DE4411622A1

DE4411622A1 - Vormischbrenner

Info

Publication number: DE4411622A1
Application number: DE4411622A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Althaus; Jakob Prof Dr Keller
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1994-04-02
Filing date: 1994-04-02
Publication date: 1995-10-05
Also published as: US5558515A; EP0675322A2; EP0675322A3; DE59505747D1; EP0675322B1; CN1118858A; JPH07280224A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner, im wesentli chen bestehend aus einem Pilotbrenner und mehreren um den Pilotbrenner herum angeordneten Hauptbrennern.

Stand der Technik

Sowohl im Ölbetrieb bei sehr hohem Druck als auch im Gasbe trieb mit stark wasserstoffhaltigen Gasen kann es bei Vor mischbrennern vorkommen, daß die Zündverzugszeiten derart kurz werden, daß flammhaltende Brenner nicht mehr als soge nannte Low-Nox-Brenner einsetzbar sind.

Die Einmischung von Brennstoff in eine in einem Vormischka nal strömenden Brennluftströmung geschieht in der Regel durch radiale Eindüsung des Brennstoffs in den Kanal mittels Querstrahlmischern. Der Impuls des Brennstoffs ist indes so gering, daß eine nahezu vollständige Durchmischung erst nach einer Strecke von ca. 100 Kanalhöhen erfolgt ist. Auch Venturimischer kommen zur Anwendung. Bekannt ist auch die Eindüsung des Brennstoffs über Gitteranordnungen. Schließlich wird auch das Eindüsen vor besonderen Drallkörpern angewendet.

Die auf der Basis von Querstrahlen oder Schichtströmungen arbeitende Vorrichtungen haben entweder sehr lange Misch strecken zur Folge oder verlangen hohe Einspritzimpulse. Bei Vormischung unter hohem Druck und unterstöchiometrischen Mischverhältnissen besteht die Gefahr von Rückschlagen der Flamme oder gar von Selbstzündung des Gemischs. Strömungs ablösungen und Totwasserzonen im Vormischrohr, dicke Grenz schichten an den Wandungen oder eventuell extreme Geschwin digkeitsprofile über dem durchströmten Querschnitt können die Ursache für Selbstzündung im Rohr sein oder Pfade bil den, über die die Flamme aus der stromab liegenden Verbren nungszone in das Vormischrohr zurückschlagen kann. Der Geo metrie der Vormischstrecke muß demnach höchste Beachtung geschenkt werden.

Als flammenhaltende Brenner können die sogenannten Vormisch brenner der Doppelkegelbauart bezeichnet werden. Derartige Doppelkegelbrenner sind beispielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt und werden später zu Fig. 1 und 3 beschrieben. Der Brennstoff, dort Erdgas, wird in den Eintrittsspalten in die vom Verdichter heranströmende Verbrennungsluft über eine Reihe von Injektordüsen eingespritzt. Diese sind in der Regel über den ganzen Spalt gleichmäßig verteilt.

Um eine verläßliche Zündung des Gemischs in der nachge schalteten Brennkammer und einen genügenden Ausbrand zu erzielen, ist eine innige Mischung des Brennstoffs mit der Luft erforderlich. Eine gute Durchmischung trägt auch dazu bei, sogenannte "hot spots" in der Brennkammer zu vermeiden, die unter anderem zur Bildung des unerwünschten NO_X führen.

Die oben erwähnte Eindüsung des Brennstoffs über klassische Mittel wie beispielsweise Querstrahlmischer ist schwierig, da der Brennstoff selbst einen ungenügenden Impuls aufweist, um die erforderliche gross-skalige Verteilung und die fein skalige Mischung zu erreichen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem Vormischbrenner der eingangs genannten Art eine Maßnahme zu schaffen, mit welcher innert kürzester Strecke eine innige Vermischung von Brennluft und Brennstoff erzielt wird bei gleichzeitig gleichmäßiger Geschwindigkeitsverteilung in der Mischzone. Ferner soll mit einem solchen Brenner ohne Verwendung eines mechanischen Flammenhalters ein Rückschla gen der Flamme mit Sicherheit vermieden werden. Die Maßnahme soll zudem geeignet sein, um bestehende Vormischbrenn kammern nachzurüsten.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,

- daß in die, einen kreisförmigen Kanal aufweisenden Hauptbrenner ein gasförmiger und/oder flüssiger Brenn stoff als Sekundärströmung in eine gasförmige Haupt strömung eingedüst wird,
- daß die Hauptströmung zunächst über Wirbel-Generatoren geführt wird, von denen über dem Umfang des durchström ten Kanals mehrere nebeneinander angeordnet sind,
- daß stromabwärts der Wirbel-Generatoren eine Venturi düse angeordnet ist,
- und daß die Sekundärströmung im Bereich der größten Einschnürung der Venturidüse in den Kanal eingeleitet wird.

