DE19736902A1 - Brenner für einen Wärmeerzeuger - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für einen Wärmeerzeuger ge­ mäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Eine schadstoffarme Verbrennung von flüssigen Brennstoffen, wie beispielsweise Heizöl EL (= Extra Leicht), erfordert die vollständige Verdampfung der Brennstoff­ tropfen sowie die Vormischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft vor Er­ reichen der Flammenfront. Schon kleine Zonen mit höherer Brennstoffkonzentrati­ on führen in der Reaktionszone zu erhöhten Temperaturen und somit zur verstärk­ ten Bildung von thermischen Stickoxiden.

Aus dem Stand der Technik ist bekanntgeworden, das Öl mit verschiedenen Bauarten von drall- bzw. luftunterstützten zentralen und kopfseitig der Vormisch­ strecke angeordneten Düsen zu zerstäuben. Die so erreichbare Zerstäubungs­ qualität ist indessen bei verschiedenen Betreibungsarten dieser Brenner einge­ schränkt. Dies hängt im wesentlichen damit zusammen, daß der Impuls der sich aus der Brennstoffeindüsung gebildeten Tropfensprays relativ gering ausfällt, womit eine gerichtete Einbringung dieses Brennstoffs in bestimmte Brennerzonen mangelhaft oder gar nicht möglich ist.

Da bei einer solchen Konstellation die Brennstofftropfen schnell von der in die Vormischstrecke einströmende Verbrennungsluft abgebremst werden, können sie sich radial in der einströmenden Verbrennungsluft nicht gut verteilen. Die Folge aus dieser mangelhaften Vormischung ist eine ungenügende Verdampfung des eingedüsten Brennstoffs, die sich darin niederschlägt, daß auf der Brennerachse brennstoffreiche Zonen bilden, welche dann in der Verbrennungszone ursächlich für eine verstärkte Bildung von thermischen Stickoxide verantwortlich sind.

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, durch welche eine perfekte Vormi­ schung des eingesetzten Brennstoffs gewährleistet wird, unter Wahrung einer be­ triebssicheren und optimalen Flammenpositionierung.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Eindüsung des Brennstoffs auf einem gewissen Radius von der Brennerachse vorzunehmen.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß eine Anreiche­ rung der zentralen Zone nachhaltig verhindert wird, und die Brennstofftropfen bei zunehmenden Radius innerhalb der Vormischstrecke eine stärkere radiale Be­ schleunigung ausgesetzt sind, dergestalt, daß sie sich in die dort eintretende Verbrennungsluft gut ein mischen können.

Bei einem aus mehreren Schalen bestehenden Vormischstrecke bestehenden Drallerzeuger eines Brenners, wie dies beispielsweise aus EP-B1-0 321 809 her­ vorgeht, eignet sich gut als Einspritzposition des Brennstoffs die Nachlaufzonen entlang der Leeseite der entsprechenden Schale, bzw. der Leitschaufeln eines entsprechend konzipierten Drallerzeugers. Dort ist das Tropfenspray geringeren aerodynamischen Kräften ausgesetzt, und er wird dementsprechend besser radial in die Verbrennungsluft eingemischt.

Die Anzahl der Eindüsungsstellen ist der Brennerbauform angepaßt, wobei min­ destens eine Eindüsung pro Schale oder Schaufel vorzusehen ist.

Erfindungsgemäß ergeben sich sonach in Verbindung mit einem Vormischbren­ ner der neueren Generation folgende weitere Vorteile:

• a) Stabile Flammenposition;
• b) Tiefere Schadstoff-Emissionen (Co, UHC, NOx);
• c) Minimierung der Pulsationen;
• d) Vollständiger Ausbrand;
• e) Große Betriebsbereich-Abdeckung;
• f) Gute Querzündung zwischen den verschiedenen Brennern, insbesondere bei gestufter Lasterstellung, bei welcher die Brenner untereinander interde­ pendent betrieben werden;
• g) Die Flamme kann der entsprechenden Brennkammergeometrie angepaßt werden;
• h) Kompakte Bauweise;
• l) Verbesserte Mischung der Strömungsmedien;
• j) Verbesserter "Patternfaktor" der Temperaturverteilung in der Brennkammer (= ausgeglichener Temperaturprofil der Brennkammerströmung).

