DE19639301A1 - Brenner zum Betrieb einer Brennkammer - Google Patents
Brenner zum Betrieb einer BrennkammerInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäß Ober
begriff des Anspruchs 1.
Aus EP-0 704 657 ist ein Brenner bekanntgeworden, der anströ
mungsseitig aus einem Drallerzeuger besteht, wobei die hierin
gebildete Strömung nahtlos in eine Mischstrecke übergeführt
wird. Dies geschieht anhand einer am Anfang der Mischstrecke
zu diesem Zweck gebildeten Übergangsgeometrie, welche aus
Übergangskanälen besteht, die sektoriell, entsprechend der
Zahl der wirkenden Teilkörper des Drallerzeugers, die Stirn
fläche der Mischstrecke erfassen und in Strömungsrichtung
drallförmig verlaufen. Abströmungsseitig dieser Über
gangskanäle weist die Mischstrecke eine Anzahl Filmlegungs
bohrungen auf, welche eine Erhöhung der Strömungsgeschwindig
keit entlang der Rohrwand gewährleisten. Anschließend folgt
eine Brennkammer, wobei der Übergang zwischen der Misch
strecke und der Brennkammer durch einen Querschnittssprung
gebildet wird, in dessen Ebene sich eine Rückströmzone oder
Rückströmblase bildet.
Die Drallstärke im Drallerzeuger wird demnach so gewählt,
daß das Aufplatzen des Wirbels nicht innerhalb der Misch
strecke, sondern weiter stromab erfolgt, wie oben ausgeführt
im Bereich des Querschnittssprunges. Die Länge der Misch
strecke ist so dimensioniert, daß eine ausreichende
Mischungsgüte für alle Brennstoffarten gewährleistet ist.
Obschon dieser Brenner gegenüber denjenigen aus dem vorange
gangenen Stand der Technik eine signifikante Verbesserung
hinsichtlich Stärkung der Flammenstabilität, tieferer
Schadstoff-Emissionen, geringerer Pulsationen, vollständigen
Ausbrandes, großen Betriebsbereichs, guter Querzündung zwi
schen den verschiedenen Brennern, kompakter Bauweise, verbes
serter Mischung, etc., gebracht hat, zeigt es sich, daß eine
weitere Stärkung der Flammenstabilität sowie eine verbesserte
Anpassung der Flamme an die vorgegebene Brennkammergeometrie
für einen reibungslosen Betrieb auf höchster Ebene bei der
Vormischverbrennung der neueren Generation vonnöten geworden
ist.
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 Vor
kehrungen vorzuschlagen, welche eine Stärkung der Flammensta
bilität und eine Anpassung der Flamme an die vorgegebene
Brennkammergeometrie bewirken, ohne die übrigen Vorteile die
ses Brenners in irgendeiner Weise zu mindern.
Zu diesem Zweck wird die Brennerfront am Ende der Misch
strecke in der Ebene des Querschnittssprunges brennkammersei
tig mit einem Torus oder torusähnlicher Einkerbung ausgebil
det. Diese Ausgestaltung bewirkt, daß die sich durch die
Mischstrecke strömende Verbrennungsluft an die im Torus
bildende Strömung anlegt, womit die Drallzahl der Hauptströ
mung stark ansteigt. Gegenüber einer Strömung ohne Torus ver
größert sich die sich im Bereich des Querschnittssprunges
bildende Rückströmblase gewaltig. Diese Vergrößerung ist
durch eine radiale Ausdehnung und eine axiale Kompaktheit
charakterisiert. Dies bewirkt eine Stärkung der Flammenstabi
lität und die Möglichkeit, durch eine entsprechende Ausbil
dung des Toruses eine gezielte Anpassung der Flamme an die
vorgegebene Brennkammergeometrie vorzunehmen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Zurück
versetzung der kopfseitigen Brennstoffdüse gegenüber der Ein
strömung der Verbrennungsluft in einen kegelförmigen ausge
bildeten Drallerzeuger mit tangentialen Lufteintrittsschlit
zen. Durch diese Versetzung kommt die Mündung der Brennstoff
düse stromauf des Einströmungsbereichs zu liegen, so daß das
Brennstoffspray aus der Brennstoffdüse mit einem größeren
Sprayradius in die Hauptströmung eingedüst werden kann. Mit
dieser Vorkehrung wird erreicht, daß das Brennstoffspray bei
erstmaligem Kontakt mit der Verbrennungsluft von einem Film
zu Tropfen zerfallen ist, und sich die Kegelmantelfläche die
ses Brennstoffsprays in diesem Bereich um einen Faktor ver
größert hat, was eine Ausbreitung des Brennstoffsprays ver
bessert und die Zuströmung der Verbrennungsluft nicht behin
dert.
