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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners
eines Wärmeerzeugers
gemäss
Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch einen Brenner zum
Durchführen
dieses Verfahrens.
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Stand der Technik
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Die
derzeit beim Betrieb von Wärmeerzeugern,
beispielsweise von Brennkammern von Gasturbinen, eingesetzten schadstoffarmen,
mager vorgemischten Brenner werden aerodynamisch durch Rezirkulationszonen,
beispielsweise Vortex Breakdown, stabilisiert. Diese Stabilisierung
beruht auf den Rücktransport
von heissen Verbrennungsprodukten, welche als Zündquelle für das magere Brennstoff/Luft-Gemisch
dienen. Bei einer solchen Stabilisierung nimmt bei geringer Flammentemperatur
auch die Temperatur der rezirkulierten Verbrennungsprodukte ab,
und somit reicht die in die Reduktionszone transportierte thermische
Energie zur Aktivierung der Reaktion nicht mehr aus. Die Folge davon
ist, dass die Flamme zum Löschen
kommt.
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Bei
der Entwicklung von vorgemischten, mit einem flüssigen Brennstoff betriebenen
Brennern wurde festgestellt, dass erst bei wesentlich tieferen Temperaturen
die Löschgrenze
der Flamme erreicht wird. Da die Flammengeschwindigkeit eines flüssigen Brennstoffes,
beispielsweise von Heizöl,
niedriger als die eines gasförmigen
Brennstoffes, beispielsweise von Erdgas, ist, ist dieser Effekt
nur auf die geringere Aktivierungsenergie bei langkettigen Kohlenwasserstoffen
zurückzuführen. Daraus
ergeben sich bei flüssigen
Brennstoffen Selbstzündverzugszeiten,
welche wesentlich kürzer
als die eines gasförmigen
Brennstoffes sind.
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Aus
EP-0 620 362 A1 ist
ein Verfahren bekanntgeworden, bei welchem die kürzere Selbstzündungsverzugszeit
ausgenutzt wird. Dabei geht es hier um den Betrieb einer auf Selbstzündung ausgelegten
Brennkammer, bei welcher zur Gewährleistung
einer sicheren Selbstzündung
des in die Brennkammer eingedüsten
gasförmigen
Brennstoffes bei Absenkung der Temperatur unter einem bestimmten Niveau
der dort eingebrachten heissen Gase mit einer kleinen Menge eines
anderen Brennstoffes mit kürzerer
Selbstzündungsverzugszeit
eingegriffen wird. Diese Eingriffnahme geschieht hier indessen losgelöst von einer
definierten Vormischstrecke eines Brenners, so dass der eingebrachte
Hilfsbrennstoff hier sozusagen als Zündschnur wirken kann. Die Gefahr
eines irgendwie gearteteten Flammenrückschlages ist hier nicht zu
befürchten,
weil keine Vormischstrecke mit einer stark verdrallten Strömung vorhanden
ist.
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Bei
Brennern der neueren Generation, wie sie aus
EP-0 321 809 B1 ,
EP-0 780 629 A2 bekanntgeworden
sind, geht es hingegen darum, rezirkulationsstabilisierte Zonen
zu schaffen, um den Betriebsbereich mit magerer Vormischflamme zu
erweitern. Da hier eine aerodynamische Stabilisierung durch eine
stark verdrallte Strömung
erfolgt, darf die indiskriminierte Einbringung eines Brennstoffes
mit kürzerer
Selbstzündungszeiten
zur Verbesserung der Stabilität
gegen die Löschgrenze
einer Verbrennung mit einem zündträgen Brennstoff
nicht dazu führen,
dass die Gefahr eines Flammenrückschlages
erhöht
wird.
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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 Verfahren
und einem Brenner der eingangs genannten Art mit erweitertem schadstoffarmem
und magerem Vormischbetrieb die Gefahr eines Flammenrückschlages
aufzuheben.
