DE4411623A1

DE4411623A1 - Vormischbrenner

Info

Publication number: DE4411623A1
Application number: DE4411623A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Althaus; Yau-Pin Dr Chyou
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: GB9502648D0; US5573395A; GB2288010A; CN1118857A; JPH07280223A; GB2288010B

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 an gewendet.

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. Strömungsab lösungen 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 vermieden werden. Die Maßnahme soll zudem geeignet sein, um bestehende Vormischbrennkammern nachzurü sten.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,

- daß in den Kanal der Hauptbrenner ein gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff als Sekundärströmung in eine gasförmige Hauptströmung eingedüst wird,
- daß die Hauptströmung über Wirbel-Generatoren geführt wird, von denen über dem Umfang des durchströmten Kanals mehrere nebeneinander angeordnet sind.

Mit dem neuen statischen Mischer, den die 3-dimensionalen Wirbel-Generatoren darstellen, ist es möglich, in den Haupt brennern außerordentlich kurze Mischstrecken bei gleichzei tig geringem Druckverlust zu erzielen. Durch die Erzeugung von Längswirbel ohne Rezirkulationsgebiet ist bereits nach einer vollen Wirbelumdrehung eine grobe Durchmischung der beiden Ströme vollzogen, während eine Feinmischung infolge turbulenter 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.

Der Vorteil solcher Wirbel-Generatoren ist in ihrer besonde ren Einfachheit zu sehen. Fertigungstechnisch ist das aus drei umströmten Wänden bestehende Element völlig problemlos. Die Dachfläche kann mit den beiden Seitenflächen auf ver schiedenste Arten zusammengefügt werden. Auch die Fixierung des Elementes an ebenen oder gekrümmten Kanalwänden kann im Falle von schweißbaren Materialien durch einfache Schweißnähte erfolgen. Vom strömungstechnischen 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 hoh len Innenraum auf die verschiedensten Arten und mit diversen Mitteln gekühlt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Er findung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1A einen Längsschnitt eines Brenners;

Fig. 1B eine Vorderansicht des Brenners nach Fig. 1A;

Fig. 2A einen Längsschnitt einer Brenner- Ausführungsvariante;

Fig. 2B eine Vorderansicht der Ausführungsvariante nach Fig. 2A;

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

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

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Wirbel- Generators;

Fig. 5 eine Ausführungsvariante des Wirbel-Generators;

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

Fig. 7 einen Wirbel-Generator in einem Kanal;

Fig. 8 bis 14 Varianten der Brennstoffzuführung;

Fig. 15A einen Längsschnitt einer weiteren Brenner- Ausführungsvariante;

Fig. 15B eine Vorderansicht der Ausführungsvariante nach Fig. 15A.

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. 1A und 1B ist mit 53 eine hexagonale 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, sind um einen zentral angeordne ten Pilotbrenner 101 sechs Hauptbrenner 52 herumgruppiert. Beim Pilotbrenner handelt es sich um einen Vormischbrenner der Doppelkegelbauart. Maßgebend ist, daß dieser Pilot brenner eine möglichst kleine Geometrie aufweisen soll. In ihm sollen etwa 10-30% des Brennstoffes verbrannt werden. Die Hauptbrenner 52 sind von zylindrischer Form. An deren rohrförmiger Wand 54 sind in Strömungsrichtung weiter unten beschriebene Wirbel-Generatoren 9 angeordnet. Der Brennstoff wird dem Pilotbrenner und den Hauptbrennern über Brennstoff zuführungen 120 respektiv 51 zugeführt. Die Verbrennungsluft gelangt aus einem nicht dargestellten Plenum in das Gehäuse innere 103, von wo aus sie in Pfeilrichtung in die Brenner 101, 52 einströmt.

Beim schematisch dargestellten Vormischbrenner 101 nach den Fig. 1A, 2A, 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 119. Es versteht sich, daß auf diese Weise auch ein Mischbetrieb mit beiden Brennstoffarten mög lich 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 121 (Fig. 15A), an deren Spitze die Zündung erfolgt. Soweit sind Dop pelkegelbrenner aus der eingangs genannten EP-B1-0 321 809 bekannt.

Bevor auf den Einbau der Mischvorrichtung in den Hauptbren nern 52 eingegangen wird, wird zunächst der für die Wir kungsweise 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 a. 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 aufgeeignete 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. 4 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. 1B bei jedem der sechs Hauptbrenner vier Wirbel-Generatoren 9 mit Abstand über dem Umfang des Kreisquerschnittes verteilt. Die oben angesprochene Höhe des Kanalteils, welchem dem einzelnen Wirbel-Generator zugeordnet ist, entspricht in diesem Fall dem Kreisradius. Selbstverständlich 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. Im freien Raum zwischen den Wirbel-Generatoren 9 sind um die zentrale Brennerlanze 51 ebenfalls 4 Wirbel-Generatoren 9b herum gruppiert. Diese sind gemäß Fig. 6 orientiert, so daß die Strömung zuerst die scharfe Kante 16 beaufschlagt.

