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EP0851172B1 - Brenner und Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff - Google Patents

Brenner und Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff Download PDF

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Publication number
EP0851172B1
EP0851172B1 EP97810838A EP97810838A EP0851172B1 EP 0851172 B1 EP0851172 B1 EP 0851172B1 EP 97810838 A EP97810838 A EP 97810838A EP 97810838 A EP97810838 A EP 97810838A EP 0851172 B1 EP0851172 B1 EP 0851172B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
air
flow
sectional
injection openings
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP97810838A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0851172A3 (de
EP0851172A2 (de
Inventor
Thomas Dr. Sattelmayer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Schweiz AG
Publication of EP0851172A2 publication Critical patent/EP0851172A2/de
Publication of EP0851172A3 publication Critical patent/EP0851172A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0851172B1 publication Critical patent/EP0851172B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • 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
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2209/00—Safety arrangements
    • F23D2209/10—Flame flashback

Definitions

  • the present invention relates to a burner according to the preamble of claim 1.
  • Step on the outer boundary of the swirl flow field particularly low speeds because at constant Total pressure in the arrangement of the static pressure from the inside rises to the outside, causing the dynamic pressure caused by the absolute speed is represented with increasing Radius is getting smaller. These low speeds may no longer be able to prevent the flame from the combustion chamber, along the boundary layer, into the burner. reproduces and can then overheat and destroy it.
  • the document DE-A1-44 09 918 describes a burner for operating a combustion chamber.
  • This burner consists essentially of at least two hollow, conical ones Partial bodies whose axes of longitudinal symmetry are offset from one another, which means that they flow opposite air inlet slots for a combustion air flow arise.
  • the burner points to the regularly arranged openings on the entire surface through which a gaseous Fuel with a certain calorific value is injected into the cone cavity. The Injection of the gas is injected at high speed, so that in front of the flame front a homogeneous mixture is present.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention how it is characterized in the claims, the task lies based on precautions for a burner of the type mentioned to meet those capable of a flashback to prevent safely.
  • the main advantage of the invention is that that this additional device of the simplest design is, and be installed as required in the burner mentioned can intervene without changing the basic concept of the same to have, with which such a burner, which is at medium compressor pressure ratios already well proven has, also for the further development stages of Gas turbines can be taken over and used.
  • additional air is injected along made of the burner walls, preferably in the downstream half of the burner.
  • This additional air forms a film along the wall and mixes it then slowly with the fuel-enriched main flow.
  • the essential improvement in security against one Backfire is based on two principles.
  • a weighty dilution of the mixture is carried out. There the burner is operating near its lean extinguishing limit weak local dilution of the mixture results along the walls to the desired loss of flammability of the mixture along the walls.
  • this additional air is injected so that the axial speed is increased along the wall, which is also convenient affects the operation of such a burner.
  • the pulse density ratio between film air and main flow in the range of 1 since both flows are common be accelerated from the same total pressure. Other impulses are also easily conceivable, they have striven for Effect no negative effects.
  • Fig. 1 shows a burner in a perspective view.
  • Fig. 2 For a better understanding of the subject, it is advantageous if at the same time when studying Fig. 1 based on the description Fig. 2 is also used.
  • Partial bodies 1, 2 which are nested offset from one another are.
  • Conical here not just the one shown, with a fixed opening angle understood cone shape understood, but it closes also other configurations of the partial bodies, one such Diffuser or diffuser-like shape as well as a confuser or confuser-like shape. These forms are present not shown, since it is the person skilled in the art are common.
  • the displacement of the respective central axis or Longitudinal axis of symmetry of the partial bodies 1, 2 to one another see Fig. 2, Pos.
  • the two tapered Partial bodies 1, 2 each have a cylindrical initial part 9, 10, which also, analogously to the aforementioned partial bodies 1, 2, offset to each other, so that the tangential Air inlet channels 5, 6 over the entire length of the Brenner are present.
  • a nozzle 11 for preferably atomizing a liquid fuel 12 housed such that their injection approximately with the narrowest cross section of the the partial body 1, 2 formed conical cavity 8 coincides.
