DE19542681A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend der deutschen Patentanmeldung 195 26 369.3 zur Unter­ drückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feue­ rung, die einen Brenner aufweist, mit dem eine Flamme erzeugt wird, und einen Brennraum, in den die Flamme gerichtet ist, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens.

Bei industriellen Verbrennungsanlagen wie Gasturbinen­ brennkammern, Winderhitzern, Rückstandsverbrennungsan­ lagen oder Industrieöfen, aber auch bei Kleinfeuerungen wie Gasboilern oder Heizkesseln im häuslichen Nutzungs­ bereich treten unter bestimmten, durch die feuerungs­ technischen Betriebsparameter wie thermische Leistung und Luftzahl festgelegten Bedingungen instabile Be­ triebszustände auf, die durch zeitperiodische Änderun­ gen der Flamme gekennzeichnet sind, die einhergehen mit Änderungen insbesondere des statischen Druckes in der Brennkammer sowie in dieser vor- oder nachgeschalteten Anlagenteilen. Das Auftreten dieser Verbrennungsinsta­ bilitäten bewirkt oftmals ein gegenüber dem stationären Betrieb der Anlage verändertes Verhalten und verursacht neben einer erhöhten Lärmbelästigung auch eine ver­ stärkte mechanische und/oder thermische Beanspruchung der Brennkammer bzw. der Brennkammerauskleidung.

Derartige Flammen-/Druckschwingungen können unter un­ günstigen Verhältnissen bis zur Zerstörung der Anlage führen, in der sie auftreten, so daß viel Aufwand ge­ trieben wird, um derartige Flammen-/Druckschwingungen zu vermeiden. So verändert man beispielsweise die Brennkammergeometrie durch spezielle Einbauten, was aber häufig nur zu einer Verschiebung der auftretenden Schwingungsfrequenzen führte und somit nicht zu einer generellen Lösung des Problemes beiträgt. Ansonsten werden bei auftretenden Flammen-/Druckschwingungen jeweils spezielle Maßnahmen auf empirischer Basis er­ griffen.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem derartige Flammen-/Druckschwingungen mit nicht tolerierbaren Druckamplituden zu verhindern sind.

Zur Erfüllung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vor­ geschlagen, die Flamme des Brenners mit einer Strömung aus Gas zu ummanteln, die eine höhere Strömungsge­ schwindigkeit in Flammenrichtung aufweist als die Außen- bzw. Randbereiche der Flamme. Damit wird eine Übertragung von Axialimpuls auf die Außenbereiche der Flamme bzw. der brennstoffhaltigen Brennerausströmung bewirkt.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß die Schwingungen im wesentlichen durch sich im Randbe­ reich der Flamme ausbildende Ringwirbel verursacht bzw. verstärkt werden. Diese Ringwirbel, die durch Aufroll­ ung der Randbereiche der brennstoffhaltigen Brenner­ strömung entstehen, schließen bei ihrer Bildung heiße Rauchgase mit ein, die ein schnelles Aufheizen des ebenfalls im Ringwirbel enthaltenen Brennstoff/Luft- Gemisches und eine impulsartige, druckschwingungsanre­ gende Abreaktion des Brennstoffes bewirken.

Um die Ringwirbelbildung zu verhindern, wird die Flamme mit einer Gasmantelströmung umgeben, die eine höhere Strömungsgeschwindigkeit in Flammenausbreitungsrichtung aufweist als die Außen- bzw. Randbereiche der Flamme. Damit kommt es zwischen Mantelströmung und Flamme bzw. Brenngas/Luftströmung zu einem Axialimpulsaustausch, der eine Beschleunigung der freien Flammen- bzw. Strömungsgrenzschicht bewirkt und damit der Entstehung von reaktionsfähigen Wirbeln in diesem Bereich wir­ kungsvoll entgegenwirkt.

