unter Bezugnahme auf Figur 1 bildet sich auch im Ausführungsbeispiel in Figur 2 ein Flüssigbrennstofffilm 10 aus, der durch die Überströmung der Drallströmung 11 zur Abrisskante der Teilkegelschale 2 abgelenkt bzw. getrieben wird. An der Abrisskante 9 erfolgt ein Ablösen des Flüssigbrennstofffilmes 10 und eine sofortige Zerstäubung aufgrund der zwischen beiden Strömungen 5 und 11 herrschenden Scherkräfte.
Selbstverständlich ist es möglich, das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit jenen gemäß Fig. 2 zu kombinieren, so dass eine Flüssigbrennstoff-Einspeisung auf die entsprechende Teilkegelschale sowohl radial nach innen als auch nach außen gerichtet erfolgen kann.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele zeigen eine Möglichkeit zur gezielten Flüssigbrennstoffeinspeisung sowie Zerstäubung in ein Brennersystem, dessen Brennerkomponenten systembedingt von Gasströmungen über- oder besser umströmt werden. Die Erfindung nutzt die den systemimmanenten Strömungen innewohnende Strömungsenergie zu Zwecken der Zerstäubung einer Flüssigkeit, die in erfindungsgemäßer Weise in Form eines Flüssigkeitsfilmes vorliegt und zwischen zwei Strömungen eingeschlossen wird.
Bezugszeichenliste
Drallraum Teilkegelschale Aussenwand der Teilkegelschale Teilkegelschale Lufteintrittsschlitz Luftströmung Vormischgaszuleitung Mittel zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff Auslasskanal
Brennstoffleitung
Flussigbrennstoffstrahl
Abströmkante, Abrisskante
Flüssigbrennstofffilm
Drallströmung
Brennerlanze

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigbrennstoff in einem Vormischbrenner mit einem Drallraum (1 ), in den Luft und Brennstoff eingespeist und in Form einer sich innerhalb des Drallraumes (1) axialwärts ausbildenden Drallströmung (11) gemischt werden, die stromab des Drallraumes (1) durch einen unsteten Strömungsübergang unter Ausbildung einer Rückströmzone aufbricht, in der sich das Brennstoff-Luft-Gemisch entzündet, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigbrennstoff in Form wenigstens eines
Flussigbrennstoffstrahls (8) auf ein Flächenelement gerichtet wird, das von der in den
Drallraum (1) gerichteten Luft (5) und/oder wenigstens von Strömungsanteilen der sich innerhalb des Drallraumes (1) ausbreitenden Drallströmung (11) überströmt wird, dass der auf das Flächenelement auftreffende Flussigbrennstoffstrahl (8) unter
Ausbildung eines sich längs zur Oberfläche des Flächenelementes in
Überströmungsrichtung ausbreitenden Flüssigbrennstofffilmes (10) abgelenkt wird, und dass der Flüssigbrennstofffilm (10) in Überströmungsrichtung von dem
Flächenelement abgelöst und zerstäubt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ablösung des Flüssigbrennstofffilmes (10) von dem Flächenelement längs einer Abrisskante (9) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrisskante (9) des Flächenelementes von der in den Drallraum (1) gerichteten Luft (5) und/oder wenigstens von Strömungsanteilen der sich innerhalb des Drallraumes (1) ausbreitenden Drallströmung (11) beidseitig derart überströmt wird, dass der von der Abrisskante (9) abgelöste Flüssigbrennstofffilm (10) zwischen zwei sich ausbildenden Strömungen umfasst wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die Abrisskante (9) beidseitig überströmenden Strömungen derart auf den von dem Flächenelement abgelösten Flüssigbrennstofffilm (10) einwirken, dass der Flüssigbrennstofffilm (10) durch zwischen beiden Strömungen herrschenden Scherkräften zerstäubt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Flussigbrennstoffstrahl (8) auf eine den Drallraum (1) oder eine einen Lufteintrittsschlitz (4), durch den Luft (5) in den Drallraum (11) eingespeist wird, begrenzende Wandung, die als Flächenelement dient, gerichtet wird
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flussigbrennstoffstrahl (8) über eine sich axialwärts erstreckende, mittig innerhalb des Drallraumes (11) angeordnete Lanzenanordnung (12) radialwärts nach Außen auf einen Oberflächenbereich der den Drallraum (11) begrenzenden Wandung gerichtet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flussigbrennstoffstrahl (8) über im Bereich des Zuluftkanals vorgesehene Mittel (7) radialwärts nach Innen auf eine den Lufteintrittsschlitz (4) begrenzende Wandung (21) gerichtet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Flussigbrennstoffstrahl (8) mit einem Strahldruck oder einer Fließgeschwindigkeit auf das Flächenelement ausgebracht wird, dass der Flussigbrennstoffstrahl (8) vor in Kontakttreten mit dem Flächenelement zumindest nicht wesentlich zerstäubt wird.