  • the injection capacity and the operating mode of this Nozzle 11 depends on the given parameters of the respective Burner.
  • the fuel injected through the nozzle 11 12 can be enriched with a recirculated exhaust gas if necessary become; then it is also possible through the nozzle 11 to provide the complementary injection of a quantity of water.
  • the burner can be purely tapered, i.e. without cylindrical initial parts 9, 10 may be formed.
  • the partial body 1, 2 each have a fuel line 13, 14, which along the tangential inlet channels 5, 6 arranged and provided with injection openings 15, through which preferably a gaseous fuel 16 in the combustion air 7 flowing there is injected, as this is symbolized by arrows 16, these Injection at the same time the fuel injection level (see Fig. 3, item 22) of the system.
  • These fuel lines 13, 14 are preferably at the latest at the end of the tangential inflow, before entering the cone cavity 8, placed this to ensure an optimal air / fuel mixture.
  • the burner On the combustion chamber side, the burner has an anchor for the partial body 1, 2 serving front panel 18 with a number Bores 19 through which a mixing or Cooling air 20 or the front part of the combustion chamber 17 Wall is fed.
  • Liquid fuel 12 is used to operate the burner the central nozzle 11 is used, this is under one acute angle in the cone cavity 8 or in the combustion chamber 17 injected. A nozzle is thus formed from the nozzle 11 Fuel profile 23, which flows in from the tangential rotating combustion air 7 is enclosed. In axial Direction is the concentration of the fuel injected 12 continuously through the incoming combustion air 7 an optimal mixture degraded. If the burner with a operated gaseous fuel 16, this can in principle also happen via the fuel nozzle 11, preferably but this is done via the injection openings 15, wherein the formation of this fuel / air mixture right at the end the air inlet channels 5, 6 comes about.
  • a backflow zone also forms there or backflow bladder 24 (vortex breakdown) with one opposite the flame front 25 acting there stabilizing Effect one, in the sense that the backflow zone 24 has the function of a disembodied flame holder.
  • the optimal fuel concentration across the cross-section is only in the area of vertebral bursting, i.e. in the area the backflow zone 24 reached. Only at this point then a stable flame front 25.
  • the flame stabilizing Effect results from the cone cavity 8 forming swirl number in the direction of flow along the cone axis. The flame strikes back inside the burner therefore occurs due to this fluidic specification not on.
  • Fig. 2 shows the same burner according to Fig. 1 but from a different one Perspective and in a simplified form.
  • This figure 2 mainly wants the disposition of the two conical ones Show part body 1, 2 and their offset to each other.
  • the Displacement of the respective central axis 3, 4 of the two partial bodies to each other, based on the main central axis 26 of the Burner, which is the main axis of the central fuel nozzle 11 corresponds to the respective size of the flow openings the tangential air inlet ducts 5, 6.
  • the central axes 3, 4 run parallel to each other here.
  • Zone 27 in which the placements of Means for the injection of additional air takes place.
  • FIGS. 4 and 5 show a development 28 of a conical partial body, which schematically shows zone 27 within which has a specific configuration of injection openings for additional air, which ensure a reignition lock, is taken as a basis.
  • the orientation of the injection openings 29 as well as their number and size will be the respective Flow conditions in the burner adjusted.
  • the final Purpose is primarily aimed at the reignition barrier.
  • the individual oblique lines 30 want the placement of the symbolize individual rows of the injection openings 29.
  • the arrows 31 point to the outflow direction of the Additional air indicate that is at right angles to the Level 30 of the injection openings 29 runs. This outflow direction can, however, range from purely axial to direction the main flow vary. For better understanding are in this processing 28 a single row and one Double row of injection openings 29 shown. The corresponding cuts are then shown in FIGS. 4 and 5.
  • Fig. 4 shows the design of a simple row of injection openings 29.
  • the additional air 32 is here under one injected acute angle with respect to the swirl flow 7a, that is flat to the inner wall of the corresponding partial body 2, this around improve film production.