Kommt die Brennstoffdüse durch ihre Zurückversetzung im
Bereich einer festen Ummantelung zu stehen, lassen sich dann
um die Mündung der Brennstoffdüse Öffnungen vorsehen, durch
welche Spülluft in den von Brennstoffdüse induzierten Quer
schnitt einströmt. Der Durchflußquerschnitt dieser Spülluft-Öffnungen
sowie die Zurückversetzung der Brennstoffdüse wer
den so gewählt, daß im Gasbetrieb die durch diese Öffnungen
strömende Spülluft nicht ausreicht, um die oben bereits
genannte Rückströmblase weiter stromab zu verschieben. Im
Flüssigbrennstoffbetrieb wirkt das Brennstoffspray praktisch
als Strahlpumpe, womit sich der Spülluftstrom durch die
genannten Öffnungen erhöht, dergestalt, daß ein größerer
axialer Impuls entsteht, der die Rückströmblase weiter
stromab verschiebt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß
die Spülluft durch die Öffnungen im Bereich der Mündung der
Brennstoffdüse eine Benetzung der Innenwand des kegelförmigen
Drallerzeugers verhindert.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs
gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen
gekennzeichnet.
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbei
spiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel
bare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind
fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschie
denen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die
Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
Es zeigt:
Fig. 1 einen als Vormischbrenner ausgelegten Brenner mit
einer Mischstrecke stromab eines Drallerzeugers,
Fig. 2 einen aus mehreren Schalen bestehenden Drallerzeuger
in perspektivischer Darstellung, entsprechend auf
geschnitten,
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen zweischaligen Drall
erzeuger,
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen vierschaligen Drall
erzeuger,
Fig. 5 eine Ansicht durch einen Drallerzeuger, dessen Scha
len schaufelförmig profiliert sind,
Fig. 6 eine Ausgestaltung der Übergangsgeometrie zwischen
Drallerzeuger und Mischstrecke,
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Drallerzeugers nach
Fig. 2 mit zurückversetzter Brennstoffdüse,
Fig. 8-11 verschiedene torusähnliche Ausgestaltungen in der
Brennerfront zur Stabilisierung der Rückström
blase.
Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners. Anfänglich ist
ein Drallerzeuger 100 wirksam, dessen Ausgestaltung in den
nachfolgenden Fig. 2-5 noch näher gezeigt und beschrieben
wird. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100 um ein
kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von einem tan
gential einströmenden Verbrennungsluftstromes 115 beauf
schlagt wird. Die sich hierein bildende Strömung wird anhand
einer stromab des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Übergangs
geometrie nahtlos in ein Übergangsstück 200 übergeleitet,
dergestalt, daß dort keine Ablösungsgebiete auftreten kön
nen. Die Konfiguration dieser Übergangsgeometrie wird unter
Fig. 6 näher beschrieben. Dieses Übergangsstück 200 ist
abströmungsseitig der Übergangsgeometrie durch ein Mischrohr
20 verlängert, wobei beide Teile die eigentliche Mischstrecke
220 bilden. Selbstverständlich kann die Mischstrecke 220 aus
einem einzigen Stück bestehen, d. h. dann, daß das Über
gangsstück 200 und das Mischrohr 20 zu einem einzigen
zusammenhängenden Gebilde verschmelzen, wobei die Charakteri
stiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Übergangs
stück 200 und Mischrohr 20 aus zwei Teilen erstellt, so sind
diese durch einen Buchsenring 10 verbunden, wobei der gleiche
Buchsenring 10 kopfseitig als Verankerungsfläche für den
Drallerzeuger 100 dient. Ein solcher Buchsenring 10 hat dar
über hinaus den Vorteil, daß verschiedene Mischrohre einge
setzt werden können. Abströmungsseitig des Mischrohres 20
befindet sich die eigentliche Brennkammer 30, welche hier
lediglich durch ein Flammrohr versinnbildlicht ist. Die
Mischstrecke 220 erfüllt weitgehend die Aufgabe, daß stromab
des Drallerzeugers 100 eine definierte Strecke bereitgestellt
wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen
verschiedener Art erzielt werden kann. Diese Mischstrecke,
also vordergründig das Mischrohr 20, ermöglicht des weiteren
eine verlustfreie Strömungsführung, so daß sich auch in
Wirkverbindung mit der Übergangsgeometrie zunächst keine
Rückströmzone oder Rückströmblase bilden kann, womit über die
Länge der Mischstrecke 220 auf die Mischungsgüte für alle
Brennstoffarten Einfluß ausgeübt werden kann. Diese Misch
strecke 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche
darin besteht, daß in ihr 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 sol
chen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin
abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbin
den, wird das Mischrohr 20 in Strömungs- und Umfangsrichtung
mit einer Anzahl regelmäßig oder unregelmäßig verteilter
Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen ver
sehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Misch
rohres 20 strömt, und entlang der Wand im Sinne einer Filmle
gung eine Erhöhung der Geschwindigkeit induzieren. Eine
andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht
darin, daß der Durchflußquerschnitt des Mischrohres 20
abströmungsseitig der Übergangskanäle 201, welche die
bereits genannten Übergangsgeometrie bilden, eine Verengung
erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb
des Mischrohres 20 angehoben wird. In der Figur verlaufen
diese Bohrungen 21 unter einem spitzen Winkel gegenüber der
Brennerachse 60. Des weiteren entspricht der Auslauf der
Übergangskanäle 201 dem engsten Durchflußquerschnitt des
Mischrohres 20. Die genannten Übergangskanäle 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 20 einen nicht tolerierbaren Druck
verlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden,
indem am Ende dieses Mischrohres ein in der Figur nicht
gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres
20 schließt sich sodann eine Brennkammer 30 an, wobei zwi
schen den beiden Durchflußquerschnitten ein durch eine Bren
nerfront 70 gebildeter Querschnittssprung vorhanden ist. Erst
hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone 50, welche die
Eigenschaften eines körperlosen Flammenhalters aufweist. Bil
det sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des
Betriebes eine strömungsmäßige Randzone, in welcher durch
den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entste
hen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der
Rückströmzone 50. Stirnseitig weist die Brennkammer 30 eine
Anzahl Öffnungen 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 aus
reichend 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 Öffnungen,
erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, daß die
hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge
beträgt. Was die Ausgestaltung der Brennerfront 70 am Ende
des Mischrohres 20 zur Stabilisierung der Rückströmzone oder
Rückströmblase 50 betrifft, wird auf die Beschreibung unter
Fig. 8-11 verwiesen.
Um den Aufbau des Drallerzeugers 100 besser zu verstehen, ist
es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 2 mindestens Fig. 3
herangezogen wird. Des weiteren, um diese Fig. 2 nicht unnö
tig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den
Fig. 3 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur an
deutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der
Beschreibung von Fig. 2 nach Bedarf auf die genannten Figuren
hingewiesen.
