DE19545026A1 - Vormischbrenner - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Magere vorgemischte Verbrennung ist ein verbreitetes Verfah­ ren zum Erreichen niedriger Schadstoff-Emissionen, insbeson­ dere Stickoxid-Emissionen, bei der Verbrennung von Brennstof­ fen mit geringem Gehalt an Stickstoffverbindungen. Aus Publi­ kationen ist bekanntgeworden, daß mit Experimentalbrennern durch Verbesserung der Mischungsgüte von Luft und Brennstoff eine weitere Verringerung der Stickoxid-Emissionen, insbeson­ dere bei der Verbrennung unter hohem Druck, wie dies bei Gasturbinen der Fall ist, möglich ist. Eine Übertragung sol­ cher Experimentalbrenner auf die Maschinentechnologie ist je­ doch nicht ohne weiteres möglich, da hier hohe Anforderungen bezüglich Flammenstabilisierung und Rückzündsicherheit beste­ hen. Herkömmliche drallstabilisierte und maschinentaugliche Vormischbrenner mischen den Brennstoff erst kurz vor der Flammenzone in die Verbrennungsluft ein. Untersuchungen in diesem Zusammenhang haben ergeben, daß hiermit noch keine homogene Vermischung von Luft und Brennstoff bis zur Flammen­ zone erreicht werden kann. Eine Verlegung der Brennstoffein­ düsung stromauf zur Verlängerung der Mischungszeit und damit Verbesserung der Mischungsgüte ist wegen der damit verbun­ denen Rückzündungsgefahr in einem maschinentauglichen Brenner nicht zugelassen.

Aus WO 93/17279 ist ein Brenner bekanntgeworden, der im we­ sentlichen aus einer zylindrischen Kammer besteht, welche ihrerseits mehrere tangential angeordnete Schlitze aufweist, durch welche die Verbrennungsluft ins Innere der Kammer strömt. Im Bereich dieser Schlitze, am Übergang zum Innen­ raum der Kammer, wirken in axialer Richtung eine Reihe von Brennstoffdüsen, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff der dort durchströmenden Verbrennungsluft beige­ mischt wird. Der Innenraum der Kammer ist des weiteren mit einem kegelförmigen Körper versehen, der sich in Strömungs­ richtung verjüngt, wobei im Bereich der Spitze dieses kegel­ förmigen Körpers weitere Brennstoffdüsen für einen vorzugs­ weise flüssigen Brennstoff vorgesehen sind. Stromab der Ke­ gelspitze dieses Körpers wird die Verbrennungsluft zur Zün­ dung gebracht. Um die Flamme außerhalb der Vormischstrecke des Brenners stabil zu halten, muß die Strömung in der Kam­ mer selbst unterkritisch sein, d. h., die Drallzahl muß hier so klein sein, daß es zu keinem Wirbelaufplatzen kommt. Die kritische Drallzahl läßt sich durch drei Parameter am rich­ tigen Ort erreichen: Durch eine Veränderung der Breite der tangentialen Schlitze, und andererseits durch eine Anpassung des Winkels des kegeligen Körpers im Innenraum der Kammer und durch Zugabe einer zentralen Stützluft, sei sie verdrallt oder unverdrallt. Durch die Brennstoffeindüsung im Bereich der Schlitze sind diese in ihrer Auslegung aber stark einge­ schränkt. Darüber hinaus läßt sich eine optimale homogene Vermischung von Luft und Brennstoff nicht unmittelbar errei­ chen, dies gilt insbesondere für jene Brennstoffeindüsungen, die sich am Ende des Brenners befinden, und die sich demnach im unmittelbaren Bereich der Ebene der Flammenfront befinden, womit durch diese Nähe überdies eine latente Rückzündungsge­ fahr besteht.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vormischbrenner der eingangs genannten Art die Mischungsgüte zu verbessern, und die Rückzündungsge­ fahr während des ganzen Betriebes zu eliminieren.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sich die Verbesserung bei allen drallstabilisierten Vor­ mischbrennern, insbesondere bei denjenigen, die unter Inan­ spruchnahme der kritischen Drallzahl zur Bildung einer Rück­ strömzone funktionieren, anwenden läßt, die nach dem Prinzip zweier oder mehrerer versetzter Teilschalen aufgebaut sind, wobei die versetzten Teilschalen Lufteinströmungsschlitze bilden, die parallel, öffnend oder schließend zur Brenner­ achse verlaufen.