Mit dem neuen statischen Mischer, den die 3-dimensionalen Wirbel-Generatoren darstellen, ist es möglich, im Brenner außerordentlich kurze Mischstrecken bei gleichzeitig gerin gem Druckverlust zu erzielen. Durch die Erzeugung von Längs wirbel ohne Rezirkulationsgebiet ist bereits nach einer vollen Wirbelumdrehung eine grobe Durchmischung der beiden Ströme vollzogen, während eine Feinmischung infolge tur bulenter Strömung und molekularer Diffusionsprozesse bereits nach einer Strecke vorliegt, die einigen wenigen Kanalhöhen entspricht.

Diese Art der Mischung ist besonders geeignet, um den Brenn stoff mit relativ geringem Vordruck unter großer Verdünnung in die Verbrennungsluft einzumischen. Ein geringer Vordruck des Brennstoffes ist insbesondere bei der Verwendung von mittel- und niederkalorischen Brenngasen von Vorteil. Die zur Mischung erforderliche Energie wird dabei zu einem wesentlichen Teil aus der Strömungsenergie des Fluides mit dem höheren Volumenstrom, eben der Verbrennungsluft, entnom men.

Die stromabwärtige Anordnung einer Venturidüse hinter den Wirbel-Generatoren hat den Vorteil, daß man mit der größten Einschnürung der Venturidüse ein einfaches Mittel in der Hand hat, um den Brennstoff bei kleinstem Gegendruck in die verwirbelte Strömung einzuleiten. Die Venturidüse hat bei richtiger Dimensionierung weiter den Vorteil, daß die Strömungsgeschwindigkeit darin die Flammgeschwindigkeit übersteigt, so daß die Flamme nicht in die Einspritzebene des Brennstoffs zurückschlagen kann.

Die Wirbel-Generatoren stromaufwärts der Venturidüse zeich nen sich durch eine Dachfläche und zwei Seitenflächen aus, wobei die Seitenflächen mit einer gleichen Kanalwand bündig sind und miteinander einen Pfeilwinkel α einschließen und wobei die längsgerichteten Kanten der Dachfläche bündig sind mit den in den Strömungskanal hineinragenden längsgerichte ten Kanten der Seitenflächen und unter einem Anstellwinkel Θ zur Kanalwand verlaufen.

Der Vorteil solcher Wirbel-Generatoren ist in ihrer besonde ren Einfachheit in jeder Hinsicht zu sehen. Fertigungstech nisch ist das aus drei umströmten Wänden bestehende Element völlig problemlos. Die Dachfläche kann mit den beiden Sei tenflächen auf verschiedenste Arten zusammengefügt werden. Auch die Fixierung des Elementes an ebenen oder gekrümmten Kanalwänden kann im Falle von schweißbaren Materialien durch einfache Schweißnähte erfolgen. Vom strömungstechni schen Standpunkt her weist das Element beim Umströmen einen sehr geringen Druckverlust auf und es erzeugt Wirbel ohne Totwassergebiet. Schließlich kann das Element durch seinen in der Regel hohlen Innenraum auf die verschiedensten Arten und mit diversen Mitteln gekühlt werden.

Es ist angebracht, das Verhältnis Höhe h der Verbindungs kante der beiden Seitenflächen zur Kanalhöhe H so zu wählen, daß der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators die volle Kanalhöhe oder die volle Höhe des dem Wirbel-Generator zugeordneten Kanalteils ausfüllt.

Es ist sinnvoll, wenn die beiden den Pfeilwinkel α einschließenden Seitenflächen symmetrisch um eine Symmetrie achse angeordnet sind. Damit werden drallgleiche Wirbel erzeugt.

Wenn die beiden den Pfeilwinkel α einschließenden Seiten flächen eine zumindest annähernd scharfe Verbindungskante miteinander bilden, die mit den Längskanten der Dachfläche zusammen eine Spitze bildet, wird der Durchströmquerschnitt kaum durch Sperrung beeinträchtigt.

