DE19654009B4 - Vormischbrenner zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff - Google Patents

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

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Abstract

Vormischbrenner zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff, wobei eine Verbrennungsluft durch tangentiale Lufteintrittskanäle in eine durch die axiale Erstreckung des Vormischbrenners gebildete Vormischstrecke einströmt, und wobei der Vormischbrenner eine Ausgestaltung aufweist oder Mittel beinhaltet, welche eine kritische Drallzahl an dessen Ausgang induzieren, dadurch gekennzeichnet, dass die tangentialen Lufteintrittskanäle (5, 6) in einer Endphase (5a, 6a) des Vormischbrenners für eine symmetrische Drallströmung ausgestaltet sind, und dass stromauf dieser Endphase (5a, 6a) die Lufteintrittskanäle (5, 6) zueinander über mindestens eine Strecke eine unterschiedliche Durchflussöffnung (5b, 6b; 5c, 6c, 5d, 6d) zur Erzeugung einer asymmetrischen Drallströmung aufweisen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine bekannte Möglichkeit, einen ablösungsfreien Drallkörper zu bauen, besteht darin, einen Rohrmantel mit tangentialen Lufteintrittskanälen oder Lufteintrittsschlitzen zu versehen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Darstellung der Erfindung
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der eingangs genannten Art Vorkehrungen vorzuschlagen, welche dahin zielen, die sich auf der Brennerachse bildende Zone gegen einen Flammenrückschlag zu stärken.
  • 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.
  • Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigt:
  • 1 einen Vormischbrenner, in perspektivischer Darstellung,
  • 2 eine weitere perspektivische Darstellung des Vormischbrenners gemäss 1, in vereinfachter Form,
  • 3 eine schematische Darstellung über die Ausbildung der Durchflussöffnungen der Lufteintrittskanäle und
  • 4-6 entsprechende Schnitte durch verschiedene Ebenen innerhalb der axialen Erstreckung des Vormischbrenners.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn über die Brennstoffleitungen 13, 14 statt gasförmige nun flüssige Brennstoffe zugeführt werden sollten.
  • Bei der Gestaltung der kegelförmigen Teilkörper 1, 2 hinsichtlich der Zunahme des Strömungsquerschnittes sowie der Breite der tangentialen Lufteintrittskanaäle 5, 6 sind an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 7 am Ausgang des 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Was die Anzahl der Lufteintrittskanäle betrifft, so ist der Vormischbrenner nicht auf die gezeigte Anzahl beschränkt.
  • Eine grössere Anzahl ist beispielsweise dort angezeigt, wo es darum geht, die Vorvermischung breiter anzulegen, oder die Drallzahl und somit die davon abhängige Bildung der Rückströmzone 24 durch eine grössere Anzahl Lufteintrittskanäle entsprechend zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang wird auf EP-A2-0 704 657 verwiesen, wobei diese Druckschrift integrierender Bestandteil vorliegender Beschreibung ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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

Claims (8)

  1. Vormischbrenner zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff, wobei eine Verbrennungsluft durch tangentiale Lufteintrittskanäle in eine durch die axiale Erstreckung des Vormischbrenners gebildete Vormischstrecke einströmt, und wobei der Vormischbrenner eine Ausgestaltung aufweist oder Mittel beinhaltet, welche eine kritische Drallzahl an dessen Ausgang induzieren, dadurch gekennzeichnet, dass die tangentialen Lufteintrittskanäle (5, 6) in einer Endphase (5a, 6a) des Vormischbrenners für eine symmetrische Drallströmung ausgestaltet sind, und dass stromauf dieser Endphase (5a, 6a) die Lufteintrittskanäle (5, 6) zueinander über mindestens eine Strecke eine unterschiedliche Durchflussöffnung (5b, 6b; 5c, 6c, 5d, 6d) zur Erzeugung einer asymmetrischen Drallströmung aufweisen.
  2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (1, 2) besteht, dass die Mittelachsen (3, 4) dieser Teilkörper (1, 29) zueinander versetzt verlaufen, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper (1, 2) tangentiale Lufteintrittskanäle (5, 6) für eine Verbrennungsluft (7) bilden, und dass der Vormischbrenner mit mindestens einer Brennstoffdüse (11, 15) betreibbar ist.
  3. Vormischbrenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Endphase (5a, 6a) jeweils auf eine Teilstrecke (5b) mit einer grösseren Durchflussöffnung gegenüber derjenigen der Endphase (5a, 6a) eine solche (5c) mit einer kleineren Durchflussöffnung folgt, und dass sich die Grösse der Durchflussöffnungen bei den entsprechenden Teilstrecken (6b, 6c) im entgegengesetzten Lufteintrittskanal umgekehrt verhalten.
  4. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (11) kopfseitig und auf der Brennerachse (26) angeordnet ist.
  5. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle (5, 6) in Längserstreckung des Vormischbrenners eine Anzahl von zueinander beabstandeten Brennstoffdüsen (15) angeordnet sind.
  6. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelhohlraum (8) in Strömungsrichtung gleichförmig zunimmt.
  7. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelhohlraum (8) in Strömungsrichtung einen Diffusor, einen diffusorähnlichen Verlauf, einen Konfusor, einen konfusorähnlichen Verlauf bildet.
  8. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (1, 2) spiralförmig ineinander geschachtelt sind.
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