Der erste Teil des Brenners nach Fig. 1 bildet den nach Fig.
2 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 Fig. 4 und 5 zeigen; dies hängt jeweils, wie weiter
unten noch näher zur Erläuterung kommen wird, von der Betrei
bungsart des ganzen Brenners ab. Es ist bei bestimmten Be
triebskonstellationen nicht ausgeschlossen, einen aus einer
einzigen Spirale bestehenden Drallerzeuger vorzusehen. Die
Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieach
sen 201b, 202b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander
schafft bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher
Anordnung, jeweils einen tangentialen Kanal, d. h. einen Luft
eintrittsschlitz 119, 120 (Fig. 3), durch welche die Verbren
nungsluft 115 in Innenraum des Drallerzeugers 100, d. h. in
den Kegelhohlraum 114 desselben strömt. Die Kegelform der ge
zeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen
bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Be
triebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungs
richtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufwei
sen, ähnlich einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztge
nannten 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 Ein
düsung 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 Drallerzeu
ger 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 Kegel
hohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale
Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Bei dem durch die Düse
103 herangeführten Brennstoff 112 handelt es sich, wie er
wähnt, 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 ein
strömenden Verbrennungsluft 115 zu einer Vermischung Richtung
Verdampfung abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 113
über die Öffnungsdüsen 117 eingebracht, geschieht die Bil
dung des Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Luft
eintrittsschlitze 119, 120. Ist die Verbrennungsluft 115 zu
sätzlich vorgeheizt, oder beispielsweise mit einem rückge
führten Rauchgas oder Abgas angereichert, so unterstützt dies
nachhaltig die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112,
bevor dieses Gemisch in die nachgeschaltete Stufe strömt. Die
gleichen Überlegungen 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 Luftein
trittsschlitze 119, 120 sind an sich enge Grenzen einzuhal
ten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbren
nungsluft 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 Draller
zeugers begünstigt. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des
Drallerzeugers 100 läßt sich durch eine entsprechende nicht
gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes ver
ändern. Eine entsprechende Drallerzeugung verhindert die Bil
dung von Strömungsablösungen innerhalb des dem Drallerzeuger
100 nachgeschalteten Mischrohr. Die Konstruktion des Draller
zeugers 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 Überlappung derselben vorgesehen werden kann. Es ist
des weiteren möglich, die Teilkörper 101, 102 durch eine ge
genläufig drehende Bewegung spiralartig ineinander zu ver
schachteln. 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. 3 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der
Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungs
funktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jewei
lige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungs
richtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die
Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum
114 kann durch Öffnen 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 Spalt
größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 dyna
misch verändert werden soll. Selbstverständlich können diese
dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, in
dem bedarfsmäßige Leitbleche einen festen Bestandteil mit
den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der
Drallerzeuger 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder
es können andere Hilfsmittel hierfür vorgesehen werden.
Fig. 4 zeigt gegenüber Fig. 3, daß der Drallerzeuger 100
nunmehr aus vier Teilkörpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut
ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen zu jedem Teilkör
per sind mit Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Konfi
guration ist zu sagen, daß sie sich aufgrund der damit er
zeugten, geringeren Drallstärke und im Zusammenwirken mit ei
ner entsprechend vergrößerten Schlitzbreite bestens eignet,
das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungsseitig des
Drallerzeugers im Mischrohr zu verhindern, womit das Misch
rohr die ihm zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.
Fig. 5 unterscheidet sich gegenüber Fig. 4 insoweit, als hier
die Teilkörper 140, 141, 142, 143 eine Schaufelprofilform ha
ben, welche zur Bereitstellung einer gewissen Strömung vorge
sehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Drallerzeu
gers die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes
116 in den Verbrennungsluftstromes 115 geschieht aus dem In
nern der Schaufelprofile heraus, d. h. die Brennstoffleitung
108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert. Auch
hier sind die Längssymmetrieachsen zu den einzelnen Teilkör
pern mit Buchstabe a gekennzeichnet.
