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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner gemäss Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine
bekannte Möglichkeit,
einen ablösungsfreien
Drallkörper
zu bauen, besteht darin, einen Rohrmantel mit tangentialen Lufteintrittskanälen oder Lufteintrittsschlitzen
zu versehen.
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Auf
diese Weise entsteht ein Potentialwirbel, der axial abströmt. Es zeigt
sich aber, dass Wirbelrückströmzonen in
einem Potentialwirbel schlechte Stabilitätseigenschaften aufweisen.
Will man stabile Wirbelrückströmzonen erzielen,
so muss das axiale Profil der vom Drallkörper erzeugten Wirbelströmung im
Zentrum, also auf der Brennerachse, drallarm sein und dort einen
Axialgeschwindigkeitsüberschuss
aufweisen.
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Diese
Ueberlegungen, nämlich
die Vorzüge eines
Potentialwirbels und eines strömungsmechanisch
perfekten Drallkörpers
zu kombinieren, haben zu einem Brenner gemäss EP-B1-0 321 809 geführt.
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Bei
diesem Brenner entsteht, insbesondere beim Betrieb mit einem flüssigen Brennstoff,
die immanente Gefahr, dass die Flamme ins Innere des Brenners wandern
kann, und zwar immer dann, wenn die Axialgeschwindigkeit im Zentrum
unter einem bestimmten Wert fällt.
Dann kann sich die Flamme entgegen der Strömungsrichtung ungehindert ausbreiten.
Die Flamme wandert dann in den Brenner hinein, wobei in der Folge
im allgemeinen Ueberhitzungsprobleme auftreten. Die Erzeugung eines
Drallströmungsfeldes,
die gewichtig zu einer Rückströmzone, auch
Rückströmblase genannt,
am Ausgang des Brenners führt,
erfordert das Einschliessen der Strömung in einen an sich rotationssymmetrischen Raum,
wobei dann nicht zu umgehen ist, dass gerade im Zentrum eine "schlauchförmige" Zone entsteht, welche
auf einen Flammenrückschlag
in Gegenströmrichtung
anfällig
ist.
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Darstellung
der Erfindung
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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 vorzuschlagen, welche dahin
zielen, die sich auf der Brennerachse bildende Zone gegen einen
Flammenrückschlag
zu stärken.
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Erfindungsgemäss wird
dies erreicht, indem die regelmässige
Ausbreitung der "schlauchförmigen" Zone innerhalb des
Brenners gestört
wird. An ihrer Stelle soll im Zentrum des Brenners in axialer Richtung
eine drallmässige
Unordnung entstehen, dergestalt, dass sich die Flamme vom Brennraum aus
entlang der Brennerachse in den Brenner nicht mehr fortpflanzen
kann. Dabei wird die Störung
der "schlauchförmigen" inneren Zone in
axialer Richtung durch gezielte Einströmungsverhältnisse streckenweise und in
unregelmässiger
Weise untereinander erstellt. Nur in der Endphase des Brenners,
im Bereich der sich dort anschliessend bildenden Rückströmzone, wird
wieder eine Drallsymmetrie geschaffen, womit die Interdependenz
zwischen Drallsymmetrie und Rückströmzone wieder
wirksam eingreift. Stromauf dieser drallsymmetrieschen Strecke herrscht
jene strömungstechnische
Unordnung, welche verhindert, dass die Flamme ungehindert zurückschlagen
kann.
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Vorteilhafte
und zweckmässige
Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind
in den weiteren abhängigen
Ansprüchen
gekennzeichnet.
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Im
folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert. Alle
für das
unmittelbare Verständnis
der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen worden.
Die Strömungsrichtung
der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigt:
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1 einen
Vormischbrenner, in perspektivischer Darstellung,
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2 eine
weitere perspektivische Darstellung des Vormischbrenners gemäss 1,
in vereinfachter Form,
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3 eine
schematische Darstellung über die
Ausbildung der Durchflussöffnungen
der Lufteintrittskanäle
und
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4-6 entsprechende
Schnitte durch verschiedene Ebenen innerhalb der axialen Erstreckung
des Vormischbrenners.