Ist die scharfe Verbindungskante die austrittsseitige Kante des Wirbel-Generators und verläuft sie senkrecht zu jener Kanalwand, mit welcher die Seitenflächen bündig sind, so ist die Nichtbildung eines Nachlaufgebietes von Vorteil.

Wenn die Symmetrieachse parallel zur Kanalachse verläuft, und die Verbindungskante der beiden Seitenflächen die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators bildet, während demzufolge die quer zum durchströmten Kanal verlaufende Kante der Dachfläche die von der Kanalströmung zuerst beauf schlagte Kante ist, so werden an einem Wirbel-Generator zwei gleiche, jedoch gegenläufige Wirbel erzeugt. Es liegt ein drallneutrales Strömungsbild vor, bei welchem der Drehsinn der beiden Wirbel im Bereich der Verbindungskante aufstei gend ist.

Weitere Vorteile der Erfindung, insbesondere im Zusammenhang mit der Anordnung der Wirbel-Generatoren und der Einführung des Brennstoffs ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt eines Brenners;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Brenner

Fig. 3A einen Querschnitt durch einen Vormischbrenner der Doppelkegel-Bauart im Bereich seines Austritts;

Fig. 3B einen Querschnitt durch denselben Vormisch brenner im Bereich der Kegelspitze;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Wirbel-Generators;

Fig. 5 eine Ausführungsvariante des Wirbel-Genera tors;

Fig. 6 eine Anordnungsvariante des Wirbel-Generators nach Fig. 4;

Fig. 7 einen Wirbel-Generator in einem Kanal;

Fig. 8 eine weitere Ausführungsvariante des Wirbel- Generators;

Fig. 9 eine Anordnungsvariante des Wirbel-Generators nach Fig. 8.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmit tel ist mit Pfeilen bezeichnet. In den verschiedenen Figuren sind die gleichen Elemente jeweils mit den gleichen Bezugs zeichen versehen. Erfindungsunwesentliche Elemente wie Gehäuse, Befestigungen, Leitungsdurchführungen, die Brenn stoffbereitstellung, die Regeleinrichtungen und dergleichen sind fortgelassen.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In den Fig. 1 und 2 ist mit 53 eine zylindrische Brennerwand bezeichnet. Sie ist austrittsseitig über geeignete Mittel mit der Frontwand 100 der nicht dargestellten Brennkammer verbunden. Bei dieser Brennkammer kann es sich sowohl um eine Ringbrennkammer oder um eine Silobrennkammer handeln, wobei jeweils mehrere solche Brenner auf der Frontwand 100 angeordnet sind.

Im Innern der Brennerwand, deren eintrittsseitige Ende in Fig. 1 strichliert gezeigt ist, sind um einen zentral ange ordneten Pilotbrenner 101 sechs Hauptbrenner 52 herumgrup piert. Beim Pilotbrenner handelt es sich im Beispielsfall um einen Vormischbrenner der Doppelkegelbauart, wobei dies nicht zwingend ist. Maßgebend ist, daß dieser Pilotbrenner eine möglichst kleine Geometrie aufweisen soll. In ihm sol len etwa 10-30% des Brennstoffes verbrannt werden. Die Hauptbrenner 52 sind von zylindrischer Form. An deren rohr förmiger Wand 54 sind in Strömungsrichtung zunächst Wirbel- Generatoren 9 angeordnet, deren Austritt in eine Venturidüse 50 mündet. Der Brennstoff wird dem Pilotbrenner und den Hauptbrennern über Brennstofflanzen 120 respektiv 51 zuge führt. Die Verbrennungsluft gelangt aus einem nicht darge stellten Plenum in das Gehäuseinnere 103, von wo aus sie in Pfeilrichtung in die Brenner 101, 52 einströmt.