  • FIG. 5 shows a double row of injection openings 29. Basically, the same precautions are taken here as described in Fig. 3.
  • the injection openings 33 run in the area the inner wall of the corresponding partial body 2 fan-shaped, as shown in Fig. 7, which is a plan view.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Gas Burners (AREA)
  • Pre-Mixing And Non-Premixing Gas Burner (AREA)

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Bei Brennern für eine Vormischverbrennung von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen bildet das Hineinwandern der Flamme in den Brenner, auch Flammenrückschlag bezeichnet, ein Hauptproblem. Daneben muss die Aerodynamik bei diesen Brennern so ausgelegt werden, dass lokale Gebiete hoher Aufenthaltszeit, in denen das Brennstoff/Luft-Gemisch zünden kann (= Selbstzündung), vermieden werden. Wird eine Drallströmung so erzeugt, dass in der Nähe der Achse hohe Umfangsgeschwindigkeiten auftreten, beispielsweise wenn radiale Drallregister zur Anwendung gelangen, so ist die Axialgeschwindigkeit im Zentrum niedrig. Da gleichzeitig hohe Turbulenzgrade auftreten, kann sich die Flamme entgegen der Strömungsrichtung ausbreiten und wandert dann in den Brenner, wobei in der Folge im allgemeinen Ueberhitzungsprobleme auftreten. In der Praxis führt dies zu Einschränkungen bei 'der Wahl der Drallerzeugung. Die Erzeugung eines Drallströmungsfeldes erfordert das Einschliessen der Strömung in einen am besten rotationssymmetrischen Raum. Die äussere Begrenzung dieses Raumes verursacht eine Strömungsgrenzschicht, welche immer die Bedingung verschwindender Geschwindigkeit an der Wand hat. Gleiches gilt für im Zentrum eingebaute Brennstofflanzen. Der Teil des Gemisches, der direkt entlang der Wand strömt, wird sich unerwünscht lange im Brenner aufhalten. An der äusseren Begrenzung des Drallströmungsfeldes treten besonders niedrige Geschwindigkeiten auf, da bei konstantem Totaldruck in der Anordnung der statische Druck von innen nach aussen ansteigt, womit der dynamische Druck, der durch die Absolutgeschwindigkeit repräsentiert wird, mit steigendem Radius immer kleiner wird. Diese niedrigen Geschwindigkeiten können unter Umständen nicht mehr verhindern, dass die Flamme vom Brennraum aus, entlang der Grenzschicht, in den Brenner . fortpflanzt und diesen dann überhitzen und zerstören kann.
Aus EP-B1-0 321 809 ist ein Brenner bekanntgeworden, der unter Vormischbedingungen für flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe die bis anhin bestbekanntgewordene Lösung auf diesem Gebiet darstellt, um die obengenannten Unzulänglichkeiten ohne Implemetierung von Zusatzeinrichtungen beheben zu können.
Allerdings geht die Entwicklung im Gasturbinenbau dahin, die Kompressordruckverhältnisse kräftig zu steigern, so dass die Zuverlässigkeit des obengenannten Brenners aus genannten Gründen automatisch gemindert wird.
Die Schrift DE-A1-44 09 918 beschreibt einen Brenner zum Betrieb einer Brennkammer. Dieser Brenner besteht im wesentlichen aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern, deren Längssymmetrieachsen zueinander versetzt verlaufen, wodurch strömungsmässig entgegengesetzte Lufteintrittsschlitze für einen Verbrennungsluftstrom entstehen. Im von den Teilkörpern gebildeten Kegelhohlraum ist mindestens eine Düse zur Einbringung eines gasförmigen Brennstoffes vorhanden. Der Brenner weist auf der ganzen Oberfläche regelmässig angeordnete Öffnungen auf, durch die ein gasförmiger Brennstoff mit einem bestimmten Heizwert in den Kegelhohlraum eingedüst wird. Die Eindüsung des Gases wird mit hoher Geschwindigkeit eingedüst, so dass vor der Flammenfront ein homogenes Gemisch vorliegt.