Die Wirbel-Generatoren 9 und 9b sind hauptsächlich zum Mischen zweier Strömungen verwendet. Die Hauptströmung in Form von Brennluft attackiert in Pfeilrichtung die querge richteten Eintrittskanten 15 respektiv die Verbindungskanten 16. Die Sekundärströmung in Form eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs weist einen wesentlich kleineren Massenstrom auf als die Hauptströmung. Sie wird im vorlie genden Fall stromabwärts der Wirbel-Generatoren in die Hauptströmung eingeleitet.

Gemäß Fig. 1A und 1B wird bei den Hauptbrennern 52 der Brennstoff über je eine zentrale Brennstofflanze 51 einge düst. Diese Lanze ist für etwa 10% des Gesamtvolumenstromes durch den Kanal 20 dimensioniert. Dargestellt ist eine Längseindüsung des Brennstoffes in Strömungsrichtung. In diesem Fall entspricht der Eindüsungsimpuls etwa jenem des Hauptströmungsimpulses. Genau so gut könnte eine Querstrahl eindüsung 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 der Mischzeit der Wirbel optimiert, was eine Minimierung der Emissionen gewährleistet.

Desweiteren bewirkt das intensive Vermischen ein gutes Tem peraturprofil über dem durchströmten Querschnitt und redu ziert überdies die Möglichkeit des Auftretens von thermoaku stischer Instabilität. Allein durch ihre Anwesenheit wirken die Wirbel-Generatoren als Dämpfungsmaßnahme gegen ther moakustische Schwingungen.

Die hexagonale Form des oben beschriebenen Brenners eignet sich für die an sich bekannte wabenartige Gruppierung solcher Brenner in Silobrennkammern.

In den Fig. 2A und 2B ist ein Brenner mit rechteckiger äußerer Form gezeigt. Eine Mehrzahl solcher Elemente könnten beispielsweise in einer Ringbrennkammer in Umfangs richtung nebeneinander angeordnet sein und somit ein selb ständiges, austauschbares Brennmodul bilden. Auch dieser Brenner besteht im wesentlichen aus einem zentral angeordne ten Pilotbrenner 101, um den vier Hauptbrenner 52a herum gruppiert sind. Beim Pilotbrenner handelt es sich ebenfalls um einen Vormischbrenner der Doppelkegelbauart mit zylindri scher Außenkontur. Die Hauptbrenner 52a sind ohne Zwischen raum direkt an der Außenform des Doppelkegelbrenners ange ordnet. Durch die äußere Rechtecktform des Moduls und die kreisförmige Begrenzung im Bereich des Kegelbrenners ist die Form des durchströmten Kanals 20 vorgegeben. Am besten aus genutzt wird diese Form durch die Anordnung der Wirbel- Generatoren 9c direkt in den Modulecken. Die unterschiedlich großen Elemente 9c in den 4 Hauptbrennern erzeugen bei diesem außerordentlich kompakten Brenner selbstverständlich auch unterschiedlich große Wirbel.

Bei den Beispielen nach den Fig. 1 und 2 wird der Brennstoff dem Pilotbrenner und den Hauptbrennern jeweils über zentrale Brennstoffzuführungen 120 respektiv 51 zugeführt.

Bei einer solchen Brennstoffzuführung mittels zentraler Lanze können die Wirbel-Generatoren so ausgelegt werden, daß Rezirkulationszonen stromabwärts größtenteils vermie den werden. Dadurch ist die Verweilzeit der Brennstoffparti kel in den heißen Zonen sehr kurz, was sich günstig auf mimimale Bildung von NO_X auswirkt. Die Wirbel-Generatoren können jedoch auch so ausgelegt und in der Tiefe des Kanals 20 so gestaffelt werden, daß am Austritt der Hauptbrenner eine definierte Rückstromzone entsteht, welche die Flamme auf aerodynamische Weise stabilisiert, d. h. ohne mechani schen Flammenhalter.

Die Fig. 8 bis 14 zeigen bezüglich der Hauptbrenner weitere mögliche Formen der Einführung des Brennstoffs in die Verbrennungsluft. Diese Varianten können auf vielfältige Weise miteinander und mit einer zentralen Brennstoffeindü sung kombiniert werden.