Beim schematisch dargestellten Vormischbrenner 101 nach den Fig. 1, 3A und 3B handelt es sich um einen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er beispielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Im wesentlichen besteht er aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern 111, 112, die in Strö mungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen 113, 114 der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper bilden in deren Längserstreckung tangen tiale Schlitze 119 für die Verbrennungsluft, die auf diese Weise in das Brennerinnere gelangt. Dort ist eine erste Brennstoffdüse 116 für flüssigen Brennstoff angeordnet. Der Brennstoff wird in einem spitzen Winkel in die Hohlkegel eingedüst. Das entstehende kegelige Brennstoffprofil wird von der tangential einströmenden Verbrennungsluft umschlos sen. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brenn stoffes fortlaufend infolge der Vermischung mit der Verbren nungsluft abgebaut. Im Beispielsfall wird der Brenner eben falls mit gasförmigem Brennstoff betrieben. Hierzu sind im Bereich der tangentialen Schlitze 119 in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöff nungen 117 vorgesehen. Im Gasbetrieb beginnt die Gemischbil dung mit der Verbrennungsluft somit bereits in der Zone der Eintrittsschlitze 20. Es versteht sich, daß auf diese Weise auch ein Mischbetrieb mit beiden Brennstoffarten möglich ist.

Am Brenneraustritt 118 stellt sich eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlagten kreisring förmigen Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rückströmzone, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Soweit sind Doppelkegelbrenner aus der eingangs genannten EP-B1-0 321 809 bekannt.

Bevor auf den Einbau der neuen Mischvorrichtung in den Hauptbrennern 52 eingegangen wird, wird zunächst der für die Wirkungsweise der Erfindung wesentliche Wirbel-Generator 9 beschrieben.

In den Fig. 4, 5 und 6 ist der eigentliche Kanal, der von einer mit großem Pfeil symbolisierten Hauptströmung durch strömt wird, nicht dargestellt. Gemäß diesen Figuren besteht ein Wirbel-Generator im wesentlichen aus drei frei umströmten dreieckigen Flächen. Es sind dies eine Dachfläche 10 und zwei Seitenflächen 11 und 13. In ihrer Längserstrec kung verlaufen diese Flächen unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung.

Die Seitenwände des Wirbel-Generators, welche aus rechtwink ligen Dreiecken bestehen, sind mit ihren Längsseiten auf einer Kanalwand 21 fixiert, vorzugsweise gasdicht. Sie sind so orientiert, daß sie an ihren Schmalseiten einen Stoß bilden unter Einschluß eines Pfeilwinkels α. Der Stoß ist als scharfe Verbindungskante 16 ausgeführt und steht senk recht zu jener Kanalwand 21, mit welcher die Seitenflächen bündig sind. Die beiden den Pfeilwinkel α einschließenden Seitenflächen 11, 13 sind in Fig. 4 symmetrisch in Form, Größe und Orientierung und sind beidseitig einer Symmetrie achse 17 angeordnet. Diese Symmetrieachse 17 ist gleichge richtet wie die Kanalachse.

Die Dachfläche 10 liegt mit einer quer zum durchströmten Kanal verlaufenden und sehr schmal ausgebildeten Kante 15 an der gleichen Kanalwand 21 an wie die Seitenwände 11, 13. Ihre längsgerichteten Kanten 12, 14 sind bündig mit den in den Strömungskanal hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen. Die Dachfläche verläuft unter einem Anstellwinkel Θ zur Kanalwand 21. Ihre Längskanten 12, 14 bilden zusammen mit der Verbindungskante 16 eine Spitze 18.

Selbstverständlich kann der Wirbel-Generator auch mit einer Bodenfläche versehen sein, mit welcher er auf geeignete Art an der Kanalwand 21 befestigt ist. Eine derartige Bodenflä che steht indes in keinem Zusammenhang mit der Wirkungsweise des Elementes.

In Fig. 4 bildet die Verbindungskante 16 der beiden Seiten flächen 11, 13 die stromabwärtige Kante des Wirbel-Genera tors. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende Kante 15 der Dachfläche 10 ist somit die von der Kanalströmung zuerst beaufschlagte Kante.

Die Wirkungsweise des Wirbel-Generators ist folgende: Beim Umströmen der Kanten 12 und 14 wird die Hauptströmung in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt. Deren Wirbelachsen liegen in der Achse der Hauptströmung. Die Drallzahl und der Ort des Wirbelaufplatzens (vortex break down), sofern letz teres überhaupt gewünscht wird, werden bestimmt durch ent sprechende Wahl des Anstellwinkels Θ und des Pfeilwinkels α. Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drall zahl erhöht und der Ort des Wirbelaufplatzens wandert strom aufwärts bis hin in den Bereich des Wirbel-Generators selbst. Je nach Anwendung sind diese beiden Winkel Θ und α durch konstruktive Gegebenheiten und durch den Prozeß selbst vorgegeben. Angepaßt werden müssen dann nur noch die Länge L des Elementes sowie die Höhe h der Verbindungskante 16 (Fig. 7).