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufga­ benlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwe­ sentlichen Merkmale sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den ver­ schiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungs­ richtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Bezeichnung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 einen Brenner mit anschließender Brennkammer,

Fig. 2 einen Drallerzeuger in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufge­ schnitten,

Fig. 3 einen Schnitt durch den 2-Schalen-Drallerzeuger, nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen 4-Schalen-Drallerzeuger,

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind,

Fig. 6 eine Darstellung der Form der Übergangsgeometrie zwischen Drallerzeu­ ger und Mischrohr,

Fig. 7 eine Abrißkante zur räumlichen Stabilisierung der Rückströmzone und

Fig. 8 einen Drallerzeuger mit einer Drallbeschaufelung.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

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 tangential einströ­ menden Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich hierein bilden­ de Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Übergangsgeometrie nahtlos in ein Übergangsstück 200 übergeleitet, derge­ stalt, daß dort keine Ablösungsgebiete auftreten können. Die Konfiguration dieser Übergangsgeometrie wird unter Fig. 6 näher beschrieben. Dieses Übergangs­ stück 200 ist abströmungsseitig der Übergangsgeometrie durch ein Rohr 20 verlängert, wobei beide Teile das eigentliche Mischrohr 220, auch Mischstrecke genannt, des Brenners bilden. Selbstverständlich kann das Mischrohr 220 aus ei­ nem einzigen Stück bestehen, d. h. dann, daß das Übergangsstück 200 und Rohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmolzen sind, wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Über­ gangsstück 200 und Rohr 20 aus zwei Teilen erstellt, so sind diese durch einen Buchsenring 10 verbunden, wobei dieser kopfseitig als Verankerungsfläche für den Drallerzeuger 100 dient. Ein solcher Buchsenring 10 hat darüber hinaus den Vorteil, daß verschiedene Mischrohre eingesetzt werden können. Abströmungs­ seitig 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 be­ reitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschie­ dener Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 220, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so daß sich auch in Wirkverbindung mit der Übergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffar­ ten 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. Al­ lerdings ist es richtig, daß bei einer solchen Konfiguration diese Axialgeschwin­ digkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unter­ binden, wird das Mischrohr 220 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer An­ zahl regelmäßig oder unregelmäßig verteilten Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das In­ nere des Mischrohres 220 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 220 abströmungsseitig der Übergangskanäle 201, welche die be­ reits genannten Übergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 220 angehoben wird. In der Figur verlaufen diese Bohrungen 21 unter einem spitzen Winkel ge­ genüber der Brennerachse 60. Des weiteren entspricht der Auslauf der Über­ gangskanäle 201 dem engsten Durchflußquerschnitt des Mischrohres 220. Die genannten Übergangskanäle 201 überbrücken demnach den jeweiligen Quer­ schnittsunterschied, 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 Rück­ strömzone 50, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strö­ mungsmäßige 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 Öff­ nungen 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 kön­ nen stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströ­ mungen 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 Eindüsung des Brennstoffes in den Drallerzeuger betrifft, wird auf die nachfolgenden Fig. 2-5 verwiesen. Die Ausgestaltung der Abrißkante am Ende des Mischrohres 220 wird unter Fig. 7 näher beschrieben.

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 unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Fig. 3 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise auf­ genommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 2 nach Be­ darf auf die genannten Figuren hingewiesen.