Dasselbe gilt auch für jene Brenner, bei welchen die Außen­ schale aus einem einheitlichen Körper in Form eines Rohres besteht, und die Lufteinströmung ins Innere durch eine Anzahl von tangential angeordneten Kanälen geschieht.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen ge­ kennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Ver­ ständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen worden. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Vormischbrenners, mit versetzten Teilschalen und einem kegelförmigen Innenkörper,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Vormischbrenner längs Ebene II.-II. aus Fig. 1, wobei der Vormischbrenner ver­ längernde Kanäle mit Wirbelerzeugern stromauf der Lufteintrittsschlitze aufweist,

Fig. 3 eine weitere Darstellung gemäß Fig. 2, wobei die verlängernden Kanäle mit einem Venturimischer aus­ gestattet sind und

Fig. 4 einen weiteren Vormischbrenner, im wesentlichen nach Fig. 1, jedoch mit einer zentralen Stützluft.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Um den Aufbau des Vormischbrenners 1 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 1 auch Fig. 2 oder 3 herangezogen werden. Des weiteren, um Fig. 1 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind die Zuführungskanäle 11c und 12c gemäß Fig. 2 oder 3 nicht näher gezeigt worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 1 nach Bedarf auf die restlichen Fig. 2 und 3 hingewiesen.

Der Vormischbrenner nach Fig. 1 besteht aus zwei hohlen Teil­ schalen 11, 12, die versetzt zueinander ineinandergeschach­ telt sind (Vgl. hierzu Fig. 2). Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachse 11b, 12b (Vgl. Fig. 2) zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, je einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 11a, 12a frei, durch welche ein Verbrennungsgemisch 15 in einen von den Teilschalen 11, 12 gebildeten Innenraum 20 des Vor­ mischbrenners 1 strömt. Auf die Ausgestaltung dieser Luftein­ trittsschlitze 11a, 12a wird unten näher eingegangen. Die ge­ nannten Schalen 11, 12 verlaufen in Strömungsrichtung zylin­ drisch.