Aus der Schrift US-A-3,958,416 ist ein Vormischbrenner mit einer konvergentdivergenten Zone und einer nachgeschalteten Reaktionszone bekannt. Luft wird initial verdrallt, mit Brennstoff gemischt und durch den Brenner geleitet. Im divergierenden Bereich sind Löcher vorhanden, durch die zusätzliche Luft eingedüst wird. Diese Luft wird rechtwinkling zur verdrallten Luft eingedüst, um zur weiteren Vermischung des Brennstoff/Luft-Gemisches beizutragen, da die verdrallte Luft in diesem Brenner zur Schichtbildung neigt.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der eingangs genannten Art Vorkehrungen zu treffen, welche in der Lage sind, einen Flammenrückschlag sicher zu verhindern.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass diese Zusatzeinrichtung von einfachster Ausgestaltung ist, und im genannten Brenner bedarfsmässig eingebaut werden kann, ohne auf die Grundkonzeption desselben verändernd eingreifen zu müssen, womit ein solcher Brenner, der sich bei mittleren Kompressordruckverhältnissen bereits bestens bewährt hat, auch für die weiteren Entwicklungsstufen von Gasturbinen übernommen und eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäss wird eine Eindüsung von Zusatzluft entlang der Brennerwände vorgenommen, und zwar vorzugsweise in der abströmungsseitigen zweiten Hälfte des Brenners. Diese Zusatzluft bildet entlang der Wand einen Film und sie vermischt sich dann langsam mit der brennstoffangereicherten Hauptströmung. Die wesentliche Verbesserung der Sicherheit gegen eine Rückzündung erfolgt aufgrund von zwei Prinzipien. Zum einen wird gewichtig eine Verdünnung des Gemisches vorgenommen. Da der Brenner in der Nähe seiner mageren Löschgrenze betrieben wird, führt schon eine schwache lokale Verdünnung des Gemisches entlang der Wände zum erwünschten Verlust der Brennfähigkeit des Gemisches entlang der Wände. Zum anderen kann diese Zusatzluft so eingedüst werden, dass die Axialgeschwindigkeit entlang der Wand erhöht wird, was sich ebenfalls günstig für den Betrieb eines solchen Brenners auswirkt. Im allgemeinen ist das Impulsdichtenverhältnis zwischen Filmluft und Hauptströmung im Bereich von 1, da beide Ströme häufig vom selben Totaldruck aus beschleunigt werden. Andere Impulse sind ohne weiteres auch denkbar, sie haben auf die erstrebte Wirkung indessen keine negativen Auswirkungen.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösungen sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
Fig. 1
einen für eine Vormischverbrennung durch Bildung einer Drallströmung tauglichen Brenner, in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2
eine weitere perspektivische Darstellung dieses Brenners, aus anderer Ansicht in vereinfachter Form.
Fig. 3
eine Abwicklung eines Teilkörpers mit Eindüsungsöffnungen für eine Zusatzluft,
Fig. 4
eine Konfiguration einer Einfachreihe von Eindüsungsöffnungen,
Fig. 5
eine Konfiguration einer Doppelreihe von Eindüsungsöffnungen und
Fig. 6, 7
eine spezielle Ausgestaltung der einzelnen Eindüsungsöffnungen.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Fig. 1 zeigt einen Brenner in perspektivischer Darstellung. Zum besseren Verständnis des Gegenstandes ist es vorteilhaft, wenn beim Studium von Fig. 1 anhand der Beschreibung gleichzeitig auch Fig. 2 herangezogen wird.