Der erste Teil des Brenners nach Fig. 1 bildet den nach Fig. 2 gezeigten Draller­ zeuger 100. Dieser besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Anzahl der kegelförmi­ gen Teilkörper kann selbstverständlich größer als zwei sein, wie die Beispiele unter Fig. 4 und 5 zeigen. Die Anzahl der kegelförmigen Teilkörper hängt jeweils davon ab, welche Betriebsart zugrundegelegt wird. Es ist bei bestimmten Be­ triebskonstellationen nicht ausgeschlossen, einen aus einer einzigen Spirale be­ stehenden Drallerzeuger vorzusehen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 201b, 202b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zu­ einander schafft bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Kanal, d. h. einen Lufteintrittsschlitz 119, 120 (Fig. 3), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Drallerzeugers 100, d. h. in den Kegelhohlraum 114 desselben strömt. Die Kegelform der gezeigten Teil­ körper 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 aufwei­ sen, ähnlich einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfaßt, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfind­ bar 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 Hauptdüse 103 vorzugsweise für einen flüssigen Brennstoff 112 untergebracht.

Die Einbringung des Brennstoffes in den Kegelhohlraum 114 geschieht hier über eine dezentrale Einspritzung, welche von einer Anzahl Düsenrohre 104 vorge­ nommen wird. Der Winkel des aus diesen Düsenrohren 104 gebildeten Brenn­ stoffstrahles 105 gegenüber der Brennerachse (Fig. 1, Pos. 60) entspricht in etwa dem kegeligen Verlauf der Teilkörper 101, 102. Ist der Drallerzeuger durch eine in einer Ebene wirkende Schaufelkonfiguration aufgebaut, so entspricht der Winkel der Brennstoffstrahles 105 dem Anstellwinkel der Schaufeln gegenüber der Brennkammerachse. In diesem Zusammenhang wird auf die Fig. 8 verwiesen. Die vorzugsweise vorzusehende Einspritzposition des Brennstoffstrahles 105 hinsicht­ lich der Einströmungsebene der Verbrennungsluft 115 wird unter Fig. 3-5 näher erläutert. Die Eindüsungskapazität und Eindüsungsart der einzelnen Düsenrohre 104 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. Je nach Brennerbaugröße läßt sich vorzugsweise eine turbulenzunterstützte Druckzerstäubungsdüse bei den einzelnen Düsenrohren 104 vorsehen, wobei der Einspritzdruck zum Erreichen von guten Zerstäubungsqualitäten etwa 100 bar be­ tragen sollte. Die Länge der Düsenrohre 104 ist dem erforderlichen Einspritzradius anzupassen, sollte aber nicht mehr als 1/4 der Teilkörper resp. Schaufellänge (Fig. 8) betragen, da sonst die immanente Gefahr besteht, daß bei einem Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen die Düsenrohre 104 als Flammenhalter wirken. Für lange Teilkörper resp. Schaufeln (Fig. 8) ist eine dezentrale Einspritzung vorzuse­ hen, bei welcher die Düsenrohre 104 direkt aus den Teilkörper resp. Schaufeln (Fig. 8) in deren Nachlaufströmung austritt. Somit kann der Brennstoff gezielt in Zonen hoher Luftgeschwindigkeit gespritzt werden. Auch läßt sich mithin ein Be­ trieb bei minimierten Schadstoff-Emissionen aufrechterhalten, der ohne Wasser­ zugabe auskommt. Wesentlich ist sodann, daß die feine Zerstäubung, verbunden mit einem hohen Brennstoffimpuls, gute Voraussetzungen für eine schnelle Ver­ dampfung des Brennstoffes sowie eine maximierte Vormischung bietet.

Selbstverständlich kann der Drallerzeuger 100 rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 wei­ sen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tan­ gentialen 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 vorzugs­ weise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Ke­ gelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu er­ halten. Bei dem durch die Hauptdüse 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. 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 innerhalb der durch die Länge des Brenners gebildeten Vormischstrecke, bevor dieses Gemisch in die nachge­ schaltete Verbrennungsstufe 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 Kegelwin­ kels und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind an sich en­ ge Grenzen einzuhalten, 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 Drallerzeugers begünstigt. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Drallerzeugers 100 läßt sich durch eine entsprechende Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes 115a verändern, wobei diese Lufteinströmung so gehalten wird, daß sie den Brennstoffstrahl 105 nicht tangiert oder negativ beeinflußt. Eine entsprechende Drallerzeugung verhindert die Bildung 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 Baulän­ ge des Drallerzeugers 100 eine relativ große betriebliche Bandbreite erfaßt wer­ den 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 gegenläufig drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschach­ teln. Somit ist es möglich, die Form, die Größe und die Konfiguration der tangen­ tialen Lufteintriftsschlitze 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 Strömungseinleitungsfunktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströ­ mungsrichtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisie­ rung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Öffnen bzw. Schließen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts die­ ses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgröße der tangen­ tialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 dynamisch verändert werden soll. Selbstver­ ständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen wer­ den, indem 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 vogesehen werden.