Der vom Innenraum 20 gebildeten Durchflußquerschnitt kann indessen in Strömungsrichtung, je nach Einsatz, regelmäßig oder unregelmäßig abnehmend oder zunehmend ausgestaltet sein. Als Beispiel soll hier ein in Strömungsrichtung als Venturirohr ausgebildeter Durchflußquerschnitt des Innenrau­ mes 20 dienen. Die genannten Ausführungsmöglichkeiten sind nicht näher gezeigt, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. In dem Innenraum 20 ist ein kegelförmi­ ger Innenkörper 13 angeordnet, der sich in Strömungsrichtung verjüngt, bis weit in den Innenraum 20 reicht und weitgehend spitzenförmig ausläuft. Die kegelige Ausgestaltung dieses In­ nenkörpers 13 ist nicht auf die dargestellte Form beschränkt: Eine äußere Form dieses Innenkörpers 13 als Diffusor oder Konfusor ist auch möglich. Der Innenkörper 13 ist mindestens von einer Bohrung 14 durchzogen, durch welche vorzugsweise ein flüssiger Brennstoff 16 in den vorderen Bereich geleitet wird. Die Eindüsung des flüssigen Brennstoffes 16 im Bereich der Spitze des Innenkörpers 13 bildet die Kopfstufe des Vor­ mischbrenners 1. In diesem Bereich läßt sich der Innenkörper 13 ohne weiteres mit einem in der Figur nicht gezeigten Drallerzeuger ergänzen, der die Vermischung des eingedüsten Brennstoffes 16 unterstützt. Brennraumseitig 22 erfährt der Durchflußquerschnitt des Innenraumes 20 über eine Frontwand 17 einen Querschnittssprung, dessen Querschnitt dann den Durchflußquerschnitt des Flammenrohres 21 bildet. In dieser Ebene bildet sich auch die Rückströmzone oder Rückströmblase 18, welche die Flammenstabilisierung induziert. Die Frontwand 17 selbst weist eine Anzahl Bohrungen auf, durch welche nach Bedarf Verdünnungsluft oder Kühlluft 19 dem vorderen Bereich des Brennraumes 22 zugeführt wird. Die Flammenstabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht, die Kompaktheit der Flamme infolge einer radialen Verflachung zu stützen, was auch im Hinblick auf die Brennstoffeindüsung durch die Kopf­ stufe wichtig ist. Das Verbrennungsgemisch 15 besteht aus Luft und Brennstoff (Vgl. Fig. 2). Selbstverständlich kann das Verbrennungsgemisch 15 auch Anteile eines rückgeführten Abgases oder eine Dampfmenge enthalten. Allgemein gilt, daß sich innerhalb des Querschnittssprunges im Bereich der Front­ wand 17 eine strömungsmäßige Randzone bildet, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, welche dann ihrerseits die Flammenstabilisierung unterstützen. Je nach Grad der Unterstützung wird die bereits erwähnte Verdünnungsluft oder Kaltluft 19 zugemischt. Durch das tangential in den Innenraum 20 einströmende Verbrennungs­ gemisch 15 entsteht um den Innenkörper 13 herum eine Verdral­ lung des Mediums. Im Bereich der Ebene der Frontwand 17 bil­ det sich aufgrund der dort entstehenden überkritischen Drall­ strömung ein Wirbelaufplatzen, wobei eine homogene Brenn­ stoffkonzentration von der Ausbildung der tangentialen Luft­ eintrittsschlitze oder vom Einbau von Wirbelerzeugern im Be­ reich der Lufteintrittsschlitze abhängt. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 18: Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront entstehen. Ein Rückschlag der Flamme in den Innenraum 20 des Vormischbrenners 1, wie dies bei den bekanntgewordenen Vormischstrecken stets latent gege­ ben ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Ab­ hilfe gesucht wird, ist hier aus genannten Gründen nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft zusätzlich vorgeheizt oder mit einem der erwähnten Medien angereichert, so unter­ stützt dies die Verdampfung des durch den Innenkörper 13 herangeführten flüssigen Brennstoff 16. Bei der Gestaltung des Innenkörpers 13 hinsichtlich der kegeligen Konfiguration und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld, d. h. die kritische Drallzahl, des Verbren­ nungsgemisches 15 am Ausgang des Innenraumes 20 einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, daß eine Verkleinerung des Durchflußquerschnittes der tangentialen Lufteintritts­ schlitze 11a, 12a die Rückströmzone 18 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann das Gemisch früher zur Zündung kommt, was hier die Gefahr einer Kollision mit der Spitze des Innenkörpers 13 auslösen kann, wenn dieser zu weit in den In­ nenraum 20 reicht. Immerhin kann festgehalten werden, daß die einmal fixierte Rückströmzone 18 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Kegelform des Innenkörpers 13 zu. Selbstverständlich kann der Durchflußquerschnitt der tangentialen Lufteintritts­ schlitze 11a, 12a in Strömungsrichtung veränderbar gestaltet werden, beispielsweise in Strömungsrichtung abnehmend, dies um die Rückströmzone 18 am Ausgang des Innenraumes 20 stabi­ ler zu gestalten. Die Axialgeschwindigkeit des Verbrennungs­ gemisches 15 innerhalb des Innenraumes 20 des Vormischbren­ ners 1 läßt sich durch eine nicht näher gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Die Kon­ struktion des Vormischbrenners 1 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Vormischbrenners 1 eine relativ große Betriebsbandbreite erfaßt werden kann.