Der Brenner gemäss Fig. 1 besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 1, 2, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Unter dem Begriff "kegelförmig" wird hier nicht nur die gezeigte, durch einen festen Oeffnungswinkel charakterisierte Kegelform verstanden, sondern er schliesst auch andere Konfigurationen der Teilkörper mit ein, so eine Diffusor- oder diffusorähnliche Form sowie eine Konfusoroder konfusorähnliche Form. Diese Formen sind vorliegend nicht weiter dargestellt, da sie dem Fachmann ohne weiteres geläufig sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachse der Teilkörper 1, 2 zueinander (Vgl. Fig. 2, Pos. 3, 4) schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittskanal 5, 6 frei, durch welche die Verbrennungsluft 7 in Innenraum des Brenners, d.h. in den Kegelhohlraum 8 strömt. Die beiden kegeligen Teilkörper 1, 2 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 9, 10, die ebenfalls, analog den vorgenannten Teilkörpern 1, 2, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 über die ganze Länge des Brenners vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 11 zur vorzugsweise Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffes 12 untergebracht, dergestalt dass deren Eindüsung in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die Teilkörper 1, 2 gebildeten Kegelhohlraumes 8 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Betriebsart dieser Düse 11 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. Der durch die Düse 11 eingedüste Brennstoff 12 kann bei Bedarf mit einem rückgeführten Abgas angereichert werden; sodann ist es auch möglich, durch die Düse 11 die komplementäre Einspritzung einer Wassermenge vorzusehen.
Selbstverständlich kann der Brenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 9, 10 ausgebildet sein. Die Teilkörper 1, 2 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 13, 14 auf, welche entlang der tangentialen Eintrittskanäle 5, 6 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 15 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 16 in die dort vorbeiströmende Verbrennungsluft 7 eingedüst wird, wie dies durch Pfeile 16 versinnbildlicht wird, wobei diese Eindüsung zugleich die Brennstoffinjektionsebene (Vgl. Fig. 3, Pos. 22) des Systems bildet. Diese Brennstoffleitungen 13, 14 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 8, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu gewährleisten.
Brennraumseitig weist der Brenner eine als Verankerung für die Teilkörper 1, 2 dienende Frontplatte 18 mit einer Anzahl Bohrungen 19 auf, durch welche bei Bedarf eine Misch- bzw. Kühlluft 20 dem vorderen Teil des Brennraumes 17 bzw. dessen Wand zugeführt wird.
Wird zum Betrieb des Brenners flüssiger Brennstoff 12 über die zentrale Düse 11 eingesetzt, so wird dieser unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 8 bzw. in den Brennraum 17 eingedüst. Aus der Düse 11 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffprofil 23, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 7 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 12 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 7 zu einer optimalen Gemisch abgebaut. Wird der Brenner mit einem gasförmigen Brennstoff 16 betrieben, so kann dies grundsätzlich auch über die Brennstoffdüse 11 geschehen, vorzugsweise aber geschieht dies über die Eindüsungsöffnungen 15, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittskänäle 5, 6 zustande kommt.
Bei der Eindüsung des flüssigen Brennstoffes 12 über die Düse 11 wird am Ende des Brenners die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Ist die Verbrennungsluft 7 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 12 nachhaltig, und zwar innerhalb der durch die Länge des Brenners induzierten Vormischstrecke.
Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn über die Brennstoffleitungen 13, 14 statt gasförmige nun flüssige Brennstoffe zugeführt werden sollten.
Bei der Gestaltung der kegelförmigen Teilkörper 1, 2 hinsichtlich der Zunahme des Strömungsquerschnittes sowie der Breite der tangentialen Lufteintrittskanaäle 5, 6 sind an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 7 am Ausgang des Brenners einstellen kann. Die kritische Drallzahl stellt sich am Ausgang des Brenners ein: Dort bildet sich auch eine Rückströmzone oder Rückströmblase 24 (Vortex Breakdown) mit einem gegenüber der dort wirkenden Flammenfront 25 stabilisierenden Effekt ein, in dem Sinne, dass die Rückströmzone 24 die Funktion eines körperlosen Flammenhalters übernimmt.
Die optimale Brennstoffkonzentration über den Querschnitt wird erst im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 24 erreicht. Erst an dieser Stelle entsteht sodann eine stabile Flammenfront 25. Die flammenstabilisierende Wirkung ergibt sich durch die sich im Kegelhohlraum 8 bildende Drallzahl in Strömungsrichtung entlang der Kegelachse. Ein Rückschlagen der Flamme in das Innere des Brenners tritt somit aufgrund dieser strömungstechnischen Vorgabe nicht auf.