Fig. 6 zeigt das Übergangsstück 200 in dreidimensionaler An
sicht. Die Übergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger
100 mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 4 oder 5,
aufgebaut. Dementsprechend weist die Übergangsgeometrie als
natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper
vier Übergangskanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche
der genannten Teilkörper verlängert wird, bis sie die Wand
des Mischrohres schneidet. Die gleichen Überlegungen gelten
auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als
den unter Fig. 2 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten
in Strömungsrichtung verlaufende Fläche der einzelnen Über
gangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig
verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf
beschreibt, entsprechend der Tatsache, daß sich vorliegend
der Durchflußquerschnitt des Übergangsstückes 200 in Strö
mungsrichtung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Über
gangskanäle 201 in Strömungsrichtung ist so gewählt, daß der
Rohrströmung anschließend bis zum Querschnittssprung am
Brennkammereintritt noch eine genügend große Strecke ver
bleibt, 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 Übergangs
geometrie und die Maßnahmen im Bereich des Mischrohres
bewirken eine deutliche Steigerung des Axialgeschwindig
keitsprofils zum Mittelpunkt des Mischrohres hin, so daß der
Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegengewirkt wird.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Drallerzeu
gers 100a, der unter den vorangehenden Fig. 2-5 näher
beschrieben worden ist. Wesentlich an Fig. 7 ist die
Darstellung der mittig plazierten Brennstoffdüse 103a, welche
gegenüber dem Anfang 125 des kegeligen Durchflußquerschnit
tes stromauf zurückversetzt ist, wobei die Strecke 126 von
dem gewählten Spraywinkel 105 abhängt, und sie ist ca. so
lang wie der Durchmesser des dortigen Querschnittes. Durch
diese Versetzung kommt die Mündung 104 der Brennstoffdüse
103a im Bereich der kopfseitigen festen Ummantelung 101a,
102a zu stehen. Das durch die Rückversetzung der Brennstoff
düse 103a entstehende Brennstoffspray 105 tritt mit einem
größeren Kegelradius in den von der Hauptströmung der Ver
brennungsluft in den Innenraum 114 des Brenners abgedeckten
Bereich ein, so daß sich das Brennstoffspray 105 in diesem
Bereich nicht mehr als einen festen kompakten Körper verhält,
sondern bereits zu Tropfen zerfallen ist und demnach leicht
durchdringbar ist. Die Zuströmung der Verbrennungsluft 115 in
das Brennstoffspray 105 wird nicht mehr behindert, was sich
auf die Mischungsqualität im positiven Sinne niederschlägt,
dadurch, daß das Brennstoffspray 105 leichter durch die Ver
brennungsluft durchdrungen werden kann. Darüber hinaus, im
Bereich der Ebene der Brennstoffspray-Mündung 104 sind radial
oder quasi-radial angeordnete Öffnungen 124 vorgesehen,
durch welche eine Spülluft in den von der Größe der Brenn
stoffdüse 103a induzierten Querschnitt einströmt. Der Durch
flußquerschnitt dieser Öffnungen 124 wird so gewählt, daß
im Gasbetrieb der durch diese Öffnungen strömenden Luftmas
senstrom nicht ausreicht, um die Rückströmzone (Vgl. Fig. 1)
weiter stromab zu verschieben. Im Flüssigbrennstoffbetrieb
wirkt das Brennstoffspray 105 praktisch als Strahlpumpe,
womit sich der Luftmassenstrom durch die genannten Öffnungen
124 erhöht. Dies bewirkt einen größeren axialen Impuls, der
die Rückströmzone weiter stromab verschiebt, was als gute
Maßnahme gegen eine Rückzündung der Flamme wirkt. Auf die
schematisch dargestellten kegelförmigen Teilkörper 101, 102
wird in Fig. 2-5 näher eingegangen. Dort werden auch Konfigu
ration und Wirkungsweise der tangentialen Lufteintritts
schlitze 119, 120 näher behandelt.