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Die
kürzere
Selbstzündungsverzugszeit
der meisten flüssigen
Brennstoffe wird erfindungsgemäss
ausgenutzt, um einen mit Erdgas/Luft-Gemisch oder anderes zündträges Brennstoff/Luft-Gemisch, insbesondere
durch ein sehr mageres Gemisch aus vorverdampftem Oel mit Luft,
betriebenen Vormischbrenner durch ein gezieltes Zumischen eines
kleinen Anteils eines zündwilligen
Brennstoffes zu stabilisieren. Dabei wird die Vormischstrecke so
dimensioniert, dass bei den herrschenden Strömungsgeschwindigkeiten und
Temperaturen eine Selbstzündung
aufgrund der Zündverzugszeit
in der Vormischstrecke sicher ausgeschlossen bleibt. In der vorgesehenen
Reaktionszone ist durch eine Querschnittserweiterung die Strömungsgeschwindigkeit
soweit zu senken, dass unter allen gewünschten Betriebsbedingungen
die Aufenthaltszeit des aus der Vormischstrecke hervorgehenden Brennstoff/Luft-Gemisches die
Zündverzugszeit
eines vorzugsweise in die Reaktionszone eingedüsten zündwilligen Brennstoffes übersteigt
und so zur gewünschten
Reaktion kommt.
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Die
bei der Reaktion des zündwilligen
Brennstoffes freigesetzte Energie reicht aus, um das reaktionsträge Brennstoff/Luft-Gemisch
zu entzünden.
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Der
wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass dieses
Stabilisationsprinzip bei rezirkulationsstabilisierten Brennern
Verwendung findet, um den Betriebsbereich mit magerer Vormischflamme
zu erweitern. Die grösste
Verbesserung bei einer solchen Stabilisierung lässt sich bei direkter Einspritzung
mit lokal hohen Brennstoffkonzentrationen des zündwilligen Brennstoffes in
die Reaktionszone erreichen.
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Da
die modernen Vormischbrenner (Vgl. die obigen Druckschriften) für den Dualbetrieb
ausgelegt sind, lässt
sich die erfindungsgemässe
Stabilisierung mit einem geringfügigen
Aufwand bei diesen Brennern erreichen.
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Diese
Art der Flammenstabilisierung führt dazu,
dass ein erweiterter schadstoffarmer, magerer Vormischbetrieb möglich ist.
Die Gefahr eines Flammenrückschlages
in die Vormischstrecke wird ausgeschaltet, da dort keine aerodynamische
Stabilisierung erfolgt. Des weiteren führt der erfindungsgemässe Vorschlag
dazu, dass die sonst üblichen
Diffusionspilotsysteme mithin wegfallen, was sich auf Wirkungsgrad
und Schadstoff-Emissionen positiv auswirkt.
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Vorteilhafte
und zweckmässige
Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind
in den weiteren Ansprüchen
gekennzeichnet.
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Im
folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert. Alle
für das
unmittelbare Verständnis
der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind fortgelassen worden.
Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung
der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
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Kurze Bezeichnung der Zeichnungen
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Es
zeigt:
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1 einen
als Vormischbrenner ausgelegten Brenner mit einer Mischstrecke stromab
eines Drallerzeugers und mit Mitteln zur Flammenstabilisierung,
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2 eine
schematische Darstellung des Brenners gemäss 1 mit Disposition
der zusätzlichen
Brennstoff-Injektoren,
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3 einen
aus mehreren Schalen bestehenden Drallerzeuger in perspektivischer
Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,
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4 einen
Querschnitt durch einen zweischaligen Drallerzeuger,
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5 einen
Querschnitt durch einen vierschaligen Drallerzeuger,
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6 eine
Ansicht durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert
sind,
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7 eine
Ausgestaltung der Uebergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und
Mischstrecke und
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8 eine
Gestaltung des Brenneraustritts zum räumlichen Management der Rückströmzone.
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Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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1 zeigt
den Gesamtaufbau eines Brenners, der als Vormischbrenner betrieben
wird. Anfänglich
ist ein Drallerzeuger 100 wirksam, dessen Ausgestaltung
in den nachfolgenden 3–6 noch näher gezeigt
und beschrieben wird. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100 um
ein kegelförmiges
Gebilde, das tangential mehrfach von einem einströmenden Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt
wird. Die sich hierin bildende Strömung wird anhand einer stromab
des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Uebergangsgeometrie
nahtlos in ein Uebergangsstück 200 übergeleitet,
dergestalt, dass dort keine Ablösungsgebiete
auftreten können.
Die Konfiguration dieser Uebergangsgeometrie wird unter 6 näher beschrieben.