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Wege
zur Ausführung
der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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1 zeigt
einen Vormischbrenner in perspektivischer Darstellung. Zum besseren
Verständnis des
Gegenstandes ist es vorteilhaft, wenn gleichzeitig bei der Erfassung
von 1 mindestens auch 2 herangezogen
wird. Diese zwei Figuren haben hauptsächlich den Zweck, die Art und
die Funktionsweise eines solchen Brenners abzustecken. Die restlichen
Figuren werden dann auf die Ausgestaltung der Durchflussöffnungen
der tangentialen Lufteintrittskanäle näher beschrieben.
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Der
Vormischbrenner gemäss 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 Konfusor-
oder konfusorähnliche
Form. Diese Formen sind vorliegend nicht speziell dargestellt, da
sie dem Fachmann ohne weiteres geläufig sind. Die Versetzung der
jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachse
der Teilkörper 1, 2 zueinander (Vgl. 2, 4-6,
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 Vormischbrenners,
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 Vormischbrenners vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils
ist eine Düse 11 zur
vorzugsweisen 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 Vormischbrenners.
Der durch die Düse 11 eingedüsten 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 zu bewerkstelligen.
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Selbstverständlich kann
der Vormischbrenner 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. 2, 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.
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Brennraumseitig
weist der Vormischbrenner 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.
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Wird
zum Betrieb des Vormischbrenners 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 Vormischbrenner 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 Lufteintrittskanäle 5, 6 zustande
kommt.
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Bei
der Eindüsung
des flüssigen
Brennstoffes 12 über
die Düse 11 wird
am Ende des Vormischbrenners 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 innerhalb der durch die Länge des
Vormischbrenners induzierten Vormischstrecke.
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Die
gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn über die Brennstoffleitungen 13, 14 statt
gasförmige
nun flüssige
Brennstoffe zugeführt
werden sollten.
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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 Vormischbrenners einstellen
kann. Die kritische Drallzahl stellt sich am Ausgang des Vormischbrenners
ein: Dort bildet sich auch eine Rückströmzone 24 (Vortex Breakdown)
mit einem gegenüber
der dort wirkenden Flammenfront 25 stabilisierenden Effekt,
in dem Sinne, dass die Rückströmzone 24 die
Funktion eines körperlosen
Flammenhalters übernimmt.
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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 Vormischbrenners kann somit nur bei äussersten
Betriebbedindungen auftreten, wobei dann die Lösung gemäss 3-6 eingreift.
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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 Vormischbrenners
eignet sich des weiteren vorzüglich,
die Durchflussöffnung
der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 nach
Bedarf zu verändern,
womit ohne Veränderung
der Baulänge
des Vormischbrenners 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. 2,
Pos. 21) derselben im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6,
wie dies aus 2 hervorgeht, bewerkstelligt
werden kann. Es ist sodann auch möglich, die Teilkörper 1, 2 durch
eine gegenläufige
drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln.
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Durch
eine in diesem Vormischbrenner erreichbare homogenere Gemischbildung
zwischen den eingedüsten
Brennstoffen 11, 12 und der Verbrennungsluft 7 erzielt
man tiefere Flammentemperaturen und damit tiefere Schadstoff-Emissionen,
insbesondere tiefere NOx-Werte. Sodann reduzieren diese tieferen
Temperaturen die thermische Belastung für das Material an der Brennerfront
und machen beispielweise eine Sonderbehandlung der Oberfläche nicht
zwingend.
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Was
die Anzahl der Lufteintrittskanäle
betrifft, so ist der Vormischbrenner nicht auf die gezeigte Anzahl
beschränkt.
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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.
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Vormischbrenner
der hier beschriebenen Art sind auch solche, welche zur Erzielung
einer Drallströmung
von einem zylindrischen oder quasi-zylindrischen Rohr ausgehen,
die Einströmung
der Verbrennungsluft ins Innere des Rohres über ebenfalls tangential angelegte
Lufteintrittskanäle
bewerkstelligt wird, und im Innern des Rohres einen kegelförmigen Körper mit
in Strömungsrichtung
abnehmendem Querschnitt angeordnet ist, womit auch mit dieser Konfiguration
eine kritische Drallzahl am Ausgang des Brenners erzielbar ist.
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2 zeigt
den gleichen Vormischbrenner gemäss 1,
jedoch aus einer anderen Perspektive und in vereinfachter Darstellung.
Diese 2 soll wesentlich dazu dienen, die Konfiguration
dieses Vormischbrenners einwandfrei zu erfassen. Insbesondere ist
in dieser 2 die Versetzung der beiden Teilkörper 1, 2 zueinander,
bezogen auf die Hauptmittelachse 26 des Vormischbrenners,
welche der Hauptachse der zentralen Brennstoffdüse 11 entspricht,
recht gut ersichtlich. Diese Versetzung induziert an sich die Grösse der
Durchflussöffnungen
der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6.