Fig. 4 zeigt gegenüber Fig. 3, daß der Drallerzeuger 100 nunmehr aus vier Teil­ körpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrie­ achsen zu jedem Teilkörper sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Konfiguration ist zu sagen, daß sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringe­ ren Drallstärke und im Zusammenwirken mit einer entsprechend vergrößerten Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungssei­ tig des Drallerzeugers im Mischrohr zu verhindern, womit das Mischrohr 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 haben, welche zur Bereitstellung einer ge­ wissen Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Draller­ zeugers die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Ver­ brennungsluftstromes 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 Teilkörpern mit der Buchstabe a gekennzeichnet.

In den vorgenannten Fig. 3-5 ist die innerhalb des Durchströmungsquerschnitt positionierten Einsspitzpositionen des Brennstoffstrahles 105 gezeigt, welche der Strömung der Verbrennungsluft abgekehrten Seiten entspricht. Im Normalfall wird zu jeder Verbrennungslufteinströmung ein Düsenrohr vorgesehen, wobei eine sol­ che Zuordnung nicht unabdingbar ist. Vorzugsweise wird die Anzahl Brenn­ stoffstrahlen der Brennerbauform angepaßt. Die einzelnen Brennstoffstrahlen 105 werden dahingehend positioniert, daß sie, unter Einhaltung des unter Fig. 3 zugrundegelegten Winkels des Brennstoffstrahles, entlang der Leeseite der Teil­ körper 101 und 102, 130-133, 140-143, wie dies aus den Fig. 3-5 hervorgeht, resp. der Leitschaufeln bei einer Konfiguration des Drallerzeugers gemäß Fig. 8 wir­ ken. Dort ist das Tropfenspray geringeren aerodynamischen Kräften ausgesetzt, so daß es besser radial in die Verbrennungsluft 115 eingemischt wird.

Fig. 6 zeigt das Übergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Über­ gangsgeometrie 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 Übergangs­ kanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche der genannten Teilkörper verlän­ gert wird, bis sie die Wand des Rohres 20 resp. des Mischrohres 220 schneidet. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem an­ deren Prinzip, als den unter Fig. 2 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung verlaufende Fläche der einzelnen Übergangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, daß sich vorlie­ gend der Durchflußquerschnitt des Übergangsstückes 200 in Strömungsrich­ tung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Übergangskanäle 201 in Strömungs­ richtung ist so gewählt, daß der Rohrströmung anschließend bis zum Quer­ schnittssprung am Brennkammereintritt noch eine genügend große Strecke ver­ bleibt, um eine perfekte Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu be­ werkstelligen. Ferner erhöht sich durch die oben genannten Maßnahmen auch die Axialgeschwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeugers. Die Übergangsgeometrie und die Maßnahmen im Bereich des Mischrohres bewir­ ken eine deutliche Steigerung des Axialgeschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt des Mischrohres hin, so daß der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entge­ gengewirkt wird.