Allgemein ist zu sagen, dass eine Minimierung der Durchflussöffnung der tangentialen Lufteintrittskanäle 6, 7 prädestiniert ist, die Rückströmzone 24 ab Ende der Vormischstrecke zu bilden. Die Konstruktion des Brenners eignet sich des weiteren vorzüglich, die Durchflussöffnung der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 nach Bedarf zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Brenners eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 1, 2 auch in einer anderen Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Ueberlappung gegenüber der Lufteintrittsebene in den Kegelhohlraum 8 (Vgl. Fig. 2, Pos. 21) derselben im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht, bewerkstelligt werden kann. Es ist sodann auch möglich, die Teilkörper 1, 2 durch eine gegenläufige drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln.
Durch eine in diesem Brenner erreichbare homogenere Gemischbildung zwischen den eingedüsten Brennstoffen 11, 12 und der Verbrennungsluft 7 erzielt man tiefere Flammentemparaturen und damit tiefere Schadstoff-Emissionen, insbesondere tiefere NOx. Sodann reduzieren diese tieferen Temperaturen die thermische Belastung für das Material an der Brennerfront und machen beispielweise eine Sonderbehandlung der Oberfläche nicht zwingend nötig.
Was die Anzahl der Lufteintrittskanäle betrifft, so ist der Brenner nicht auf die gezeigte Anzahl beschränkt. Eine grössere Anzahl ist beispielsweise dort angezeigt, wo es darum geht, die Vorvermischung breiter anzulegen, oder die Drallzahl und somit die davon abhängige Bildung der Rückströmzone 24 durch eine grössere Anzahl Lufteintrittskanäle entsprechend zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang wird auf EP-A2-0 704 657 verwiesen, wobei diese Druckschrift integrierender Bestandteil vorliegender Beschreibung ist.
Fig. 2 zeigt den gleichen Brenner nach Fig. 1 jedoch aus anderer Perspektive und in vereinfachter Form. Diese Figur 2 will hauptsächlich die Disposition der beiden kegelförmigen Teilkörper 1, 2 und deren Versetzung zueinander zeigen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse 3, 4 der beiden Teilkörper zueinander, bezogen auf die Hauptmittelachse 26 des Brenners, welche der Hauptachse der zentralen Brennstoffdüse 11 entspricht, ergibt die jeweilige Grösse der Durchflussöffnungen der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6. Die Mittelachsen 3, 4 verläufen hier parallel zueinander. In dieser Figur sind des weiteren je eine zu jedem Teilkörper 1, 2 zugehörige Zone 27 ersichtlich, in welchen die Plazierungen von Mitteln zur Eindüsung von Zusatzluft stattfindet. Für die einzelnen Ausgestaltungen dieser Mittel wird auf die nachfolgenden Figuren 3-7 verwiesen.
Fig. 3 zeigt eine Abwicklung 28 eines kegelförmigen Teilkörpers, worin schematisch die Zone 27 ersichtlich ist, innerhalb welcher eine bestimmte Konfiguration von Eindüsungsöffnungen für Zusatzluft, welche eine Rückzündungssperre gewährleisten, zugrundegelegt wird. Die Orientierung der Eindüsungsöffnungen 29 sowie deren Anzahl und Grösse wird den jeweiligen Strömungsverhältnissen im Brenner angepasst. Der finale Zweck ist primär auf die Rückzündungssperre gerichtet. Die einzelnen schrägen Striche 30 wollen die Plazierung der einzelnen Reihen der Eindüsungsöffnungen 29 versinnbildlichen. Die Pfeilen 31 wollen auf die Ausströmungsrichtung der Zusatzluft hindeuten, die hier rechtwinklig gegenüber der Ebene 30 der Eindüsungsöffnungen 29 verläuft. Diese Ausströmungsrichtung kann indessen von rein axial bis zu der Richtung der Hauptströmung variieren. Zum besseren Verständnis sind in dieser Abwicklung 28 je eine Einfachreihe und eine Doppelreihe von Eindüsungsöffnungen 29 eingezeichnet. Die entsprechenden Schnitte gehen dann aus Fig. 4 und 5 hervor.