Dieses Uebergangsstück 200 ist
abströmungsseitig
der Uebergangsgeometrie durch ein Mischrohr 20 verlängert, wobei
beide Teile die eigentli che Mischstrecke 220 bilden. Selbstverständlich kann
die Mischstrecke 220 aus einem einzigen Stück bestehen,
d.h. dann, dass das Uebergangsstück 200 und
das Mischrohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden
Gebilde verschmelzen, wobei aber die Charakteristiken eines jeden
Teils erhalten bleiben. Werden Uebergangsstück 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 darüber hinaus den Vorteil, dass verschiedene
Mischrohre eingesetzt werden können. Abströmungsseitig
des Mischrohres 20 befindet sich der eigentliche Brennraum 30 einer
Brennkammer, 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 Uebergangsgeometrie 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 Mischstrecke 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 solchen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit zur
Wand hin abfällt.
Um Rückzündung auch
in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr 20 in
Strömungs-
und Umfangsrichtung mit einer Anzahl regelmässig oder unregelmässig verteilter
Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen
versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 20 strömt, und
entlang der Wand im Sinne einer Filmlegung eine Erhöhung der Durchfluss-Geschwindigkeit
induzieren. Diese Bohrungen 21 können auch so ausgelegt werden,
dass sich an der Innenwand des Mischrohres 20 mindestens
zusätzlich
noch eine Effusionskühlung
einstellt. Eine zusätzliche
Möglichkeit
eine Erhöhung
der Geschwindigkeit des Gemisches innerhalb des Mischrohres 20 zu
erzielen, besteht darin, dass dessen Durchflussquerschnitt abströmungsseitig
der Uebergangskanäle 201,
welche die bereits genannten Uebergangsgeometrie bilden, eine Verengung
erfährt, wodurch
das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 20 angehoben
wird. In der Figur verlaufen die Bohrungen 21 unter einem
spitzen Winkel gegenüber
der Brennerachse 60. Andere Verläufe dieser Bohrungen 21 sind
auch möglich. Möglich ist
des weiteren, das Mischrohr 20 intermittierend mit solchen
Bohrungen zu versehen, beispielsweise am Anfang und am Ende desselben.
Vorzugsweise werden diese Bohrungen 21 am Umfang des Mischrohres
verteilt. Des weiteren entspricht der Auslauf der Uebergangskanäle 201 dem
engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 20. Die genannten
Uebergangskanäle 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 Druckverlust
auslöst,
so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende dieses
Mischrohres 20 ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor
vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 20 schliesst sich
sodann eine Brennkammer 30 (Brennraum) an, wobei zwischen
den beiden Durchflussquerschnitten ein durch eine Brennerfront gebildeter
Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale
Flammenfront mit einer Rückströmzone 51,
welche gegenüber
der Flammenfront die Eigenschaften eines körperlosen Flammenhalters aufweist.
Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des
Betriebes eine strömungsmässige Randzone,
in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen,
so führt
dies zu einer verstärkten Ringstabilisation
der Rückströmzone 51.
Danebst darf nicht unerwähnt
bleiben, dass die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 51 auch eine
ausreichend 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 Oeffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier
davon aus, dass die hierzu benötigte
Luftmenge in etwa 5–20%
der Gesamtluftmenge beträgt.
Was die Gestaltung des Brenneraustritts am Ende des Mischrohres 20 zum
räumlichen Stabilisierung
und Management der Rückströmzone 51 betrifft,
wird auf die Beschreibung unter 8 verwiesen.
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Im
unteren Bereich des Mischrohres 20 ist in Umfangsrichtung
mindestens eine Brennstofflanze 300 angeordnet, welche
von einem zündwilligen Brennstoff 301,
beispielsweise Heizöl,
gespiesen wird. Die kürzere
Selbstzündungsverzugszeit
dieses flüssigen
Brennstoffes 301 sorgt dafür, dass der mit einem zündträgen Brennstoff 116 betriebene
Brenner die Reaktionszone 50 im Brennraum 30,
insbesondere die Rückströmzone 51,
zu stabilisieren. Zu diesem Zweck wird dieser zündwillige Brennstoff 301 bei
einem schadstoffarmen und mageren Betrieb bedarfsmässig eingesetzt.
Dies ist immer dann der Fall, wenn Gefahr besteht, dass es zu einem
Flammenrückschlag
kommt. Dann wird über
die Brennstofflanze 300 eine Brennstoffeindüsung 302 in
die Reaktionszone der Rückströmzone 51 resp.
in die Reaktionszone 50 vorgenommen. Damit wird die genannte Gefahr
eines Flammenrückschlages
in die stromauf wirkende Vormischstrecke ausgeschaltet, da in dieser
Reaktionszone 50 keine aerodynamische Stabilisierung erfolgt.