Gemäß Fig. 8 wird der Brennstoff, zusätzlich zu Wandbohrun gen 22a stromabwärts der Wirbel-Generatoren, über Wandboh rungen 22c eingedüst, die sich unmittelbar neben den Seiten wänden 11, 13 und in deren Längserstreckung in der gleichen Wand 21 befinden, an der die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Das Einleiten des Brennstoffs durch die Wandbohrungen 22c verleiht den erzeugten Wirbeln einen zusätzlichen Impuls, was seine Lebensdauer verlängert.

Gemäß Fig. 9 und 10 wird der Brennstoff einerseits über einen Schlitz 22e oder über Wandbohrungen 22f eingedüst, die sich unmittelbar vor der quer zum durchströmten Kanal verlaufenden Kante 15 der Dachfläche 10 und in deren Längserstreckung in der gleichen Wand 21 befinden, an der die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Geometrie der Wandbohrungen 22f oder des Schlitzes 22e ist so gewählt, daß der Brennstoff unter einem bestimmten Einspritzwinkel in die Hauptströmung eingedüst wird und den nachfolgenden Wirbel-Generator als Schutzfilm gegen die heiße Hauptströ mung umströmt.

In den nachstehend beschriebenen Beispielen wird die Sekun därströmung zunächst über nicht gezeigte Mittel durch die Kanalwand 21 ins hohle Innere des Wirbel-Generators einge leitet. Hierdurch wird eine interne Kühlmöglichkeit für die Wirbel-Generatoren geschaffen.

Gemäß Fig. 11 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 22g eingedüst, die sich innerhalb der Dachfläche 10 unmittelbar hinter der quer zum durchströmten Kanal verlaufenden Kante 15 und in deren Längserstreckung befinden. Die Kühlung des Wirbel-Generators erfolgt hier mehr extern als intern. Die austretende Sekundärströmung bildet beim Umströmen der Dach fläche 10 eine diese gegen die heiße Hauptströmung abschir mende Schutzschicht.

Gemäß Fig. 12 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 22h eingedüst, die innerhalb der Dachfläche 10 entlang der Symmetrielinie 17 gestaffelt angeordnet sind. Mit dieser Variante werden die Kanalwände besonders gut vor der heißen Hauptströmung geschützt, da der Brennstoff zunächst am Außenumfang der Wirbel eingeführt wird.

Gemäß Fig. 13 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 22j eingedüst, die sich in den längsgerichteten Kanten 12, 14 der Dachfläche 10 befinden. Diese Lösung gewährleistet eine gute Kühlung der Wirbel-Generatoren, da der Brennstoff an dessen Extremitäten austritt und somit die Innenwandungen des Elementes voll umspült. Die Sekundärströmung wird hier direkt in den entstehenden Wirbel hineingegeben, was zu definierten Strömungsverhältnissen führt.

In Fig. 14 geschieht die Eindüsung über Wandbohrungen 22d, die sich in den Seitenflächen 11 und 13 einerseits im Bereich der Längskanten 12 und 14 und andererseits im Bereich der Verbindungskante 16 befinden. Diese Variante ist wirkungsähnlich wie jene aus den Bohrungen 22a in Fig. 8 und aus den Bohrungen 22j in Fig. 11.

Mit den beschriebenen Brennern ist durch abgestufte Brenn stoffzufuhr zu den einzelnen Moduln der Teillastbetrieb von Brennkammern einfach zu realisieren. Der zentrale Pilotbren ner kann je nach Fahrkonzept in einem Hybridmodus gefahren werden. Beispielsweise mit einer Diffusionsflamme bei tiefen Lasten und Umschalten auf Vormischverbrennung bei höheren Lasten. Diese Möglichkeit genügt den Erfordernissen hinsichtlich Stabilität und Ausbrand. Wenn nur der Pilot brenner mit Vormischflamme betrieben wird, wird die Haupt strömung der Hauptbrenner als Verdünnungsluft benutzt. Diese stark verwirbelte Hauptströmung vermischt sich am Austritt der Hauptbrenner sehr schnell mit den aus der Pilotstufe austretenden heißen Gasen. Stromabwärts wird somit ein gleichmäßiges Temperaturprofil erzeugt. Beim Belasten des Brenners wird stufenweise Brennstoff in die Hautbrenner ein gedüst und vor der Zündung intensiv in die Verbrennungsluft eingemischt. Diese Hauptbrenner arbeiten stets im Vormisch betrieb; sie werden vom Pilotbrenner aus gezündet und stabi lisiert.