Fig. 8 zeigt, wie am Ende des Mischrohres 20, entlang der
radialen Abschlußkante, welche die Brennerfront 70 bildet,
brennkammerseitig ein Torus 71 ausgespart ist. Grundsätzlich
hängt die Größe dieses Toruses von der Hauptströmung 40
innerhalb der zur Mischstrecke gehörenden Mischrohres 20: Der
Torus 71 wird so gewählt, daß sich die Hauptströmung 40 an
eine von ihr gebildete Torusströmung 72 anlegt, womit die
Drallzahl stark ansteigt. Gleichzeitig resultiert aus dieser
Anlegung eine gegenüber der Brennerachse 60 schrägverlaufende
umgelenkte Hauptströmung 73, welche sich tangential zu der
Torusströmung 72 entwickelt. Diese ursächlich von dem Torus
71 induzierte Strömungsdynamik ist dafür verantwortlich, daß
sich die Rückströmblase 50 gegenüber einer Strömung ohne
Torus gewaltig vergrößert, wie dies in Fig. 1 bildlich ange
deutet ist, und daraus eine Verstärkung der Flammenstabili
sierung in diesem Bereich induziert. Der aus dieser Fig. 8
ersichtliche Torus 71 beschreibt einen Halbkreis, beginnend
an der Innenkante des Mischrohres 20. Die verbleibende
Abschlußkante 70 in radialer Richtung bleibt über den Ver
lauf des halbkreisförmigen Toruses 71 unverändert.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Toruses. Dieser
ist nun von viertelkreisförmigem Verlauf 74 und geht dann in
eine radiale Abschlußkante 75 über, welche von der ursprüng
lichen Brennerfront 70 gemäß Fig. 8 abgesetzt ist. Auch hier
entsteht eine starke Steigerung der Drallzahl, und aus oben
dargelegten Gründen eine Stärkung der Rückströmblase 50.
Bereits aus diesen zwei Beispielen ist ersichtlich, daß die
Ausbildung der Torusse verschiedentlich sein kann. Wichtig
dabei ist, daß die Torusströmung 72 durch die Hauptströmung
40 angetrieben wird, und die letztgenannte dann im Sinne der
Abbildungen umgelenkt wird.
Fig. 10 entspricht, was den Verlauf des Toruses 71 betrifft,
die Gestaltung gemäß Fig. 8. Die Weiterentwicklung betrifft
hier die Torusströmung 72, welche zusätzlich zu der Haupt
strömung 40 noch durch eine Sekundärströmung 76 angetrieben
wird. Diese Sekundärströmung 76 bildet zugleich eine Kühl
luftströmung für die die Brennerfront bildende Abschlußkante
70.
Fig. 11 ist eine weitere Ausgestaltung von Fig. 10, wobei
hier eine grundsätzliche Möglichkeit gezeigt wird, wie im
Zusammenhang mit der Bildung der Torusströmung 72 eine Pilot
stufe 77 mitintegriert werden kann. Ein zur Pilotstufe 77
gehöriger und axial verlaufender Kanal bringt Brennstoff in
die Torusströmung 72 ein, und sorgt für eine Brennstoffpilo
tierung, wobei dieser Kanal in etwa an höchste Stelle des
Toruses 71 einmündet.