Es können dann - wenn überhaupt - nur in der Grenz­ schicht zwischen der Gasmantelströmung und dem Umge­ bungsmedium (im eingeschlossenen Fall i.A. Rauchgase) entsprechende Ringwirbel auftreten. Hierbei ist es am günstigsten, wenn die Gasmantelströmung keinen Brenn­ stoff enthält, wie dies ursprünglich auch erkannt worden ist, da sich dann aus der (brennstofffreien) Mantelströmung grundsätzlich keine Brennstoff ein­ schließenden Wirbel bilden können, die zu einer periodischen Abreaktion von Brennstoff und damit zu einer Anregung von Flammen-/Druckschwingungen führen können, wie sie bei einer ungemantelten Flamme bzw. Brenngas/Luftströmung auftreten.

Auch wenn die Gasmantelströmung Brennstoff enthält, kann der erfindungsgemäße Effekt einer Beschleunigung der Außenbereiche der Brennerausströmung (bzw. der die Flamme bildenden Hauptströmung) erzielt werden, wobei sich hierbei in bezug auf das Medium der Gasmantelströ­ mung verschiedene Fälle unterscheiden lassen:

Sollte die Gasmantelströmung aus einem nicht zündfähi­ gen Gemisch aus Gas und Brennstoff bestehen, verhält sich die Gasmantelströmung hinsichtlich ihrer Wirkung einer Unterdrückung der Bildung reaktionsfähiger Ring­ wirbel im wesentlichen als ob sie keinen Brennstoff enthält, d. h. eventuell in der Grenzschicht zwischen Gasmantelströmung und Umgebungsmedium entstehende Wir­ bel können nicht abreagieren und somit nicht zur Anre­ gung bzw. Verstärkung von Flammen-/Druckschwingungen führen. Bei diesem nicht zündfähigen Gemisch aus Gas und Brennstoff kann es sich bei dem Gas sowohl um Inertgas (z. B. Stickstoff, Wasserdampf oder ausgebrann­ te Abgase) als auch um Luft handeln, wobei im ersteren Fall die Brennstoffkonzentration irrelevant ist, da Inertgas mit Brennstoff in keinem Mischungsverhältnis reagieren d. h. verbrennen kann, während im zweiten Fall die Brennstoffkonzentration außerhalb der Zündgrenzen des jeweiligen Brennstoffes liegt, so daß auch hier aus der Gasmantelströmung entstehende Ringwirbel nicht ab­ reagieren können.

Grundsätzlich kann als Medium der Gasmantelströmung auch ein Brennstoff/Luftgemisch mit Brennstoffkonzen­ trationen innerhalb der vom jeweiligen Brennstoff ab­ hängigen Zündgrenzen verwendet werden, wenn die im wesentlichen axiale Ausströmgeschwindigkeit dieser im Prinzip brennbaren Gasmantelströmung gegenüber der Brennerhauptströmung, die die Flamme bildet, so hoch gewählt wird, daß einerseits eine ausreichende Übertra­ gung von Axialimpuls und damit eine ausreichende Be­ schleunigung der Außenbereiche der Flamme bzw. der Brennerhauptströmung gewährleistet wird, andererseits jedoch die Ausbildung einer eigenständigen, stabilen Flamme (oder mehrerer Flammen im Falle mehrerer einzel­ ner Austrittsöffnungen der Gasmantelströmung) aus der Gasmantelströmung verhindert wird.

Der Gasmantel strömt vorzugsweise parallel zur Mittel­ achse der Flamme, er kann aber auch in bezug auf diese Flammen- bzw. Hauptströmungsrichtung der Brennstoff/ Luftströmung zusätzlich auch eine gewisse Radial- und/ oder Tangentialkomponente aufweisen, woraus eine gewis­ se Aufweitung des Gasmantels entlang der Richtung der Flamme folgt, wobei zu berücksichtigen ist, daß nicht alle Brenner Flammen mit sich im kritischen Bereich nicht verändernden Querschnitten haben, sondern daß Flammen ebenfalls die beschriebene konische Form ein­ nehmen können. Wesentlich ist dabei immer, daß die Gasmantelströmung einen ausreichend hohen Impuls in Axialrichtung besitzt.

Zur Durchführung dieses Verfahrens zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung weist eine erfindungsgemäße Feuerung mit einem Brenner zur Erzeugung einer Flamme und einem Brennraum, in den die Flamme gerichtet ist, mindestens eine Gasaustrittsöff­ nung auf, aus der das Gas die Flamme mantelförmig um­ schließend ausströmt.