In Fig. 5 ist ein sogenannter halber "Wirbel-Generator" auf der Basis eines Wirbel-Generators nach Fig. 1 gezeigt, bei welchen nur die eine der beiden Seitenflächen des Wirbel- Generators 9a mit dem Pfeilwinkel α/2 versehen ist. Die andere Seitenfläche ist gerade und in Strömungsrichtung aus gerichtet. Im Gegensatz zum symmetrischen Wirbel-Generator wird hier nur ein Wirbel an der gepfeilten Seite erzeugt. Es liegt demnach stromabwärts des Wirbel-Generators kein wir belneutrales Feld vor, sondern der Strömung wird ein Drall aufgezwungen.

Im Gegensatz zu Fig. 4 ist in Fig. 6 die scharfe Verbin dungskante 16 des Wirbel-Generators 9 jene Stelle, die von der Kanalströmung zuerst beaufschlagt wird. Das Element ist um 180° gedreht. Wie aus der Darstellung erkennbar, haben die beiden gegenläufigen Wirbel ihren Drehsinn geändert.

Gemäß Fig. 7 sind die Wirbel-Generatoren in einem Kanal 20 eingebaut. In der Regel wird man die Höhe h der Verbindungs kante 16 mit der Kanalhöhe H - oder der Höhe des Kanalteils, welchem dem Wirbel-Generator zugeordnet ist - so abstimmen, daß der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators bereits eine solche Größe erreicht, daß die volle Kanalhöhe H ausgefüllt wird. Dies führt zu einer gleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung in dem beauf schlagten Querschnitt. Ein weiteres Kriterium, welches Einfluß auf das zu wählende Verhältnis h/H nehmen kann, ist der Druckabfall, der beim Umströmen des Wirbel-Generators auftritt. Es versteht sich, daß mit größerem Verhältnis h/H auch der Druckverlustbeiwert ansteigt.

Im dargestellten Beispiel sind gemäß Fig. 2 vier Wirbel- Generatoren 9 mit Abstand über dem Umfang des Kreisquer schnittes verteilt. Die oben angesprochene Höhe des Kanalteils, welchem dem einzelnen Wirbel-Generator zugeord net ist, entspricht in diesem Fall dem Kreisradius. Selbst verständlich könnten die vier Wirbel-Generatoren 9 an ihren jeweiligen Wandsegmenten 21 in Umfangsrichtung auch so aneinandergereiht sein, daß keine Zwischenräume an der Kanalwand freigelassen werden. Letzlich ist hier der zu erzeugende Wirbel entscheidend.

Die Wirbel-Generatoren 9 sind hauptsächlich zum Mischen zweier Strömungen verwendet. Die Hauptströmung in Form von Brennluft attackiert in Pfeilrichtung die quergerichteten Eintrittskanten 15. Die Sekundärströmung in Form eines gas förmigen und/oder flüssigen Brennstoffs weist einen wesent lich kleineren Massenstrom auf als die Hauptströmung. Sie wird im vorliegenden Fall stromabwärts der Wirbel-Generato ren in die Hauptströmung eingeleitet.

Gemäß Fig. 1 wird hier der Brennstoff über eine zentrale Brennstofflanze 51 eingedüst, deren Mündung sich stromab wärts der Wirbel-Generatoren befinden. Diese Lanze ist für etwa 10% des Gesamtvolumenstromes durch den Kanal 20 dimen sioniert. Dargestellt ist eine Längseindüsung des Brennstof fes in Strömungsrichtung. In diesem Fall entspricht der Ein düsungsimpuls etwa jenem des Hauptströmungsimpulses. Genau so gut könnte eine Querstrahleindüsung vorgesehen werden, wobei der Brennstoffimpuls dann etwa das doppelte desjenigen der Hauptströmung betragen muß.

Der eingedüste Brennstoff wird von den Wirbeln mitgeschleppt und mit der Hauptströmung vermischt. Er folgt dem schrauben förmigen Verlauf der Wirbel und wird stromabwärts der Wirbel in der Kammer gleichmäßig feinverteilt. Dadurch reduziert sich die - bei der eingangs erwähnten radialen Eindüsung von Brennstoff in eine unverwirbelte Strömung - Gefahr von Auf prallstrahlen an der gegenüberliegenden Wand und die Bildung von sogenannten "hot spots".