Die Mittelachse 3, 4 verlaufen hier parallel zueinander.
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3 ist
eine schematisch gehaltene Draufsicht auf den Vormischbrenner und
zeigt nunmehr die Gestaltung der tangentialen Lufteintrittskanäle, welche
eine Stärkung
der Flammenfront gegen ein ungehindertes Rückschlagen derselben ins Innere
des Vormischbrenners bewirkt. Die Gestaltung geht dahin, nur in
einer Endphase 5a, 6a der Drallbildung im Vormischbrenner
eine gleich grosse Durchflussöffnung
der tangentialen Lufteintrittskanäle vorzusehen, womit die Flammenfront
dann nicht asymmetriesch angeströmt
wird. Stromaufwärts
werden die tangentialen Lufteintrittskanäle, was ihre Durchflussöffnung anbelangt,
streckenweise unterschiedlich gehalten, dergestalt, dass eine Verkleinerung
der Durchflussöffnung
bei einem Streckenabschnitt 6b, 6d des einen Lufteintrittskanals
eine entsprechende Vergrössung
für den
selben Streckenabschnitt 5b, 5d im gegenüberliegenden
Lufteintrittskanal hervorruft, und umgekehrt. Wie aus 3 ersichtlich
ist, wird diese wechselweise Aenderung (5b gegenüber 5c gegenüber 5d auf
der einen Seite, und 6b gegenüber 6c gegenüber 6d auf
der anderen Seite) der Durchflussöffnungen stromaufwärts intermittierend
gehalten. Somit herrscht innerhalb jener gefährdeten Strecke des Vormischbrenners
eine völlige,
sich jedoch gegenseitig stabilisierende Drallunordnung auf der Brennerachse,
welche verhindert, dass die Flammenfront ungehindert zurückschlagen
kann. Für
die Symmetrie-Bedürfnisse
der Rückströmzone wird
in der Endphase des Vormischbrenners Genüge getan. Die streckenweise
unterschiedlichen Durchflussöffnungen
können
statisch vordisponiert werden, oder wie später unter 4-6 noch
zur Erläuterung
kommen wird, dynamisch nach den jeweiligen Bedürfnissen eingestellt werden.
Eine fortlaufende geregelte Veränderung
der Grösse
der Duchflussöffnung,
beispielweise aufgrund eines gemessenen Wertes über die Flammenstabilität, ist auch
möglich.
Die Anzahl der Unterschiedlichen Abschnitte 5b-d, 6b-d,
was die Durchflüssöffnungen
betrifft, wird von Fall zu Fall bestimmt.
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Die 4-6 sind
einzelne schematisch gehaltene Schnitte durch den Vormischbrenner,
deren Ebenen aus 3 hervorgeht. 4 stellt
die anfängliche
Strecke des Vormischbrenners, 5 einen
intermediären
Abschnitt, während 6 die Endphase
des Vormischbrenners darstellt. Im letztgenannten Abschnitt 5a, 6a sind
die Durchflussöffnungen
beider Strecken der tangentialen Lufteintrittskanäle gleich
gross.
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Bei 4 und 5 sind
sie entsprechend verschieden gross zueinander (5b zu 6b, 5c zu 6c, 5d zu 6d).
Die Grösse
der Durchflussöffnung
wird hier durch bewegliche Leitbleche 27a-d und 28a-d
erstellt, welche streckenweise und autonom zueinander entsprechend
eingestellt werden können.
Es ist selbstverständlich,
dass diese Leitbleche strömungskonform
ausgebildet sind.
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- 1
- Kegelförmiger Teilkörper
- 2
- Kegelförmiger Teilkörper
- 3
- Mittelachse
zu 1
- 4
- Mittelachse
zu 2
- 5
- Tangentialer
Lufteintrittskanal
- 5a-d
- Streckenabschnitte
des Lufteintrittskanals
- 6
- Tangentialer
Lufteintrittskanal
- 6a-d
- Streckenabschnitte
des Lufteintrittskanals
- 7
- Verbrennungsluft
- 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
- 27a-d
- Leitbleche
des entsprechenden Abschnitts
- 28a-d
- Leitbleche
des entsprechenden Abschnitts