Da sich das oben angegebene erfindungsgemäße Verfahren sowohl bei einer vorgemischten Verbrennungsführung als auch bei Diffusionsverbrennung mit festem, flüssigem oder gasförmigem Brennstoff anwenden läßt, sind demge­ mäß die Brenner zur Durchführung dieses Verfahrens je­ weils in bekannter Weise an diese erwähnten Arten der Verbrennungsführung angepaßt.

Bevorzugterweise ist die Gasaustrittsöffnung zur Erzeu­ gung der Gasmantelströmung als Spalt bzw. als Spaltdüse ausgebildet und umschließt den Brenneraustritt, wobei der Brenneraustritt sowohl rotationssymmetrisch ausge­ bildet sein kann als auch eine längliche Querschnitts­ form haben kann.

Beim rotationssymmetrischen Brenneraustritt ist der Spalt dann als Ringspaltdüse ausgebildet, die insbeson­ dere konzentrisch um den Brenneraustritt angeordnet ist.

Anstelle eines einzelnen Spaltes bzw. einer einzelnen Spaltdüse können auch eine Vielzahl von kleineren Gas­ austrittsöffnungen den Brenneraustritt umgeben, die eng zueinander beabstandet sind. Auch hierbei gilt, daß der Brenneraustritt und die Gesamtanordnung der vorzugswei­ se als Düsen ausgebildeten Gasaustrittsöffnungen kon­ zentrisch angeordnet sind und daß auch durch die Viel­ zahl der Gasaustrittsöffnungen bzw. Düsen eine die Flamme des Brenners vollständig umgebende Gasmantel­ strömung erzeugt wird, die die Entstehung von Ringwir­ beln unterdrückt.

Es muß dabei gesehen werden, daß grundsätzlich Brenner­ austritt und Düse(n) nicht in einer Ebene angeordnet sein müssen, solange sichergestellt ist, daß der die Flamme umströmende Gasmantel in den kritischen Berei­ chen, in denen Wirbel entstehen können, eine ausrei­ chende Beschleunigung der Randbereiche der Flamme be­ wirken können, um eine Wirbelbildung zu unterbinden.

Dies wird insbesondere dann erfüllt, wenn die Ausström­ richtung der Düsen im wesentlichen parallel zur Bren­ nerachse ist. Aber auch durch eine entsprechende Win­ kelanstellung der Düsen gegen die Brennerachse kann er­ reicht werden, daß ein die Flamme in ihrem Randbereich ummantelnder Gasstrom aus den Düsen austritt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels. Dabei zeigt

Fig. 1 Schnitt durch einen Brenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der Fig. 1 ist ein Brenner zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens dargestellt: Es handelt sich um einen Drallbrenner, dem eine vorgemischte Brenngas-/ Luftmischung 1 über ein Brennerrohr 2 zugeführt wird. Dieses Brennerrohr endet an einem Drallgeschränk 3, das rotationssymmetrisch ist und an seinem Außenumfang ge­ neigte Leitschaufeln 4 aufweist. Diese Leitschaufeln haben eine Neigung von etwa 30°, wodurch das ausströ­ mende Brenngas-/Luftgemisch eine Ablenkung und damit einen Drall erfährt. Des weiteren sind radial etwas weiter innen als die Leitschaufeln 4 durch das Drallge­ schränk 3 über den Umfang verteilt mehrere Lochbohrun­ gen 5 angebracht, durch die ein Teilstrom des Brenngas- /Luftgemisches hindurchströmen kann und so durch Pilot­ flammenbildung zur Flammenstabilisierung beiträgt. Auf der Außenseite 6 des Drallgeschränks wird das aus dem Brenner austretende Brenngas-/Luftgemisch entzündet und bildet eine Flamme, die in eine in der Fig. 1 nicht dargestellte Brennerkammer eintritt.

