EP0899506A2

EP0899506A2 - Brennervorrichtung

Info

Publication number: EP0899506A2
Application number: EP98810827A
Authority: EP
Inventors: Hans Peter Knöpfel; Thomas Ruck
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1997-08-30
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 1999-03-03
Also published as: DE19737998A1; EP0899506A3

Abstract

Bei einer Brennervorrichtung, umfassend einen Drallerzeuger (9,100) für einen Verbrennungsluftstrom (1,2,115) und eine stromabwärts des Drallerzeugers (9,100) angeordnete Brennkammer (15) ist stromaufwärts des Drallerzeugers (9,100) ein Strömungsgleichrichter (18) zur Gleichrichtung der Zuströmung zum Drallerzeuger (9,100) angeordnet. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Brennervorrichtungnach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.

Stand der Technik

Bei der Konzeption von modernen Verbrennungsanlagen, insbesondere Gasturbinenanlagen, spielen wirtschaftliche und umwelttechnische Gesichtspunkte eine zunehmend bedeutende Rolle. In diesem Zusammenhang ist man bestrebt, die Einzelkomponenten einer Gasturbinenanlage, in denen Energie umgesetzt wird, in ihren Eigenschaften der Energieumzusetzung in Hinlick auf Schonung natürlicher Ressourcen und insbesondere unter Vermeidung hoher Emissionswerte zu optimieren.

Das Herzstück der Energieumwandlung bildet bei Gasturbinenanlagen die Brennervorrichtung, in der Gas- und /oder flüssiger Brennstoff mit vorverdichteter Luft gemischt und zur Zündung gebracht wird. Die Brennervorrichtungen bestehen üblicherweise aus einem Drallerzeuger, durch den die Verbrennungsluft verwirbelt wird, einer Vorrichtung zur Eindüsung von Brennstoff und einer stromabwärts anschliessenden Brennkammer, in der das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Die Verbrennung des in Luft zerstäubten Brennstoffes soll dabei möglichst vollständig erfolgen, so dass der gesamte Brennstoff unter Entwicklung möglichst hoher Temperaturen verbrennt. Zum einen trägt eine möglichst restlose Verbrennung des Brennstoffes zu einer optimalen Energieumsetzung bei, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Gasturbinenanlage wesentlich bestimmt wird, zum anderen können bei möglichst hohen Verbrennungstemperaturen die Emissions-gase NO_x sowie CO₂-Gase erheblich reduziert werden, wodurch die Umweltbelastung entscheident positiv beeinflusst werden kann.

Neben der Optimierung von Brennervorrichtungen, die eine möglichst homogene Brennstoffzerstäubung und somit eine gleichmässige Verbrennung bewirken, kommt es insbesondere beim Betrieb moderner Brennervorrichtungen, wie sie beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 321 809 B1 beschrieben sind, darauf an, dass die komprimierte Luft im den Drallerzeuger umgebenden Plenum der Brennereinrichtung möglichst in einem ungestörten Luftstrom frei von Turbulenzen und in gerichteter Weise zur Verfügung steht. Moderne Brennervorrichtungen, wie sie aus der vorstehend zitierten Druckschrift zu entnehmen sind, weisen beispielsweise einen konischen Drallerzeuger / Brenner auf, der längs zu seiner Konusaussenseite schmale Einlassschlitze vorgesehen hat, durch die der für die Vermischung von Brennstoff und Luft erforderliche Luftstrom einzukoppeln ist.

Anhand der den Stand der Technik darstellenden Figuren 1a und 1b sollen die Probleme aufgezeigt werden, die mit der Strömungsführung innerhalb eines Plenums verbunden sind, in die ein Luftstrom möglichst turbulenzfrei in Einlassöffnungen eines im Plenum vorgesehenen Brenners gerichtet werden soll.