Die Brenner-Aerodynamik besteht aus zwei radialgestuften Wirbelbildern. Die radial äußeren Wirbel sind abhängig von der Anzahl und Geometrie der Wirbel-Generatoren 9. Die radial innere, vom Doppelkegelbrenner ausgehende Wirbel struktur kann durch Anpassen von gewissen geometrischen Parametern am Doppelkegelbrenner beeinflußt werden. Die Mengenverteilung zwischen Pilotbrenner und Hauptbrennern kann beliebig vorgenommen werden durch entsprechende Abstim mung der durchströmten Flächen, wobei die Druckverluste zu berücksichtigen sind. Dadurch, daß die Wirbel-Generatoren einen relativ geringen Druckverlust aufweisen, können die Hauptbrenner mit einer größeren Geschwindigkeit durchströmt werden als der Pilotbrenner. Eine höhere Geschwindigkeit am Austritt der Hauptbrenner wirkt sich günstig hinsichtlich des Rückschlagens der Flamme aus.

In den Fig. 15A und 15B wird ein kreisrunder Brenner vorge schlagen, bei dem die oben beschriebenen radialgestuften Wirbelbilder genau definiert sind. Der radial innere groß skalige Wirbel und der radial äußere Wirbel haben umgekehr ten Drehsinn. Um dies zu erreichen, sind um den Doppelkegel brenner 101 herum eine Anzahl von Wirbel-Generatoren 9a gemäß Fig. 5 gruppiert. Es handelt sich dabei um sogenannte halbe Wirbel-Generatoren, bei welchen nur die eine der beiden Seitenflächen des Wirbel-Generators 9a mit dem Pfeil winkel α/2 versehen ist. Die andere Seitenfläche ist gerade und in Brennerachse ausgerichtet. Im Gegensatz zum symmetri schen Wirbel-Generator wird hier nur ein Wirbel an der gepfeilten Seite erzeugt. Es liegt demnach stromabwärts des Wirbel-Generators kein wirbelneutrales Feld vor, sondern der Strömung wird ein Drall aufgezwungen. Nachdem die in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilten Wirbel-Generatoren alle die gleiche Orientierung aufweisen, entsteht aus der ursprünglich drallfreien Hauptströmung stromabwärts der Wirbel-Generatoren ein über dem Umfang gleichgerichteter Drall, wie dies in Fig. 15B angedeutet ist.

Bei diesem Beispiel ist der Pilotbrenner gegenüber den Wirbel-Generatoren 9a in Strömungsrichtung etwas zurückver setzt. Dieser Doppelkegelbrenner ist mit einer zentralen Öllanze 24 und einer Gaslanze 23 ausgerüstet, wobei sowohl getrennter als gemischter Brennstoffbetrieb möglich ist. Die den Brennraum 118 begrenzenden seitlichen Wandungen 122 bil den die Innenwandung des ringförmigen Strömungskanals 20 der Hauptbrenner 52b. Die Spitzen 18 der Wirbel-Generatoren 9a befinden sich in der Austrittsebene der Hauptbrenner und sind mit der Wand 122 verbunden. Wie mit den Pfeilen 123 angedeutet, besteht hier die Möglichkeit, durch das hohle Innere und die Spitze der Wirbel-Generatoren 9a Kühlluft zum Zentralkörper zu leiten. Der Brennstoff wird den Hauptbren nern über Kanäle 124 zugeführt. Diese Kanäle münden strom aufwärts der Wirbel-Generatoren in den Brennerkanal 20.

Eine derartige Konfiguration eignet sich gut als eigenstän dige, kompakte Brennereinheit. Bei der Verwendung von mehre ren solchen Einheiten, beispielsweise in einer Gasturbinen- Ringbrennkammmer, kann der der äußeren Hauptströmung aufge zwungene Drall ausgenutzt werden, um das Querzündverhalten der Brennerkonfiguration, 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.

Bezugszeichenliste

9, 9a, 9b, 9c 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 Kanal
21 Kanalwand
22, a- j Wandbohrung
23 Gaslanze
24 Öllanze
Θ Anstellwinkel
α, α/2 Pfeilwinkel
h Höhe von 16
H Kanalhöhe
L Länge des Wirbel-Generators
51 Brennstoffzuführung
52, 52a, 52b 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 Brennstoffzuführung
121 Rückströmzone
122 seitliche Wandung von 118
123 Kühlluft
124 Brennstoffkanal

Claims

1. Vormischbrenner, im wesentlichen bestehend aus einem zentral angeordneten Pilotbrenner (101) und mehreren um den Pilotbrenner herum angeordneten Hauptbrennern, dadurch gekennzeichnet,

- daß in den Kanal (20) der Hauptbrenner (52, 52a, 52b) ein gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff als Sekundärströmung in eine gasförmige Haupt strömung eingedüst wird,
- daß die Hauptströmung über Wirbel-Generatoren (9, 9a, 9b, 9c) geführt wird, von denen über dem Umfang des durchströmten Kanals (20) mehrere nebeneinander angeordnet sind.

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 Verbrennungsluft bilden, und wobei im Bereich der tangentialen Spalte in den Wandungen der beiden Teil körper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen (117) vorgesehen 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 miteinander 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.