Fig. 4 zeigt die Gestaltung einer Einfachreihe von Eindüsungsöffnungen 29. Die Zusatztluft 32 wird hier unter einem spitzen Winkel gegenüber der Drallströmung 7a eingedüst, also flach zur Innenwand des entsprechenden Teilkörpers 2, dies um die Filmerzeugung zu verbessern.
Fig. 5 zeigt eine Doppelreihe von Eindüsungsöffnungen 29. Grundsätzlich werden hier die gleichen Vorkehrungen getroffen, wie dies unter Fig. 3 beschriebenen worden ist.
Bei Fig. 6 verlaufen die Eindüsungsöffnungen 33 im Bereich der Innenwand des entsprechenden Teilkörpers 2 fächerförmig, wie dies aus Fig. 7, welche eine Draufsicht ist, hervorgeht.
Grundsätzlich ist eine breite Variation in der Gestaltung der Eindüsungsöffnungen möglich. Bei Strömungen mit ausgeprägtem hohem Drall ergeben sich Einschränkungen in Bezug auf die Anordnung der Eindüsungsöffnungen. Solange man Bohrungen benutzt, kann man die gewünschte Eindüsungsrichtung durch Orientierung der Bohrungen festlegen. Schlitze müssen indessen aus Gründen der Bauteilfestigkeit häufig segmentiert werden.
Ferner ist hervorzuheben, dass die hier vorgeschlagene Rückzündsperre nicht auf den hier beschriebenen Brenner beschränkt ist. Diese Rückzündsperre greift immer dort ein, wo eine Vormischverbrennung durch Erzeugung eines Drallströmungsfeldes zugrundegelegt wird.
Bezugszeichenliste
1
Kegelförmiger Teilkörper
2
Kegelförmiger Teilkörper
3
Mittelachse zu 1
4
Mittelachse zu 2
5
Tangentialwer Lufteintrittskanal
6
Tangentialer Lufteintrittskanal
7
Verbrennungsluft
7a
Drallströmung
8
Kegelhohlraum, Innenraum des Brenners
9
Zylindrischer Anfangsteil des Brenners
10
Zylindrischer Anfangsteil des Brenners
11
Brennstoffdüse
12
Brennstoff, Flüssiger Brennstoff
13
Brennstoffleitung
14
Brennstoffleitung
15
Eindüsungsöffnungen einer Brennstoffleitung 13, 14
16
Brennstoff, gasförmiger Brennstoff
17
Brennraum
18
Frontplatte
19
Bohrungen in Frontplatte
20
Luft, Mischluft, Kühlluft
21
Lufteintrittsebene
22
Brennstoffinjektionsebene
23
Brennstoffprofil
24
Rückströmzone, Rückströmblase
25
Flammenfront
26
Hauptmittelachse
27
Eindüsungszone
28
Abwicklung eines kegelförmigen Teilkörpers
29
Eindüsungsöffnungen
30
Ebene der Eindüsungsöffnungen 29
31
Ausströmuns- Eindüsungsrichtung der Zusatzluft
32
Zusatzluft
33
Fächerförmige Eindüsungsöffnungen

Claims (16)

  1. Brenner zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff (12, 16), wobei der Brenner aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (1, 2) besteht, wobei die Mittelachsen (3, 4) dieser Teilkörper (1, 29) zueinander versetzt verlaufen, wobei die benachbarten Wandungen der Teilkörper (1, 2) tangentiale Lufteintrittskanäle (5, 6) für eine Verbrennungsluft (7) bilden, und wobei im von den Teilkörpern (1, 2) gebildeten Kegelhohlraum (8) mindestens eine Brennstoffdüse (11, 15) vorhanden ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mindestens ein Teilkörper (1, 2) mindestens eine Zone (27) aufweist, innerhalb welcher eine Anzahl Eindüsungsöffnungen (29, 33) zur Eindüsung einer Zusatzluft (32) vorhanden ist, welche, in Strömungsrichtung des Brenners gesehen, einen spitzen Winkel zur Innenwand des Teilkörpers (1, 2) aufweisen.