In Fig. 1a ist ein Gehäuse G dargestellt, in das über Einlassöffnungen 4, 5 Gasströme 1, 2 eingeblasen werden. In einem Staupunkt A der beiden Gasströme 1, 2, im folgenden Teilstrahlen genannt, verschwindet die Geschwindigkeit im statistischen Mittel. Ausserdem erreichen die Grenzstromlinien der beiden Teilstrahlen 1, 2, die durch den Staupunkt A verlaufen, an dieser Stelle den gleichen statischen Druck. Aus diesen Gründen muss auch der Gesamtdruck auf beiden Grenzstromlinien gleich sein. In der Regel erfahren die beiden Teilstrahlen 1, 2 auf ihrem Weg vom Verdichterdiffusor, durchs Kühlsystem der Brennkammer bis zur Lufthaube / Plenum der Brennkammer unterschiedliche Reibungsverluste, weil die Eintrittsgeschwindigkeiten in das Plenum 6 der Brennkammer nicht genau gleich sind. Aus diesem Grund weisen die Teilstrahlen 1, 2 unterschiedliche Totaldrücke auf. Durch den Totaldruckunterschied der beiden Teilstrahlen 1, 2 verschiebt sich der Staupunkt A der zwei Teilstrahlen zwingend (wie in Fig. 1b dargestellt) in unmittelbare Nähe der Einlassöffnung des Teilstrahles mit dem kleineren Totaldruck.

Aufgrund der vorstehend geschilderten, strömungsimanenten Eigenschaften von mehreren, in das Innere eines Gehäuses eingebrachten Gasströmungen zu deren gegenseitigen Vermischung bzw. Vereinigung, wird die in Figur 1b im Idealfall dargestellte Luftversorgung eines Brenners 9, der innerhalb eines Plenums 6 angeordnet ist, stark beeinträchtigt.

Das Plenum 6 ist umgeben von einer Gehäusewand G und weist an der linken Seite zwei Einlassöffnungen 4, 5 für zwei Gasströme 1, 2 auf, die entlang der Gehäuseinnenwand 3 in das Innere des Plenums 6 geleitet werden. Die Gasströme 1, 2 treffen in einem, um den Auftreffpunkt A befindlichen Bereich zusammen, von dem aus ein gemeinsamer, freier Gasstrom 7 in das Innere des Plenums 6 entsteht. Im Idealfall sollte der gemeinsame, freie Gasstrom 7 in eine spaltförmige Einlassöffnung 8 des Brenners 9 eintreten und dort mit gasförmigen und/oder flüssigem Brennstoff vermischt und in einer Brennkammer 15 zur Zündung gebracht werden.

Aufgrund der vorstehenden Strömungseffekte bildet sich jedoch der gemeinsame, freie Gasstrom nicht zu einer ungestörten, einheitlich Strömung aus, sondern unterliegt einer unsteten relativ zur Einlaßöffnung 8 des Brenners lateralen Bewegung und weist überdies sehr starke turbulente Strömungsanteile auf. Dies jedoch führt in der Regel zu starken Beeinträchtigungen der aerodynamischen Eigenschaften des Brenners 9, die sich nicht zuletzt auf eine schlechte Verbrennung auswirken, wodurch die Emissionswerte des Brenners erheblich verschlechtert werden. Ebenso kann es in Verbindung mit Turbulenzeffekten innerhalb des Brenners, die durch den gemeinsamen eintretenden Gasstrom 7 iniziiert werden, zu Rückzündeffekten kommen, die zum Erlöschen der Brennflamme oder zu Ueberhitzungen führen können.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennervorrichtung der eingangs genannten Art diese derart weiterzubilden, dass der Drallerzeuger / Brenner in jedem Betriebszustand homogen angeströmt wird.

Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.