Die Flamme des Brenners wird von einem Mantel aus Gas umströmt. Dieser Mantel wird durch eine Gasströmung 8 bewirkt, die durch einen Ringkanal 7 parallel zum Bren­ nerrohr 2 durch den Brenner hindurchgeführt wird und an einem Ringspalt 9 aus dem Brenner austritt, der das Drallgeschränk 3 umgibt. Um die Gasströmung 8 vor ihrem Austreten aus dem Ringkanal zu beschleunigen, sind in den Endbereich des Ringkanals Viertelkreisdüsen 10 eingebaut, die eine starke Beschleunigung insbesondere der Außenbereiche der Gasmantelströmung in Axialrich­ tung (das heißt parallel zur Achse 11 des Brenners) bewirken.

Die Strömungsgeschwindigkeit der aus dem Ringspalt 9 austretenden Gasmantelströmung ist aufgrund der Vier­ telkreisdüsen 10 soweit beschleunigt, daß die Geschwin­ digkeit in Richtung der Achse 11 erheblich höher ist als die der Flamme des verbrennenden Brenngas-/Luftge­ misches hinter dem Drallgeschränk 3, wodurch im Bereich zwischen dem in einer Flamme verbrennenden Brenngas-/ Luftgemisch und der ihn umgebenden Gasmantelströmung eine Grenzschichtbeschleunigung des verbrennenden Brenngas-/Luftgemisches erfolgt. Damit wird wirksam verhindert, daß es im Randbereich des Brenngas/Luftge­ misches zur Ausbildung periodischer, kohärenter Ring­ wirbelstrukturen kommt, die durch eine schnelle Abreak­ tion des in ihnen enthaltenen Brennstoffes durch phasenrichtige Energiezufuhr Flammen-/Druckschwingungen anregen und verstärken.

Somit wird eine einfache aber wirkungsvolle Möglichkeit angegeben, derartige Flammen-/Druckschwingungen sicher zu unterbinden und damit die Betriebssicherheit ent­ sprechender Feuerungsanlagen zu erhöhen.

Claims (16)

1. Verfahren zur Unterdrückung von Flammen-/Druck­ schwingungen bei einer Feuerung, die einen Brenner auf­ weist, mit dem eine Flamme erzeugt wird, und einen Brennraum, in den die Flamme gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flamme mit einer Strömung aus Gas ummantelt wird, die eine höhere Strömungsgeschwindigkeit in Flam­ menrichtung aufweist als die Außenbereiche der Flamme.

2. Verfahren gemäß Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Brennstoff enthält.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, Wasserdampf oder ausgebranntes Abgas ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein Brennstoff/Luftgemisch ist, welches Brennstoff in einer Konzentration außerhalb der Zündgrenzen beinhaltet.

5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein Brennstoff/Luftgemisch ist, welches Brennstoff in einer Konzentration innerhalb der Zündgrenzen beinhaltet.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmantelströmung im wesentlichen zylinderför­ mig ist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung des Gases parallel zur Flam­ menrichtung ist.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung des Gases in bezug auf die Flammenrichtung zusätzlich eine Radial- und/oder Tangentialkomponente aufweist.

9. Feuerung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche mit einem Brenner zur Erzeugung einer Flamme und einem Brennraum, in den die Flamme gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feuerung mindestens eine Gasaustrittsöffnung (9) aufweist, aus der Gas die Flamme mantelförmig um­ schließend aus strömt.

10. Feuerung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnung als Spalt (9) ausgebildet ist und den Brenneraustritt umschließt.

11. Feuerung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenneraustritt rotationssymmetrisch ist und der Spalt ein Ringspalt (9) ist.

12. Feuerung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Brenneraustritt und Ringspalt konzentrisch angeord­ net sind.

13. Feuerung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenneraustritt von einer Vielzahl von Gasaus­ trittsöffnungen umgeben ist, die eng beabstandet zuein­ ander sind und eine die Flamme vollständig umschließen­ de Mantelströmung bilden.

14. Feuerung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenneraustritt und die Gesamtanordnung der Gasaustrittsöffnungen konzentrisch angeordnet sind.

15. Feuerung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnung düsenförmig ausgebildet ist.

16. Feuerung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmrichtung der Gasaustrittsöffnung im wesentlichen parallel zur Mittelachse des Brenners ist.