Bezugszeichenliste:
10 Buchenring
20 Mischrohr, Teil der Mischstrecke 220
21 Bohrungen, Öffnungen
30 Brennkammer
31 Öffnungen
40 Strömung, Rohrströmung im Mischrohr, Hauptströmung
50 Rückströmzone, Rückströmblase
60 Brennerachse
70 Abschlußkante, Brennerfront
71 Verlauf des Toruses
72 Torusströmung
73 Umgelenkte Hauptströmung
74 Verlauf des Toruses
75 Zurückversetzte Abschlußkante
76 Sekundärströmung, Kühlluft
77 Brennstoffpilotierung, Pilotstufe
100 Drallerzeuger
100a Drallerzeuger
101, 102 Teilkörper
101a, 102b Zylindrische Anfangsteile
101b, 102b Längssymmetrieachsen
103 Brennstoffdüse
103a Brennstoffdüse
104 Brennstoffeindüsung
105 Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)
108, 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
124 Öffnungen
125 Kegelinnenspitze
126 Versetzung der Brennstoffdüse 103a gegenüber 125
130, 131, 132, 133 Teilkörper
131a, 131a, 132a, 133a Längssymmetrieachsen
140, 141, 142, 143 Schaufelprofilförmige Teilkörper
140a, 141a, 142a, 143a Längssymmetrieachsen
200 Übergangsstück, Teil der Mischstrecke 220
201 Übergangskanäle
220 Mischstrecke
20 Mischrohr, Teil der Mischstrecke 220
21 Bohrungen, Öffnungen
30 Brennkammer
31 Öffnungen
40 Strömung, Rohrströmung im Mischrohr, Hauptströmung
50 Rückströmzone, Rückströmblase
60 Brennerachse
70 Abschlußkante, Brennerfront
71 Verlauf des Toruses
72 Torusströmung
73 Umgelenkte Hauptströmung
74 Verlauf des Toruses
75 Zurückversetzte Abschlußkante
76 Sekundärströmung, Kühlluft
77 Brennstoffpilotierung, Pilotstufe
100 Drallerzeuger
100a Drallerzeuger
101, 102 Teilkörper
101a, 102b Zylindrische Anfangsteile
101b, 102b Längssymmetrieachsen
103 Brennstoffdüse
103a Brennstoffdüse
104 Brennstoffeindüsung
105 Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)
108, 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
124 Öffnungen
125 Kegelinnenspitze
126 Versetzung der Brennstoffdüse 103a gegenüber 125
130, 131, 132, 133 Teilkörper
131a, 131a, 132a, 133a Längssymmetrieachsen
140, 141, 142, 143 Schaufelprofilförmige Teilkörper
140a, 141a, 142a, 143a Längssymmetrieachsen
200 Übergangsstück, Teil der Mischstrecke 220
201 Übergangskanäle
220 Mischstrecke
Claims (18)
1. Brenner zum Betrieb einer Brennkammer, im wesentlichen
bestehend aus einem Drallerzeuger für einen Verbren
nungsluftstrom, aus Mitteln zur Eindüsung eines Brenn
stoffes in den Verbrennungsluftstrom, wobei stromab des
Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet ist, welche
innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrich
tung eine Anzahl Übergangskanäle zur Überführung einer
im Drallerzeuger gebildeten Strömung in ein stromab die
ser Übergangskanäle nachgeschaltetes in eine Brenner
front übergehendes Mischrohr aufweist, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Brennerfront (70) brennkammerseitig
mit mindestens einer torusähnlichen Einkerbung (71, 74)
ausgebildet ist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die torusähnliche Einkerbung (71) in der Brennerfront
(70) einen Halbkreis beschreibt.
3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die torusähnliche Einkerbung (74) in der Brennerfront
(70) einen Viertelkreis beschreibt, der anschließend in
eine von der Brennerfront (70) abgesetzte Abschlußkante
(75) übergeht.
4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Verlauf der torusähnlichen Einkerbung (71, 74) am
Übergang zwischen Innenwand des Mischrohres (20) und
der Brennerfront (70) beginnt.
5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die torusähnliche Einkerbung (71, 74) mindestens mit
einem in eine dort gebildeten Torusströmung (72) einmün
denden Kanal zur Einströmung einer Sekundärluft (76)
und/oder eines Brennstoffes (77) versehen ist.
6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl der Übergangskanäle (201) in der Misch
strecke (220) der Anzahl der vom Drallerzeuger (100,
100a) gebildeten Teilströme entspricht.