Kern der Erfindung ist es also, dass stromaufwärts des Drallerzeugers ein Strömungsgleichrichter zur Gleichrichtung der Zuströmung zum Drallerzeuger angeordnet ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die Zuströmung zum Brenner mit geringen Druckverlusten homogenisiert wird. Dadurch kann der Schadstoffausstoss durch eine homogene Gemischausbildung in der Brennzone minimiert werden. Das Risiko von Flammenrückschlägen wird minimiert und Pulsationen der Flamme vermieden. Dies insbesondere, da der Strömungsgleichrichter auch als dämpfendes Element wirkt, das Druckschwankungen / Pulsationen bei der Verbrennungsluftzufuhr ausgleicht. Ein solcher Strömungsgleichrichter eignet sich auch hervorragend zur Nachrüstung in bereits bestehenden Brennervorrichtungen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1a: Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Ausbreitungsverhaltens zweier in einem Gehäuse geführten Gasströme,
Fig. 1b: Querschnittsdarstellung durch ein Plenum mit idealen Strömungsverhältnissen,
Fig. 2: einen Brenner mit einem Strömungsgleichrichter;
Fig. 3: einen Brenner mit einem Strömungsgleichrichter und mit anschliessender Brennkammer;
Fig. 4: einen Drallerzeuger in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten;
Fig. 5: einen Schnitt durch den 2-Schalen-Drallerzeuger, nach Fig. 4;
Fig. 6: einen Schnitt durch einen 4-Schalen-Drallerzeuger;
Fig. 7: einen Schitt durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind;
Fig. 8: eine Darstellung der Form der Uebergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und Mischrohr.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nach Fig. 2 wird, zur Vermeidung einer unsteten, relativ zur Einlassöffnung 8 des Brenners lateralen Bewegung der zuströmenden Verbrennungsluft und turbulenter Strömungsanteile, um den Drallerzeuger / Brenner ein Strömungsgleichrichter 18 angeordnet. Dieser Strömungsgleichrichter 18 besteht im wesentlichen aus einer Lochblechhaube 12 und eventuell aus Abschlussflanschen, beispielsweise aus einem oberen Abschlussflansch 11 und einem unteren Abschlussflansch 10. Der obere Abschlussflansch kann ebenfalls belocht sein. Der Strömungsgleichrichter 18 umschliesst den Drallerzeuger, so dass die in den Drallerzeuger einströmende Luft durch den Strömungsgleichrichter 18 hindurchströmen muss. Durch den Strömungsgleichrichter 18 werden Ungleichverteilungen der Anströmung des Brenners ausgeglichen und der in die Einlassöffnung 8 eintretende Gasstrom 7 weitgehend homogenisiert. Durch die hier gezeigte Ausgestaltung der Lochblechhaube 12 und der Abschlussflansche wird zudem ein leichter Einbau in bestehende Brennerkonfigurationen ermöglicht, da der grösste Aussendurchmesser des Strömungsgleichrichters 18 dem grössten Aussendurchmesser des Brenners entspricht.
Der Strömungsgleichrichter 18 weist eine Oeffnungsfläche 17 auf, die in ihrem Verhältnis zu einer Eintrittsfläche 19 des Brenners die Charakteristik des Strömungsgleichrichters 18 bestimmt. Die Eintrittsfläche 19 wird durch die Fläche der Einlasssöffnungen des Brenners bestimmt. Die Oeffnungsfläche 17 des Strömungsgleichrichters wird grösser gewählt als die Eintrittsfläche 19 des Brenner. Dadurch werden Druckverluste am Strömungsgleichrichter möglichst klein gehalten. Die Oeffnungsfläche 17 des Strömungsgleichrichters darf aber nicht beliebig grösser gewählt als die Eintrittsfläche 19 des Brenners, da sonst der Strömungsgleichrichters die Gaströme nicht mehr homogenisiert. Bei einem Verhältnis von Oeffnungsfläche 17 zu Eintrittsfläche 19 von grösser gleich drei (Oeffnungsfläche/ Eintrittsfläche ≥ 3) liegen die Verluste unterhalb 15%. Bei einem Verhältnis von Oeffnungsfläche 17 zu Eintrittsfläche 19 von grösser sechs (Oeffnungsfläche/ Eintrittsfläche > 6) liegen die Verluste unterhalb 5%. Ein besonders bevorzugter Bereich von Oeffnungsfläche 17 zu Eintrittsfläche 19 liegt deshalb im Bereich von drei bis sechs, da hier die Verluste relativ gering sind und trotzdem eine ausgezeichnete Homogenisierung der Anströmung des Brenners erreicht wird. Der Strömungsgleichrichter 18 dient zusätzlich als dämpfendes Element, welches Pulsationen / Druckschwankungen aus der Luftzuführung zum Brenner, beispielsweise vom Verdichter, ausgleicht.