Fig. 7 zeigt die bereits angesprochene Abrißkante, welche am Brenneraustritt gebildet ist. Der Durchflußquerschnitt des Rohres 20 erhält in diesem Bereich ei­ nen Übergangsradius R, dessen Größe grundsätzlich von der Strömung inner­ halb des Rohres 20 abhängt. Dieser Radius R wird so gewählt, daß sich die Strömung an die Wand anlegt und so die Drallzahl stark ansteigen läßt. Quanti­ tativ läßt sich die Größe des Radius R so definieren, daß dieser < 10% des In­ nendurchmessers d des Rohres 20 beträgt. Gegenüber einer Strömung ohne Ra­ dius vergrößert sich nun die Rückströmblase 50 gewaltig. Dieser Radius R ver­ läuft bis zur Austrittsebene des Rohres 20, wobei der Winkel ß zwischen Anfang und Ende der Krümmung < 90° beträgt. Entlang des einen Schenkels des Winkels ß verläuft die Abrißkante A ins Innere des Rohres 20 und bildet somit eine Ab­ rißstufe S gegenüber dem vorderen Punkt der Abrißkante A, deren Tiefe < 3 mm beträgt. Selbstverständlich kann die hier parall zur Austrittsebene des Rohres 20 verlaufende Kante anhand eines gekrümmten Verlaufs wieder auf Stufe Austritt­ sebene gebracht werden. Der Winkel β', der sich zwischen Tangente der Abriß­ kante A und Senkrechte zur Austrittsebene des Rohres 20 ausbreitet, ist gleich groß wie Winkel β. Auf die Vorteile dieser Ausbildung ist bereits oben unter dem Kapitel "Darstellung der Erfindung" näher eingegangen.

Fig. 8 zeigt einen Drallerzeuger 150, welcher anhand einer Drallbeschaufelung 151 aufgebaut ist. Konzentrisch zu der mit Brennstoff 112 gespiesenen zentra­ len Hauptdüse 103 wird ein Drallerzeuger disponiert, welcher aus einer Drallbe­ schaufelung 151 besteht, d. h. die hier ringförmig angeordneten Schaufeln bewir­ ken einen Drall, analog demjenigen aus Fig. 2. Die zugeführte Verbrennungsluft 115 kann hier anhand eines nicht näher gezeigten ringförmigen Kanals erfolgen, der sich stromaufwärts der Drallbeschaufelung 151 erstreckt. Stromab der Drall­ beschaufelung 151 weist die zentrale Hauptbrennstoffdüse 103 eine Anzahl Dü­ senrohre 104 auf, deren Brennstoffstrahl 105 dem Anstellwinkel der Drallbeschau­ felung 151 gegenüber der Brennerachse 60 resp. der Achse der Brennkammer 30 entspricht. Auch hier erfolgt die Einspritzung in die Nachlaufzonen entlang der Leeseite der einzelnen Schaufeln dieser Drallbeschaufelung 151, wie dies weiter oben umfassend dargelegt worden ist, wobei auch bei dieser Konfiguration ge­ mäß Fig. 8 die gleichen Wirkungen wie oben dargelegt erzielt werden.

Bezugszeichenliste

10

Buchenring

20

Rohr

21

Bohrungen, Öffnungen

30

Brennkammer

31

Öffnungen

40

Strömung, Rohrströmung im Mischrohr

50

Rückströmzone, Rückströmblase

60

Brennerachse

100

Drallerzeuger

101

,

102

Teilkörper

101

a,

102

b Zylindrische Anfangsteile

101

b,

102

b Längssymmetrieachsen

103

Brennstoff-Hauptdüse

104

Düsenrohr

105

Brennstoffsstrahl

108

,

109

Brennstoffleitungen

112

Flüssiger Brennstoff

113

Gasförmiger Brennstoff

114

Kegelhohlraum

115

Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)

115

a Axialer Verbrennungsluftstrom

116

Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen

108

,

109

117

Brennstoffdüsen

119

,

120

Tangentiale Lufteintrittsschlitze

121

a,

121

b Leitbleche

123

Drehpunkt der Leitbleche

130

,

131

,

132

,

133

Teilkörper

131

a,

131

a,

132

a,

133

a Längssymmetrieachsen

140

,

141

,

142

,

143

Schaufelprofilförmige Teilkörper

140

a,

141

a,

142

a,

143

a Längssymmetrieachsen

150

Drallerzeuger

151

Schaufeln

200

Übergangsstück

201

Übergangskanäle

220

Mischrohr
d Innendurchmesser des Rohres

20

R Übergangsradius
T Tangentiale der Abrißkante
A Abrißkante
S Abrißstufe
β Übergangswinkel von R
β' Winkel zwischen T und A

Claims (20)