9. Vormischbrenner mit wenigstens zwei, einen axialwärts sich konisch erweiternden Drallraum (1) begrenzenden Teilkegelschalen (2, 3), deren Mittelachsen versetzt zueinander verlaufen und deren benachbarte Wandungen tangentiale Lufteintrittschlitze (4) einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest teilweise den Drallraum (1) axialwärts durchragende Brennerlanze (12) vorgesehen ist, längs der wenigstens ein Mittel (7) zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff derart vorgesehen ist, dass wenigstens ein Flussigbrennstoffstrahl (8) radialwärts nach Außen auf einen Oberflächenbereich der den Drallraum (1) einschließenden Wandung der Teilkegelkörper gerichtet ist.
10. Vormischbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Mittel (7) zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff längs der Brennerlanze (12) derart angeordnet ist, dass der Flussigbrennstoffstrahl (8) auf einen Oberflächenbereich einer Teilkegelschale (2, 3) auftrifft, der nahe einer Abströmkante (9) der Teilkegelschale (2, 3) angeordnet ist, die einerseits von einer sich im Drallraum (1) ausbildenden Drallströmung (11) als auch von einer durch einen Lufteintrittsschlitz (4) in den Drallraum (1 ) gerichteten Zuluftströmung (5) überströmbar ist.
11. Vormischbrenner nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Mittel (7) zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff im Bereich einer den Lufteintrittsschlitz (4) einschließenden Wandung einer ersten Teilkegelschale (2, 3) derart vorgesehen ist, dass der aus dem Mittel (7) austretende, radial nach Innen gerichtete Flussigbrennstoffstrahl (8) auf einen Bereich der Wandung der den Lufteintrittsschlitz (4) benachbarten zweiten Teilkegelschale (2, 3) auftrifft, der sich nahe der Abströmkante (9) der zweiten Teilkegelschale befindet, die einerseits von einer sich im Drallraum (1) ausbildenden Drallströmung (11) als auch von einer durch einen Lufteintrittsschlitz (4) in den Drallraum (1) gerichteten Zuluftströmung überströmbar ist.
12. Vormischbrenner mit wenigstens zwei, einen axialwärts sich konisch erweiternden Drallraum (1) begrenzenden Teilkegelschalen (2,3), deren Mittelachsen versetzt zueinander verlaufen und deren benachbarte Wandungen tangentiale Lufteintrittschlitze (4) einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Mittel (7) zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff im Bereich einer den Lufteintrittsschlitz (4) einschließenden Wandung einer ersten Teilkegelschale derart vorgesehen ist, dass der aus dem Mittel (7) austretende, radial nach Innen gerichtete Flussigbrennstoffstrahl (8) auf einen Bereich der Wandung der den Lufteintrittsschlitz (4) benachbarten zweiten Teilkegelschale auftrifft, der sich nahe einer Abströmkante (9) der zweiten Teilkegelschale befindet, die einerseits von einer sich im Drallraum (1) ausbildenden Drallströmung (11) als auch von einer durch einen Lufteintrittsschlitz (4) in den Drallraum (1) gerichteten Zuluftströmung (5) überströmbar ist.
13. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (7) zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff als Loch- oder Spaltdüse ausgebildet ist, zur Erzeugung eines eindimensionalen oder eines flächig aufgeweiteten Flüssigbrennstoffstrahles (8).
14. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmkante (9) angeschärft ist.
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