Fig. 2 zeigt die Konfiguration der ineinandergeschachtelten Teilschalen 11, 12. Selbstverständlich sind die Teilschalen 11, 12 auch über diese Ebene zueinander verschiebbar, d. h., es ist ohne weiteres möglich, eine Überlappung derselben im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a zu bewerkstelligen. Es ist des weiteren auch möglich, die Teil­ schalen 11, 12 durch eine gegenläufige drehende Bewegung spi­ ralartig ineinander zu verschachteln. Somit lassen sich Form und Größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a so varieren, daß die Drallerzeugung im Vormischbrenner 1 den jeweiligen Verhältnissen angepaßt werden kann. Die tangen­ tialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a bilden jeweils die Aus­ trittsöffnung eines Zuführungskanals 11c, 12c, in welchem weit losgelöst vom Innenraum 20 das Verbrennungsgemisch 15 gebildet wird, bevor es in diesen Innenraum 20 strömt. In ge­ nügendem Abstand stromauf der tangentialen Lufteintritts­ schlitze 11a, 12a weisen die Zuführungskanäle 11c, 12c Wir­ belerzeuger 11d, 12d auf, welche die dort einströmende Luft 23 integral verdrallen. In angemessenem Abstand stromabwärts dieser Wirbelerzeuger 11d, 12d wird die Eindüsung eines vor­ zugsweise gasförmigen Brennstoffes 24 vorgenommen, womit sich dann entlang der restlichen Strecke der Zuführungskanäle 11c, 12c das angestrebte Luft/Brennstoff-Gemisch bilden kann, be­ vor dieses als Verbrennungsgemisch 15 in integral gleicher Konsistenz über die ganze Länge der tangentialen Luftein­ trittsschlitze 11a, 12a in den Innenraum 20 strömt. Die hier gezeigten Zuführungskanäle 11c, 12c weisen eine weitgehend zylindrische Form auf, deren Länge und Durchflußquerschnitt auf eine optimale Luft/Brennstoff-Vorvermischung ausgelegt sind. Die innerhalb der Zuführungskanäle 11c, 12c zu bildende Strömung muß so ausgelegt sein, daß vom Innenraum 20 her, falls eine Unstabilität der Flammenfront entstehen sollte, keine Rückzündungsgefahr aufkommt: Durch die gezeigte Anord­ nung der Wirbelerzeuger 11d, 12d gegenüber der Brennstoffein­ düsung 24 besteht keine Rückzündungsgefahr. Auf die Verse­ tzung der Mittelachsen 11b, 12b wurde bereits unter Fig. 1 näher eingegangen.

Fig. 3 zeigt, im Unterschied zu Fig. 2, Zuführungskanäle, welche in angemessenem Abstand zu den tangentialen Luftein­ trittsschlitzen 11a, 12a ein Venturimischer 25a, 25b aufwei­ sen. Die Brennstoffeindüsung 24 wird an der engsten Stelle vorgenommen. Dort herrscht auch die größte Geschwindigkeit vor, womit eine bestmögliche Gemischbildung sichergestellt ist, wiederum unter Ausschaltung einer Rückzündungsgefahr. Ansonsten entspricht der Aufbau von Fig. 3 demjenigen von Fig. 2.

Fig. 4 entspricht weitgehend Fig. 1, wobei hier der Innenkör­ per 13 zentral mit einem Strom von Stützluft 26 erweitert ist, welche als weitere Maßnahme zur Erstellung der kriti­ schen Drallzahl am richtigen Ort dient.

Was die Anzahl Schalen betrifft, so sind sie nicht auf zwei beschränkt. Eine größere Anzahl ist ohne weiteres einsetz­ bar. Wird ein spiralförmiger Einlauf des Verbrennungsgemi­ sches 15 in den Innenraum 20 angestrebt, so läßt sich dies ohne weiteres über einen einzigen tangentialen Lufteintritts­ schlitz erreichen.

Besteht der von den Schalen zu bildende Vormischbrenner aus einem zusammenhängenden Rohr, so lassen sich die tangentialen Eindüsungen in den Innenraum durch kanalartige Durchführungen durch die Wanddicke ebendieses Rohres erreichen.