1. Brenner für eine Wärmeerzeugung mit einem stromauf der Verbrennungs­ zone angeordneten Drallerzeuger, welcher in Wirkverbindung mit minde­ stens einer Brennstoffdüse steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (104) abströmungsseitig des Drallerzeugers (100, 150) an­ geordnet ist, und daß der Eindüsungswinkel des zur Brennstoffdüse (104) gehörigen Brennstoffstrahls (105) annähernd dem Anstellwinkel der den Drallerzeuger bildenden Elemente (101, 102; 130-133; 140-143; 151) ge­ genüber der Achse (60) des Brenners oder der Brennkammer (30) ent­ spricht.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn­ stoffstrahl (105) entlang der der Strömung abgekehrten Seite der den Drallerzeuger (100, 150) bildenden Elemente gerichtet ist.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallerzeuger (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102; 130-133; 140-143) be­ steht, daß die jeweiligen Längssymmetrieachsen (101b, 102b; 130a-133a; 140a-143a) dieser Teilkörper zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß die benachbarten Wandungen der Teilkörner in deren Längserstrec­ kung tangentiale Kanäle (119, 120) für eine Durchströmung eines Verbren­ nungsluftstromes (115) bilden.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein axialer Ver­ brennungsluftstrom (115a) kopfseitig in den Drallerzeuger (100) einführbar ist.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallerzeuger aus einer Anzahl kreisförmig angeordneter Schaufeln (151) besteht.

6. Brenner nach den Ansprüchen 1 bis 4 oder 1, 2 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anzahl der Brennstoffdüsen (104) mindestens der An­ zahl der drallbildenden Elemente des Drallerzeugers (100, 150) entspricht.

7. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß stromab des Drallerzeugers (100) eine Mischstrecke (220) angeordnet ist, welche inner­ halb eines ersten Streckenteils (200) in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle (201) zur Überführung einer im Drallerzeuger (100) gebildeten Strömung (40) in ein stromab der Übergangskanäle (201) nachgeschaltetes Rohr (20) aufweist.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austriftsebe­ ne des Rohres (20) zur Brennkammer (30) mit einer Abrißkante (A) zur Stabilisierung und Vergrößerung einer sich stromab bildenden Rückström­ zone (50) ausgebildet ist.

9. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Übergangskanäle (201) in der Mischstrecke (220) der Anzahl der vom Drallerzeuger (100) gebildeten Teilströme entspricht.

10. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das der Über­ gangskanäle (201) nachgeschaltete Rohr (20) in Strömungs- und Um­ fangsrichtung mit Öffnungen (21) zur Eindüsung eines Luftstromes ins In­ nere des Rohres (20) versehen ist.

11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (21) unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse (60) des Rohres (20) verlaufen.

12. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abrißkante (A) aus einem Übergangsradius (R) im Bereich der Austrittsebene des Rohres (20) und einer von der Austrittsebene des Rohres (20) abgesetzten Abrißstufe (S) besteht.

13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Über­ gangsradius (R) < 10% des Innendurchmessers des Rohres (20) beträgt, und daß die Abrißstufe (S) eine Tiefe < 3 mm aufweist.

14. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß­ querschnitt des Rohres (20) stromab der Übergangskanäle (201) kleiner, gleich groß oder größer als der Querschnitt der im Drallerzeuger (100) gebildeten Strömung (40) ist.

15. Brenner nach Anspruch 7, 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 Brennkam­ mer (30) induziert, und daß im Bereich dieses Querschnittssprunges eine Rückströmzone (50) wirkbar ist.

16. Brenner nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf der Abrißkante (A) ein Diffusor und/oder eine Venturistrecke vor­ handen ist.

17. Brenner nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.

18. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (140-143) im Querschnitt eine schaufelförmige Profilierung aufweisen.

19. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (101, 102; 130-133; 140-143) in Strömungsrichtung einen festen Kegelwin­ kel, oder eine zunehmende Kegelneigung, oder eine abnehmende Kegel­ neigung aufweisen.

20. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (101, 102; 130-133; 140-143) spiralförmig ineinandergeschachtelt sind.