  2. Brenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle (5, 6) in Längserstreckung des Brenners eine Anzahl zueinander beabstandeter Brennstoffdüse (15) angeordnet sind.
  3. Brenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kegelhohlraum (8) in Strömungsrichtung gleichförmig zunimmt.
  4. Brenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kegelhohlraum (8) in Strömungsrichtung einen Diffusor, einen diffusorähnlichen Verlauf, einen Konfusor, einen konfusorähnlichen Verlauf bildet.
  5. Brenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wobei die Teilkörper (1, 2) spiralförmig ineinander geschachtelt sind
  6. Brenner nach einem der Ansprüchen 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jeder Teilkörper (1, 2) mindestens eine Zone (27) aufweist.
  7. Brenner nach einem der Ansprüchen 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Eindüsungsöffnungen (29, 33) innerhalb der mindestens einen Zone (27) mehrere parallel beabstandete Reihen (30) bilden.
  8. Brenner nach einem der Ansprüchen 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Eindüsungsöffnungen (29, 33) fächerförmig sind.
  9. Brenner nach einem der Ansprüchen 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Eindüsungsöffnungen (29, 33) in einer Richtung angeordnet sind, die von der axialen Richtung des Brenners bis zur Richtung der Hauptströmung reicht.
  10. Brenner nach einem der Ansprüchen 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Eindüsungsöffnungen (29, 33) in der abströmungsseitigen zweiten Hälfte des Brenners abgeordnet sind.
  11. Brenner nach einem der Ansprüchen 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Eindüsungsöffnungen (29, 33) Eindüsungsschlitze sind.
  12. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Brenner aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (1, 2) besteht, wobei die Mittelachsen (3, 4) dieser Teilkörper (1, 29) zueinander versetzt verlaufen, wobei die benachbarten Wandungen der Teilkörper (1, 2) tangentiale Lufteintrittskanäle (5, 6) bilden, und wobei im von den Teilkörpem (1, 2) gebildeten Kegelhohlraum (8) mindestens eine Brennstoffdüse (11, 15) vorhanden ist,
    a) wobei Verbrennungsluft (7) durch die tangentiale Lufteintrittskanäle (5, 6) in eine durch von den Teilkörpem (1, 2) gebildete Vormischstrecke einströmt,
    b) wobei mindestens ein Brennstoff (12, 16) durch die mindestens eine Brennstoffdüse (11, 15) in den Kegelhohlraum (8) eingedüst wird, und
    c) wobei im Kegelhohlraum (8) des Brenners durch die Verbrennungsluft (7) und den Brennstoff (12, 16) eine Drallströmung (7a) gebildet wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mindestens ein Teilkörper (1, 2) mindestens eine Zone (27) aufweist, innerhalb welcher Zusatzluft (32) durch Eindüsungsöffnungen (29, 33) in die Drallströmung (7a) unter, in Strömungsrichtung des Brenners gesehen, einem spitzen Winkel zur Innenwand des Teilkörpers (1, 2) zur Filmbildung entlang der Innenwand eingedüst wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zusatzluft (32) in der abströmungsseitigen zweiten Hälfte des Brenners eingedüst wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zusatzluft (32) innerhalb der mindestens einen Zone (27) in mehreren parallel beabstandeten Reihen (30) in die Drallströmung (7a) eingedüst wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zusatzluft (32) in einer Richtung eingedüst wird, die von der axialen Richtung des Brenners bis zur Richtung der Hauptströmung reicht.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Axialgeschwindigkeit entlang der Innenwand des Teilkörpers (1, 2) durch die Eindüsung der Zusatzluft (32) erhöht wird.
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