Bezugszeichenliste

1 Vormischbrenner
11 Schale
11a Tangentialer Lufteintrittsschlitz
11b Mittelachse, Längssymmetrieachse
11c Zuführungskanal
11d Wirbelerzeuger
12 Schale
12a Tangentialer Lufteintrittsschlitz
12b Mittelachse, Längssymmetrieachse
12c Zuführungskanal
12d Wirbelerzeuger
13 Innenkörper
14 Leitung für Brennstoffzuführung durch Innenkörper 13
15 Verbrennungsgemisch aus Luft und Brennstoff
16 Brennstoff, flüssiger Brennstoff
17 Frontwand
18 Rückströmzone, Rückströmblase
19 Verdünnungsluft, Kaltluft
20 Innenraum des Vormischbrenners
21 Flammrohr, Durchflußquerschnitt des Brennraumes 22
22 Brennraum
23 Luft
24 Brennstoff, gasförmiger Brennstoff
25a Venturimischer
25b Venturimischer
26 Zentrale Stützluft

Claims (13)

1. Vormischbrenner mit einem drallstabilisierenden Innenraum (20), der mit einem in Strömungsrichtung des Innenraumes (20) kegelförmig verlaufenden Innenkörper (13) bestückt ist, wobei die Ummantelung des Innenraumes (20) durch mindestens einen in Längserstreckung tangential angeordneten Lufteintritts­ schlitz (11a, 12a) für die Durchströmung eines Verbrennungs­ mediums (15) in den Innenraum (20) durchbrochen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich stromauf des tangentialen Luftein­ trittsschlitzes (11a, 12a) ein Zuführungskanal (11c, 12c) er­ streckt, der mindestens mit Mitteln zur Verwirbelung eines Luftstromes (23) und zur Einbringung eines Brennstoffes (24) bestückt ist.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Ummantelung des Innenraumes (20) gebildete Durch­ flußquerschnitt in Strömungsrichtung zylindrisch verläuft.

3. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Ummantelung des Innenraumes (20) gebildete Durch­ flußquerschnitt in Strömungsrichtung die Form einer Ventu­ ristrecke aufweist.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung des Innenraumes (20) aus mindestens zwei ver­ setzt zueinander ineinandergeschachtelten Teilschalen (11, 12) besteht, und daß die benachbarten Wandungen der Teil­ schalen in deren Längserstreckung tangentiale Lufteintritts­ schlitze (11a, 12a) für die Durchströmung des Verbrennungsme­ diums (15) in den Innenraum bilden.

5. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Optimierung der Mischungsgüte zwischen Luft (23) und Brennstoff (24) innerhalb des Zuführungskanals (11c, 12c) Wirbelerzeuger (11d, 12d) sind, und daß die Einbringung des Brennstoffes (24) stromab dieser Wirbelerzeuger (11d, 12d) stattfindet.

6. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff (24) an engster Stelle eines im Zuführungska­ nal (11c, 12c) gebildeten Venturimischers (25a, 25b) einführ­ bar ist.

7. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromab des Innenraumes (20) ein Brennraum (22) angeordnet ist, daß zwischen Innenraum und Brennraum über eine Front­ wand (17) ein Querschnittssprung (21) vorhanden ist, und daß im Bereich der Ebene dieses Querschnittssprunges (21) eine Rückströmzone (18) wirkbar ist.

8. Vormischbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontwand (17) mit einer Anzahl Öffnungen zur Zuführung eines Luftstromes (19) in den Brennraum (22) versehen ist.

9. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkörper (13) mit mindestens einer Brennstoffleitung (14) versehen ist, durch welche ein Brennstoff (16) und/oder eine Stützluft (26) in den Innenraum (20) zuführbar ist.

10. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkörper (13) im Bereich seiner Spitze mit mindestens einem Drallerzeuger bestückt ist.

11. Vormischbrenner nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die tangentialen Lufteintrittsschlitze (11a, 12a) in Längsrichtung des Vormischbrenners (1) einen abneh­ menden Durchflußquerschnitt aufweisen.

12. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmig verlaufende Innenkörper (13) die Form eines Diffusors einnimmt.

13. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmig verlaufende Innenkörper (13) die Form eines Konfusors einnimmt.