Fig. 3 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners mit einem Strömungsgleichrichter 18. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100 wirksam, dessen Ausgestaltung in den nachfolgenden Fig. 4-7 noch näher gezeigt und beschrieben wird. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100 um ein kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von einem tangential einströmenden und durch den Strömungsgleichrichter 18 gleichgerichteten Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich hierein bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Uebergangsgeometrie nahtlos in ein Uebergangsstück 200 übergeleitet, dergestalt, dass dort keine Ablösungsgebiete auftreten können. Die Konfiguration dieser Uebergangsgeometrie wird unter Fig. 8 näher beschrieben. Dieses Uebergangsstück 200 ist abströmungsseitig der Uebergangsgeometrie durch ein Rohr 20 verlängert, wobei beide Teile das eigentliche Mischrohr 220 des Brenners bilden. Selbstverständlich kann das Mischrohr 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d.h. dann, dass das Uebergangsstück 200 und Rohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmolzen sind, wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Abströmungsseitig des Rohres 20 befindet sich die eigentliche Brennkammer 30, welche hier lediglich durch das Flammrohr versinnbildlicht ist. Das Mischrohr 220 erfüllt die Bedingung, dass stromab des Drallerzeugers 100 eine definierte Mischstrecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 220, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so dass sich auch in Wirkverbindung mit der Uebergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluss ausgeübt werden kann. Dieses Mischrohres 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, dass im Mischrohr 220 selbst das Axialgeschwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so dass eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, dass bei einer solchen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr 220 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl regelmässig oder unregelmässig verteilten Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 220 strömt, und entlang der Wand eine Erhöhung der Geschwindigkeit indiziert. Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, dass der Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220 abströmungsseitig der Uebergangskanäle 201, welche die bereits genannten Uebergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 220 angehoben wird. In der Figur entspricht der Auslauf der Uebergangskanäle 201 dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220. Die genannten Uebergangskanäle 201 überbrücken demnach den jeweiligen Querschnittsunterschied, ohne dabei die gebildete Strömung negativ zu beeinflussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung 40 entlang des Mischrohres 220 einen nicht tolerierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende des Mischrohres ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 220 schliesst sich eine Brennkammer 30 an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone 50, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmässige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone 50. Stirnseitig weist die Brennkammer 30 eine Anzahl Oeffnungen 31 auf, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung strömt, und dort unteren anderen dazu beiträgt, dass die Ringstabilisation der Rückströmzone 50 gestärkt wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, dass die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 50 auch eine ausreichend hohe Drallzahl in einem Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen am Rohrende, beispielsweise durch tangentiale Oeffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, dass die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge beträgt.

Um den Aufbau des Drallerzeugers 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 4 mindestens Fig. 5 herangezogen wird. Des weiteren, um diese Fig. 4 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Figur 3 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 4 nach Bedarf auf die genannten Figuren hingewiesen.

