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