DE4411623A1 - Vormischbrenner - Google Patents
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
- F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
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- F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
- F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
- F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads
- F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
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- F23D23/00—Assemblies of two or more burners
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- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
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Description
Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner, im wesentli
chen bestehend aus einem Pilotbrenner und mehreren um den
Pilotbrenner herum angeordneten Hauptbrennern.
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 NOX 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.
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.
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.
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 NOX 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
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 (3)
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.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4411623A DE4411623A1 (de) | 1994-04-02 | 1994-04-02 | Vormischbrenner |
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GB9502648A GB2288010B (en) | 1994-04-02 | 1995-02-10 | Premixing burner |
CN95103845.1A CN1118857A (zh) | 1994-04-02 | 1995-04-01 | 预混燃烧器 |
JP7077961A JPH07280223A (ja) | 1994-04-02 | 1995-04-03 | 予混合式バーナー |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4411623A DE4411623A1 (de) | 1994-04-02 | 1994-04-02 | Vormischbrenner |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4411623A1 true DE4411623A1 (de) | 1995-10-05 |
Family
ID=6514607
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4411623A Withdrawn DE4411623A1 (de) | 1994-04-02 | 1994-04-02 | Vormischbrenner |
Country Status (5)
Country | Link |
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US (1) | US5573395A (de) |
JP (1) | JPH07280223A (de) |
CN (1) | CN1118857A (de) |
DE (1) | DE4411623A1 (de) |
GB (1) | GB2288010B (de) |
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Owner name: ASEA BROWN BOVERI AG, BADEN, CH |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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