Der erste Teil des Brenners nach Fig. 3 bildet den nach Fig. 4 gezeigten Drallerzeuger 100. Dieser besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Anzahl der kegelförmigen Teilkörper kann selbstverständlich grösser als zwei sein, wie die Figuren 4 und 5 zeigen; dies hängt jeweils, wie weiter unten noch näher zur Erläuterung kommen wird, von der Betreibungsart des ganzen Brenners ab. Es ist bei bestimmten Betriebskonstellationen nicht ausgeschlossen, einen aus einer einzigen Spirale bestehenden Drallerzeuger vorzusehen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 201b, 202b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schaffl bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Kanal, d.h. einen Lufteintrittsschlitz 119, 120 (Fig. 5), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Drallerzeugers 100, d.h. in den Kegelhohlraum 114 desselben strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Drallerzeugers 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 vorzugsweise für einen flüssigen Brennstoff 112 untergebracht, deren Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraumes 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. Selbstverständlich kann der Drallerzeuger 100 rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff 112 handelt es sich, wie erwähnt, im Normalfall um einen flüssigen Brennstoff, wobei eine Gemischbildung mit einem anderen Medium ohne weiteres möglich ist. Dieser Brennstoff 112 wird unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffspray 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer Vermischung Richtung Verdampfung abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 113 über die Oeffnungsdüsen 117 eingebracht, geschieht die Bildung des Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 119, 120. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt, oder beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas oder Abgas angereichert, so unterstützt dies nachhaltig die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112, bevor dieses Gemisch in die nachgeschaltete Stufe strömt. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 flüssige Brennstoffe zugeführt werden sollten. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich des Kegelwinkels und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 am Ausgang des Drallerzeugers 100 einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die schnellere Bildung einer Rückströmzone bereits im Bereich des Drallerzeugers begünstigt. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Drallerzeugers 100 lässt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Eine entsprechende Drallerzeugung verhindert die Bildung von Strömungsablösungen innerhalb des dem Drallerzeuger 100 nachgeschalteten Mischrohr. Die Konstruktion des Drallerzeugers 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Drallerzeugers 100 eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 101, 102 auch in einer anderen Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Ueberlappung derselben vorgesehen werden kann. Es ist des weiteren möglich, die Teilkörper 101, 102 durch eine gegenläufig drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln. Somit ist es möglich, die Form, die Grösse und die Konfiguration der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 beliebig zu variieren, womit der Drallerzeuger 100 ohne Veränderung seiner Baulänge universell einsetzbar ist.

Aus Fig. 5 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungsrichtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Oeffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 dynamisch verändert werden soll. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmässige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teil körpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Drallerzeuger 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vogesehen werden.

Fig. 6 zeigt gegenüber Fig. 5, dass der Drallerzeuger 100 nunmehr aus vier Teilkörpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen zu jedem Teilkörper sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Konfiguration ist zu sagen, dass sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringeren Drallstärke und im Zusammenwirken mit einer entsprechend vergrösserten Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungsseitig des Drallerzeugers im Mischrohr zu verhindern, womit das Mischrohr die ihm zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.

Fig. 7 unterscheidet sich gegenüber Fig. 6 insoweit, als hier die Teilkörper 140, 141, 142, 143 eine Schaufelprofilform haben, welche zur Bereitstellung einer gewissen Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Drallerzeugers die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Verbrennungsluftstromes 115 geschieht aus dem Innern der Schaufelprofile heraus, d.h. die Brennstoffleitung 108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert. Auch hier sind die Längssymmetrieachsen zu den einzelnen Teil körpern mit der Buchstabe a gekennzeichnet.

Fig. 8 zeigt das Uebergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Uebergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100 mit vier Teil körpern, entsprechend der Fig. 6 oder 5, aufgebaut. Dementsprechend weist die Uebergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper vier Uebergangskanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche der genannten Teilkörper verlängert wird, bis sie die Wand des Rohres 20 resp. des Mischrohres 220 schneidet. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als den unter Fig. 4 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung verlaufende Fläche der einzelnen Uebergangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, dass sich vorliegend der Durchflussquerschnitt des Uebergangsstückes 200 in Strömungsrichtung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Uebergangskanäle 201 in Strömungsrichtung ist so gewählt, dass der Rohrströmung anschliessend bis zum Querschnittssprung am Brennkammereintritt noch eine genügend grosse Strecke verbleibt, um eine perfekte Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerkstelligen. Ferner erhöht sich durch die oben genannten Massnahmen auch die Axialgeschwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeugers. Die Uebergangsgeometrie und die Massnahmen im Bereich des Mischrohres bewirken eine deutliche Steigerung des Axialgeschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt des Mischrohres hin, so dass der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegengewirkt wird.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Geometrie des Strömungsgleichrichters kann anders gewählt werden als dargestellt. So kann die Geometrie der Lochblechhaube und der Flansche sowie die Eintrittsöffnungen der Lochblechhaube verschiedenartig ausgebildet sein.