Da der hauptsächliche Mischprozeß in den Wirbeln erfolgt und weitgehend unempfindlich gegen den Eindüsungsimpuls der Sekundärströmung ist, kann die Brennstoffeinspritzung flexi bel gehalten werden und an andere Grenzbedingungen angepaßt werden. So kann im ganzen Lastbereich der gleiche Eindü sungsimpuls beibehalten werden. Da das Mischen durch die Geometrie der Wirbel-Generatoren bestimmt wird, und nicht durch die Maschinenlast, im Beispielsfall die Gasturbinen leistung, arbeitet der so konfigurierte Brenner auch bei Teillastbedingungen optimal. Der Verbrennungsprozeß wird durch Anpassen der Zündverzugszeit des Brennstoffs und Mischzeit der Wirbel optimiert, was eine Minimierung der Emissionen gewährleistet.

Desweiteren bewirkt das intensive Vermischen ein gutes Temperaturprofil über dem durchströmten Querschnitt und reduziert überdies die Möglichkeit des Auftretens von ther moakustischer Instabilität. Allein durch ihre Anwesenheit wirken die Wirbel-Generatoren als Dämpfungsmaßnahme gegen thermoakustische Schwingungen.

Um nun ein Rückzünden der Flamme in den Brenner zu vermei den, wird stromabwärts der Wirbel-Generatoren eine Venturi düse 52 vorgesehen. Diese wird so dimensioniert, daß bei einer Austrittsgeschwindigkeit von etwa 80-150 m/sec die Strömungsgeschwindigkeit im engsten Querschnitt etwa 150-180 m/sec beträgt. Den Abstand des engsten Querschnittes zu den Austrittskanten 16 der Wirbel-Generatoren wird man so wäh len, daß die erzeugten Wirbel im engsten Querschnitt bereits voll ausgebildet sind. Der Ort der Brennstoffein spritzung befindet sich in der Ebene der größten Einschnü rung der Venturidüse.

Die Fig. 8 und 9 zeigen in einer Draufsicht eine Ausfüh rungsvariante des Wirbel-Generators und in einer Vorderan sicht seine Anordnung in einem kreisförmigen Kanal. Die bei den den Pfeilwinkel α einschließenden Seitenflächen 11 und 13 weisen eine unterschiedliche Länge auf. Dies bedeutet, daß die Dachfläche 10 mit einer schräg zum durchströmten Kanal verlaufenden Kante 15a an der gleichen Kanalwand anliegt wie die Seitenwände. Über seiner Breite weist der Wirbel-Generator dann selbstverständlich einen unterschied lichen Anstellwinkel Θ auf. Eine derartige Variante hat die Wirkung, daß Wirbel mit unterschiedlicher Stärke erzeugt werden. Beispielsweise kann damit aufeinen der Hauptströ mung anhaftenden Drall eingewirkt werden. Oder aber durch die unterschiedlichen Wirbel wird der ursprünglich drall freien Hauptströmung stromabwärts der Wirbel-Generatoren ein Drall aufgezwungen, wie dies in Fig. 9 angedeutet ist. Eine derartige Konfiguration eignet sich gut als eigenständige, kompakte Brennereinheit. Bei der Verwendung von mehreren solcher Einheiten, beispielsweise in einer Gasturbinen-Ring brennkammmer, kann der der Hauptströmung aufgezwungene Drall ausgenutzt werden, um das Querzündverhalten der Brennerkon figuration, z. B. bei Teillast, zu verbessern.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschrie benen und gezeigten Beispiele beschränkt. Bezüglich der Anordnung der Wirbel-Generatoren im Verbund sind viele Kom binationen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlas sen. Auch die Einführung der Sekundärströmung in die Haupt strömung kann auf vielfältige Weise vorgenommen werden, beispielsweise nur oder zusätzlich über Wandbohrungen im Venturirohr.