7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das den Übergangskanälen (201) nachgeschaltete Misch
rohr (20) in Strömungs- und Umfangsrichtung mit Öffnun
gen (21) zur Eindüsung eines Luftstromes ins Innere des
Mischrohres (20) versehen ist.
8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Öffnungen (21) unter einem spitzen Winkel gegenüber
der Brennerachse (60) des Mischrohres (20) verlaufen.
9. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Durchflußquerschnitt des Mischrohres (20) stromab
der Übergangskanäle (201) kleiner, gleich groß oder
größer als der Querschnitt der im Drallerzeuger (100,
100a) gebildeten Strömung (40) ist.
10. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
stromab der Mischstrecke (220) eine Brennkammer (30)
angeordnet ist, daß zwischen der Mischstrecke (220) und
der Brennkammer (30) ein Querschnittssprung vorhanden
ist, der den anfänglichen Strömungsquerschnitt der
Brennkammer (30) induziert, und daß im Bereich dieses
Querschnittssprunges eine Rückströmzone (50) wirkbar
ist.
11. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
stromauf der Brennerfront (70) ein Diffusor und/oder
eine Venturistrecke vorhanden ist.
12. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Drallerzeuger (100, 100a) aus mindestens zwei hoh
len, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinanderge
schachtelten Teilkörpern (101, 102; 130, 131, 132, 133;
140, 141, 142, 143) besteht, daß die jeweiligen Längs
symmetrieachsen (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 tan
gentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluft
stromes (115) bilden, und daß im von den Teilkörpern
gebildeten Innenraum (114) mindestens eine Brennstoff
düse (103, 103a) angeordnet ist.
13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren
Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeord
net sind.
14. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Teilkörper (140, 141, 142, 143) im Querschnitt eine
schaufelförmige Profilierung aufweisen.
15. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Teilkörper in Strömungsrichtung einen festen Kegel
winkel, oder eine zunehmende Kegelneigung, oder eine
abnehmende Kegelneigung aufweisen.
16. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Teilkörper spiralförmig ineinandergeschachtelt sind.
17. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Brennstoffdüse (103) gegenüber dem Anfang der tan
gentialen Kanäle (119, 120) um eine Strecke (126)
zurückversetzt ist.
18. Brenner nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strecke (126) radiale oder quasi-radiale Kanäle
(124) zur Einströmung einer Sekundärluft aufweist.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19639301A DE19639301A1 (de) | 1996-09-25 | 1996-09-25 | Brenner zum Betrieb einer Brennkammer |
DE59703346T DE59703346D1 (de) | 1996-09-25 | 1997-09-02 | Brenner zum Betrieb einer Brennkammer |
EP97810621A EP0833104B1 (de) | 1996-09-25 | 1997-09-02 | Brenner zum Betrieb einer Brennkammer |
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CN97119554A CN1109843C (zh) | 1996-09-25 | 1997-09-25 | 控制燃烧室的燃烧器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19639301A DE19639301A1 (de) | 1996-09-25 | 1996-09-25 | Brenner zum Betrieb einer Brennkammer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19639301A1 true DE19639301A1 (de) | 1998-03-26 |
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Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19639301A Withdrawn DE19639301A1 (de) | 1996-09-25 | 1996-09-25 | Brenner zum Betrieb einer Brennkammer |
DE59703346T Expired - Lifetime DE59703346D1 (de) | 1996-09-25 | 1997-09-02 | Brenner zum Betrieb einer Brennkammer |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP (1) | JP3904684B2 (de) |
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DE (2) | DE19639301A1 (de) |
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- 1997-09-22 JP JP25637597A patent/JP3904684B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1997-09-25 CN CN97119554A patent/CN1109843C/zh not_active Expired - Lifetime
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DE59703346D1 (de) | 2001-05-17 |
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Representative=s name: ROESLER, U., DIPL.-PHYS.UNIV., PAT.-ANW., 81241 MU |
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