Bezugszeichenliste

1: Gasstrom
2: Gasstrom
3: Gehäuseinnenwand
4: Einspritzdüse, Einlassöffnung
5: Einsspritzdüse, Einlassöffnung
6: Plenum
7: Gemeinsamer bzw. freier Gasstrom
8: Einlassöffnung
9: Drallerzeuger / Brenner
10: Unterer Abschlussflansch
11: Oberer Abschlussflansch
12: Lochblechhaube
15: Brennkammer
17: Oeffnungsfläche
18: Strömungsgleichrichter
19: Einrittsfläche Brenner
20: Rohr
21: Bohrungen, Oeffnungen
30: Brennkammer
31: Oeffnungen
40: Strömung, Rohrströmung im Mischrohr
50: Rückströmzone
100: Drallerzeuger
101: Teilkörper
102: Teilkörper
101a: Zylindrische Anfangsteile
102b: Zylindrische Anfangsteile
101b: Längssymmetrieachsen
102b: Längssymmetrieachsen
103: Brennstoffdüse
104: Brennstoffeindüsung
105: Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)
108: Brennstoffleitungen
109: Brennstoffleitungen
112: Flüssiger Brennstoff
113: Gasförmiger Brennstoff
114: Kegelhohlraum
115: Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)
116: Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen 108, 109
117: Brennstoffdüsen
119, 120: Tangentiale Lufteintrittsschlitze
121a, 121b: Leitbleche
123: Drehpunkt der Leitbleche
130, 131, 132, 133: Teilkörper
131a, 131a, 132a, 133a: Längssymmetrieachsen
140, 141, 142, 143: Schaufelprofilförmige Teilkörper
140a, 141a, 142a, 143a: Längssymmetrieachsen
200: Uebergangsstück
201: Uebergangskanäle
220: Mischrohr

A: Staupunkt
G: Gehäuse, Plenumgehäuse

Claims

Brennervorrichtung, umfassend einen Drallerzeuger (9, 100) für einen Verbrennungsluftstrom (1, 2, 115) und eine stromabwärts des Drallerzeugers (9, 100) angeordnete Brennkammer (15),
dadurch gekennzeichnet,
dass stromaufwärts des Drallerzeugers (9, 100) ein Strömungsgleichrichter (18) zur Gleichrichtung der Zuströmung zum Drallerzeuger (9, 100) angeordnet ist.
Brennervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Oeffnungsfläche (17) des Strömungsgleichrichters (18) grösser als die Eintrittsfläche (19) des Drallerzeugers (9, 100) ist.
Brennervorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis von Oeffnungsfläche (17) zu Eintrittsfläche (19) grösser gleich drei (Oeffnungsfläche/ Eintrittsfläche ≥ 3) ist.
Brennervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis von Oeffnungsfläche (17) zu Eintrittsfläche (19) im Bereich von drei bis sechs liegt (6 ≥ Oeffnungsfläche/ Eintrittsfläche ≥ 3).
Brennervorrichtung nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Strömungsgleichrichter (18) aus einer Lochblechhaube (12) besteht.
Brennervorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass an der Lochblechhaube (12) Abschlussflansche (10, 11) angeordnet sind.
Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Drallerzeuger (9) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102; 130, 131, 132, 133; 140, 141, 142, 143) besteht, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen (101b, 102b; 130a, 131a, 132a, 133a; 140a, 141a, 142a, 143a) dieser Teilkörper gegeneinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstromes (115) bilden, und dass im von den Teilkörpern gebildeten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) angeordnet ist.
Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass stromab des Drallerzeugers (100) eine Mischstrecke (220) angeordnet ist, dass die Mischstrecke (220) stromab des Drallerzeugers (100) innerhalb eines ersten Streckenteils (200) in Strömungsrichtung verlaufende Uebergangskanäle (201) zur Ueberführung einer im Drallerzeuger (100) gebildeten Strömung (40) in den stromab der Einströmungskanäle (201) nachgeschalteten Durchflussquerschnitt (20) der Mischstrecke (220) aufweist.