In dieser Reaktionszone 50 erfolgt auch durch die Querschnittserweiterung
gegenüber dem
Durchflussquerschnitt des Mischrohres 20 eine Absenkung
der Strömungsgeschwindigkeit,
so dass unter allen gewünschten
Betriebsbedingungen die Aufenthaltszeit des aus der Vormischstrecke
hervorgehenden Gemisches aus Verbrennungsluft 115 und zündträgem Brennstoff 116 die
Zündverzugszeit
des in die Reaktionszone 50 eingedüsten zündwilligen Brennstoffes 301 übersteigt,
und so zur gewünschten Stabilisierung
der Flammenfront und Verhinderung eines Flammenrückschlages in die Vormischstrecke kommt.
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Bei
bestimmten Betriebsbedingungen ist darüber hinaus möglich, der
zündwillige
Brennstoff in die Drallzone einzugeben, allerdings muss in einem solchen
Fall darauf geachtet werden, dass die aerodynamischen Eigenschaften
der verdrallten Strömung
unversehrt bleiben.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht des Brenners gemäss 1, wobei
hier insbesondere auf die Umspülung
einer zentral angeordneten Brennstoffdüse 103 und auf die
Wirkung von Brennstoff-Injektoren 170 hingewiesen wird.
Die Wirkungsweise der restlichen Hauptbestandteile des Brenners,
nämlich
Drallerzeuger 100 und Uebergangsstück 200 werden unter
den nachfolgenden Figuren näher
beschrieben. Die Brennstoffdüse 103 wird
mit einem beabstandeten Ring 190 ummantelt, in welchem
eine Anzahl in Umfangsrichtung disponierter Bohrungen 161 gelegt
sind, durch welche eine Luftmenge 160 in eine ringförmige Kammer 180 strömt und dort
die Umspülung
der Brennstoffdüse 103 vornimmt.
Diese Bohrungen 161 sind schräg nach vorne angelegt, dergestalt,
dass eine angemessene axiale Komponente auf der Brennerachse 60 entsteht.
In Wirkverbindung mit diesen Bohrungen 161 sind zusätzliche
Brennstoff-Injektoren 170 vorgesehen, welche eine bestimmte
Menge vorzugsweise eines gasförmigen
Brennstoffes in die jeweilige Luftmenge 160 einspeisen,
dergestalt, dass sich im Mischrohr 20 eine gleichmässige Brennstoffkonzentration 150 über den
Strömungsquerschnitt
einstellt, wie die Darstellung in der Figur versinnbildlichen will.
Genau diese gleichmässige
Brennstoffkonzentration 150, insbesondere die starke Konzentration
auf der Brennerachse 60 sorgt dafür, dass sich eine Stabilisierung der
Flammenfront am Ausgangs des Brenners einstellt, womit aufkommende
Brennkammerpulsationen vermieden werden.
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Um
den Aufbau des Drallerzeugers 100 besser zu verstehen,
ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu 3 mindestens 4 herangezogen
wird. Im folgenden wird bei der Beschreibung von 3 nach Bedarf
auf die übrigen
Figuren hingewiesen.
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Der
erste Teil des Brenners nach 1 bildet den
nach 3 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 5 und 6 zeigen;
dies hängt
jeweils, wie weiter unten noch näher
zur Erläuterung
kommen wird, von der Betriebsart des ganzen Brenners ab. Es ist
bei bestimmten Betriebskonstellationen nicht ausgeschlossen, einen
aus einer einzigen Spirale bestehenden Drallerzeuger vorzusehen.
Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 101b, 102b (Vgl. 4)
der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander
schafft bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher Anordnung,
jeweils einen tangentialen Einströmungskanal, d.h. einen Lufteintrittsschlitz 119, 120 (Vgl. 4),
durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des
Drallerzeugers 100, d.h. in den Kegelhohlraum 114 desselben strömt. Die
Kegelform der gezeigten Teilkörper 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 aufweisen, ähnlich einer
Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch
nicht erfasst, da sie für
den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen
Teilkörper 101, 102 weisen
je einen zylindrischen ringförmigen
Anfangsteil 101a auf. Im Bereich dieses zylindrischen Anfangsteils
ist die bereits unter 2 erwähnte Brennstoffdüse 103 untergebracht, welche
vorzugsweise mit einem flüssigen
Brennstoff 112 betrieben wird. Die Eindüsung 104 dieses Brennstoffes 112 fällt in etwa
mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten
Kegelhohlraumes 114 zusammen. Die Eindüsungskapazität und die
Art dieser Brennstoffdüse 103 richtet
sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. 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 Kegelhohlraum 114, angeordnet, dies
um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Bei dem durch
die Brennstoffdüse 103 herangeführten Brennstoff 112 handelt
es sich, wie erwähnt,
im Normalfall um einen flüssigen Brennstoff,
wobei eine Gemischbildung mit einem anderen Medium, beispielsweise
mit einem rückgeführten Rauchgas,
ohne weiteres möglich
ist. Dieser Brennstoff 112 wird unter einem vorzugsweise
sehr spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus
der Brennstoffdüse 103 bildet
sich sonach ein kegeliges Brennstoffspray 105, das von
der tangential einströmenden
rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen und abgebaut
wird. In axialer Richtung wird sodann die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 112 fortlaufend
durch die einströmenden
Verbrennungsluft 115 zu einer Vermischung Richtung Verdampfung
abgebaut. Wird ein gasförmiger
Brennstoff 113 über
die Oeffnungsdüsen 117 eingebracht,
geschieht die Bildung des Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende
der Lufteintrittsschlitze 119, 120. 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, bevor dieses Gemisch in die nachgeschaltete
Stufe strömt,
hier in das Uebergangsstück 200 (Vgl. 1 und 7).
Die gleichen Ueberlegungen 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 Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind
an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld
der Verbrennungsluft 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
unter 2 (Pos. 160) näher beschriebene Zuführung einer
Luftmenge erhöhen
bzw. stabilisieren. Eine entsprechende Drallerzeugung in Wirkverbindung
mit dem nachgeschalteten Uebergangsstück 200 (Vgl. 1 und 7) verhindert
die Bildung von Strömungsablösungen innerhalb
des dem Drallerzeuger 100 nachgeschalteten Mischrohr. Die
Konstruktion des Drallerzeugers 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 Ueberlappung
derselben vorgesehen werden kann. Es ist des weiteren möglich, die
Teilkörper 101, 102 durch
eine gegenläufig
drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln. 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.
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Aus 4 geht
unter anderen die geometrische Konfiguration von wahlweise vorzusehenden Leitbleche 121a, 121b hervor.
Sie haben Strömungseinleitungsfunktion,
wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der
kegeligen Teilkörper 101, 102 in
Anströmungsrichtung
gegenüber
der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in
den Kegelhohlraum 114 kann durch Oeffnen 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
Spaltgrösse
der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 dynamisch verändert werden
soll, beispielsweise um eine Aenderung der Geschwindigkeit der Verbrennungsluft 115 zu
erreichen. Selbstverständlich
können
diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem
bedarfsmässige
Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden.
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5 zeigt
gegenüber 4,
dass der Drallerzeuger 100 nunmehr aus vier Teilkörpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut
ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen
zu jedem Teilkörper
sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Konfiguration
ist zu sagen, dass sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringeren
Drallstärke
und im Zusammenwirken mit einer entsprechend vergrösserten Schlitzbreite
bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungsseitig des Drallerzeugers im
Mischrohr zu verhindern, womit das Mischrohr die ihm zugedachte
Rolle bestens erfüllen
kann.
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6 unterscheidet
sich gegenüber 5 insoweit,
als hier die Teilkörper 140, 141, 142, 143 eine
Schaufelprofilform haben, welche zur Bereitstellung einer gewissen
Strömung
vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betriebsart des Drallerzeu gers
die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in
den Verbrennungsluftstromes 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.
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7 zeigt
das Uebergangsstück 200 in dreidimensionaler
Ansicht. Die Uebergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100 mit
vier Teilkörpern, entsprechend
der 5 oder 6, aufgebaut. Dementsprechend
weist die Uebergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper vier
Uebergangskanäle 201 auf,
wodurch die Kegelviertelfläche
der genannten Teilkörper
verlängert
wird, bis sie die Wand des Mischrohres schneidet. Die gleichen Ueberlegungen
gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als
den unter 3 beschriebenen, aufgebaut ist. Die
nach unten in Strömungsrichtung
verlaufende Fläche
der einzelnen Uebergangskanäle 201 weist eine
in Strömungsrichtung
spiralförmig
verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt,
entsprechend der Tatsache, dass sich vorliegend der Durchflussquerschnitt
des Uebergangsstückes 200 in
Strömungsrichtung
konisch erweitert. Der Drallwinkel der Uebergangskanäle 201 in
Strömungsrichtung
ist so gewählt,
dass der Rohrströmung
anschliessend bis zum Querschnittssprung am Brennkammereintritt
noch eine genügend
grosse Strecke verbleibt, 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 Uebergangsgeometrie
und die Massnahmen im Bereich des Mischrohres bewirken eine deutliche
Steigerung des Axialgeschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt des Mischrohres
hin, so dass der Gefahr einer Frühzündung entscheidend
entgegengewirkt wird.