Bezugszeichenliste

9, 9a Wirbel-Generator
10 Dachfläche
11 Seitenfläche
12 Längskante
13 Seitenfläche
14 Längskante
15 quer verlaufenden Kante von 10
16 Verbindungskante
17 Symmetrielinie
18 Spitze
20, a Kanal
21, a, b Kanalwand
Anstellwinkel
α, α/2 Pfeilwinkel
h Höhe von 16
H Kanalhöhe
L Länge des Wirbel-Generators
50 Venturidüse
51 Brennstofflanze
52 Hauptbrenner
53 Brennerwand
54 Hauptbrennerwand
100 Frontwand der Brennkammer
101 Doppelkegelbrenner
102 Lufteintritt
103 Gehäuseinnere
111 Teilkörper
112 Teilkörper
113 Mittelachse
114 Mittelachse
116 Brennstoffdüse
117 Gaseinströmöffnung
118 Brenneraustritt = Brennraum
119 tangentialer Spalt
120 Brennstofflanze

Claims

1. Vormischbrenner, im wesentlichen bestehend aus einem Pilotbrenner und mehreren um den Pilotbrenner herum angeordneten Hauptbrennern, dadurch gekennzeichnet,

- daß in die, einen kreisförmigen Kanal (20) auf weisenden Hauptbrenner (52) ein gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff als Sekundärströmung in eine gasförmige Hauptströmung eingedüst wird,
- daß die Hauptströmung zunächst über Wirbel-Gene ratoren (9) geführt wird, von denen über dem Umfang des durchströmten Kanals (20) mehrere nebeneinander angeordnet sind,
- daß stromabwärts der Wirbel-Generatoren eine Ven turidüse (50) angeordnet ist,
- und daß die Sekundärströmung im Bereich der größten Einschnürung der Venturidüse in den Kanal (20) eingeleitet wird.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Pilotbrenner nach dem Doppelkegelprinzip arbeitet mit im wesentlichen zwei hohlen, kegelförmi gen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (111, 112), deren jeweilige Mittelachsen (113, 114) gegeneinander versetzt sind, wobei die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119) für die Ver brennungsluft bilden, und wobei im Bereich der tangen tialen Spalte in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen (117) vor gesehen sind.

3. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net,

- daß ein Wirbel-Generator (9) drei frei umströmte Flächen aufweist, die sich in Strömungsrichtung erstrecken und von denen eine die Dachfläche (10) und die beiden andern die Seitenflächen (11, 13) bilden,
- daß die Seitenflächen (11, 13) mit einem gleichen Wandsegment (21) des Kanals bündig sind und mit einander den Pfeilwinkel (α, αh) einschließen,
- daß die Dachfläche (10) mit einer quer zum durch strömten Kanal (20) verlaufenden Kante (15) am gleichen Wandsegment (21) anliegt wie die Seiten wände,
- und daß die längsgerichteten Kanten (12, 14) der Dachfläche, die bündig sind mit den in den Strö mungskanal hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen unter einem Anstellwinkel (Θ) zum Wandsegment (21) verlaufen.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die beiden den Pfeilwinkel (α) einschließenden Seitenflächen (11, 13) des Wirbel-Generators (9) symmetrisch um eine Symmetrieachse (17) angeordnet sind.

5. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die beiden den Pfeilwinkel (α, αh) einschließenden Seitenflächen (11, 13) eine Verbindungs kante (16) miteinander umfassen, welche zusammen mit den längsgerichteten Kanten (12, 14) der Dachfläche (10) eine Spitze (18) bilden, und daß die Verbindungs kante in der Radialen des kreisförmigen Kanals (20) liegt.

6. Vormischbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Verbindungskante (16) und/oder die längs gerichteten Kanten (12, 14) der Dachfläche zumindest annähernd scharf ausgebildet sind.

7. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Symmetrieachse (17) des Wirbel-Generators (9) parallel zur Kanalachse verläuft, wobei die Verbin dungskante (16) der beiden Seitenflächen (11, 13) die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators (9) bildet, und wobei die quer zum durchströmten Kanal (20) verlau fende Kante (15) der Dachfläche (10) die von der Haupt strömung zuerst beaufschlagte Kante ist.

8. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Verhältnis Höhe (h) des Wirbel-Generators zur Kanalhöhe (H) so gewählt ist, daß der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators (9) die volle Kanalhöhe oder die volle Höhe des dem Wirbel-Generator zugeordneten Kanalteils ausfüllt.

9. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Sekundärströmung über eine im Kanal (20) zentral angeordnete Brennstofflanze (51) mittels Längseindüsung oder Querstrahleindüsung eingeleitet wird.