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8 zeigt
die bereits angesprochene geometrische Gestaltung des Brenneraustritts
am Ende des Mischrohres 20 zur räumlichen Stabilisierung der Rückströmzone. Der
Durchflussquerschnitt des Rohres 20 erhält in diesem Bereich einen ersten
gegenüber
der Brennerachse 60 konvexen Uebergangsradius R1, dessen Grösse grundsätzlich von der jeweiligen Strömung innerhalb
des Mischrohres 20 abhängt.
Die Grösse
dieses Radius R1 wird dementsprechend so
gewählt,
dass sich die Strömung
an die Wand anlegt und so die Drallzahl stark ansteigen lässt.
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Quantitativ
lässt sich
die Grösse
des Radius R1 so definieren, dass dieser > 10% des Innendurchmessers
d des Mischrohres 20 beträgt. Gegenüber einer Strömung ohne
Radius vergrössert
sich nun die Rückströmzone 51 gewaltig.
Dieser Radius R1 geht sodann in einen zweiten
Radius R2 über, welcher gegenüber der
Brennerachse 60 konkav bis zur Austrittsebene 70 des
Mischrohres 20 verläuft,
wobei die Grösse
dieses Radius R2 > 10% des Innendurchmessers d des Mischrohres 20 beträgt. Dieser
zweite Radius R2 sorgt dafür, dass
die Randströmung
axial ausgerichtet wird, dergestalt, dass die Flamme bei kleiner
radialer Ausmessung der Brennkammer nicht auf die Brennkammerwand
auftritt. Die sektoriellen Winkel β1 und β2 der
beiden Radien R1, R2 sind
komplementäre
Winkel, deren Summe maximal 90° beträgt. Je nach
Drallzahl und axialer Ausrichtung der Strömung erfahren die zwei genannten
Winkel eine entsprechende Anpassung, welche interdependent zur Grösse der
beiden Radien steht.
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Die
Austrittsebene 70 des Mischrohres 20 ist des weiteren
ab Endkante des zweiten Radius R2 in radialer
Richtung mit einem Absatz S von > 3
mm Tiefe versehen, wobei dieser Absatz die Funktion einer Strömungsabrissstufe
ausübt.
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- 10
- Buchsenring
- 20
- Mischrohr,
Teil der Mischstrecke 220
- 21
- Bohrungen,
Oeffnungen
- 30
- Brennkammer,
Brennraum
- 40
- Strömung, Rohrströmung im
Mischrohr, Hauptströmung,
Gemisch
- 50
- Reaktionszone
- 51
- Rückströmzone, Rückströmblase
- 60
- Brennerachse
- 70
- Austrittsebene
des Mischrohres
- 100
- Drallerzeuger
- 101,
102
- Kegelförmige Teilkörper
- 101a
- Ringförmiger Anfangsteil
- 101b,
102b
- Längssymmetrieachsen
- 103
- 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
- 130,
131, 132, 133
- Teilkörper
- 131a,
131a, 132a, 133a
- Längssymmetrieachsen
- 140,
141, 142, 143
- Schaufelprofilförmige Teilkörper
- 140a,
141a, 142a, 143a
- Längssymmetrieachsen
- 150
- Brennstoffkonzentration
- 160
- Luftmenge,
Mischluft
- 161
- Bohrungen,
Oeffnungen
- 170
- Brennstoff-Injektoren
- 180
- Ringförmige Luftkammer
- 190
- Ring
- 200
- Uebergangsstück, Teil der
Mischstrecke 220
- 201
- Uebergangskanäle
- 220
- Mischstrecke
- 300
- Brennstofflanze
- 301
- Zündwilliger
Brennstoff
- 302
- Eindüsung des
zündwilligen
Brennstoffes in die Reaktionszone
- d
- Innendurchmesser
des Mischrohres
- R1
- Erster
Radius, konvex gegenüber
der Brennerachse
- R2
- Zweiter
Radius, konkav gegenüber
der Brennerachse
- β1
- Erster
Winkel, zu Radius R1 gehörend
- β2
- Zweiter
Radius, zu Radius R2 gehörend