EP0704657A2 - Brenner - Google Patents
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- EP0704657A2 EP0704657A2 EP95810587A EP95810587A EP0704657A2 EP 0704657 A2 EP0704657 A2 EP 0704657A2 EP 95810587 A EP95810587 A EP 95810587A EP 95810587 A EP95810587 A EP 95810587A EP 0704657 A2 EP0704657 A2 EP 0704657A2
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- European Patent Office
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- flow
- burner according
- section
- swirl generator
- mixing section
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- 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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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
- F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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- F23C2202/40—Inducing local whirls around flame
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- F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
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- F23D2209/20—Flame lift-off / stability
Definitions
- the present invention relates to a burner according to the preamble of claim 1.
- a cone-shaped burner known as a double-cone burner, consisting of several shells, is known for generating a closed swirl flow in the cone head, which becomes unstable due to the increasing swirl along the cone tip and changes into an annular swirl flow with backflow in the core.
- Fuels such as gaseous fuels, are injected along the channels formed by the individual adjacent shells, also called air inlet slots, and mixed homogeneously with the air before the combustion starts by ignition at the stagnation point of the backflow zone or backflow bubble, which is used as a flame holder.
- Liquid fuels are preferably injected via a central nozzle on the burner head and then evaporate in the cone cavity.
- the invention seeks to remedy this.
- the invention as characterized in the claims, is based on the object of proposing precautions for a burner of the type mentioned at the outset by which a perfect premixing of fuels of different types is achieved.
- the proposed burner has a swirl generator on the head side and upstream of a mixing section, which can preferably be designed such that the basic aerodynamic principles of the so-called double-cone burner according to EP-A1-0 321 809 are used. In principle, however, the use of an axial or radial swirl generator is also possible.
- the mixing section itself preferably consists of a tubular mixing element, hereinafter referred to as the mixing tube, which permits perfect premixing of fuels of various types.
- the flow from the swirl generator is seamlessly introduced into the mixing tube: this is done by means of a transition geometry that consists of transition channels that are excluded in the initial phase of this mixing tube and that convert the flow into the subsequent effective flow cross-section of the mixing tube.
- This lossless Initiation of flow between the swirl generator and the mixing tube initially prevents the immediate formation of a backflow zone at the outlet of the swirl generator.
- the swirl strength in the swirl generator is selected via its geometry so that the swirl does not burst in the mixing tube, but further downstream at the combustion chamber inlet, the length of this mixing tube being dimensioned such that there is sufficient mixing quality for all types of fuel. If, for example, the swirl generator used is constructed according to the basic principles of the double-cone burner, the swirl strength results from the design of the corresponding cone angle, the air inlet slots and their number.
- the axial speed profile has a pronounced maximum on the axis and thus prevents reignitions in this area.
- the axial speed drops towards the wall.
- various precautions are provided: For example, the entire speed level can be raised by using a mixing tube with a sufficiently small diameter.
- Another possibility is to only increase the speed in the outer region of the mixing tube, in that a small part of the combustion air flows into the mixing tube via an annular gap or through filming holes downstream of the transition channels.
- Part of the pressure loss that may be generated can be compensated for by attaching a diffuser to the end of the mixing tube.
- the combustion chamber connects with a cross-sectional jump.
- a central backflow zone is formed here, the properties of which are those of a flame holder.
- transition channels mentioned for introducing the flow from the swirl generator into the mixing tube it can be said that the course of these transition channels turns out to be spiraling narrowing or widening, in accordance with the effective subsequent flow cross-section of the mixing tube.
- Fig. 1 shows the overall structure of a burner.
- a swirl generator 100 is effective, the design of which is shown and described in more detail in the following FIGS. 2-5.
- This swirl generator 100 is a conical structure which is acted upon tangentially several times by a tangentially flowing combustion air flow 115.
- the flow formed here is seamlessly transferred to a transition piece 200 using a transition geometry provided downstream of the swirl generator 100, in such a way that no separation areas can occur there.
- the confiquration of this transition geometry is described in more detail in FIG. 6.
- This transition piece 200 is extended on the outflow side of the transition geometry by a tube 20, both parts forming the actual mixing tube 220 of the burner.
- the mixing tube 220 can consist of a single piece, that is to say then that the transition piece 200 and tube 20 are fused into a single coherent structure, the characteristics of each part being retained. If the transition piece 200 and the tube 20 are created from two parts, they are connected by a bushing ring 10, the same bushing ring 10 serving as an anchoring surface for the swirl generator 100 on the head side. Such a bushing ring 10 also has the advantage that different mixing tubes are used can be.
- the actual combustion chamber 30 is located on the outflow side of the tube 20 and is here only symbolized by the flame tube.
- the mixing tube 220 fulfills the condition that a defined mixing section is provided downstream of the swirl generator 100, in which a perfect premixing of fuels of different types is achieved.
- This mixing section i.e. the mixing tube 220, furthermore enables loss-free flow guidance, so that no backflow zone can initially form even in operative connection with the transition geometry, so that the length of the mixing tube 220 can influence the quality of the mixture for all types of fuel.
- this mixing tube 220 has yet another property, which consists in the fact that in the mixing tube 220 itself the axial speed profile has a pronounced maximum on the axis, so that the flame cannot be re-ignited from the combustion chamber. However, it is correct that with such a configuration this axial speed drops towards the wall.
- the mixing tube 220 is provided with a number of regularly or irregularly distributed bores 21 of various cross-sections and directions in the flow and circumferential direction, through which an amount of air flows into the interior of the mixing tube 220 and one along the wall Increase in speed indicated.
- Another possibility of achieving the same effect is that the flow cross section of the mixing tube 220 is narrowed on the downstream side of the transition channels 201, which form the transition geometry already mentioned, as a result of which the overall speed level within the mixing tube 220 is increased.
- the outlet of the transition channels 201 corresponds to the narrowest flow cross-section of the mixing tube 220.
- the said transition channels 201 therefore bridge the respective cross-sectional difference without adversely affecting the flow formed.
- a diffuser (not shown in the figure) at the end of the mixing tube.
- a combustion chamber 30 adjoins the end of the mixing tube 220, a cross-sectional jump occurring between the two flow cross sections. Only here does a central backflow zone 50 form, which has the properties of a flame holder. If a flow-like edge zone forms in this cross-sectional jump during operation, in which vortex detachments arise due to the prevailing negative pressure, this leads to an increased ring stabilization of the backflow zone 50.
- the combustion chamber 30 has a number of openings 31 through which an air quantity flows directly into the cross-sectional jump flows, and there contributes the others below that the ring stabilization of the backflow zone 50 is strengthened.
- the generation of a stable backflow zone 50 also requires a sufficiently high number of twists in a pipe. If this is initially undesirable, stable backflow zones can be created by supplying small, strongly swirled air flows at the pipe end, for example through tangential openings. It is assumed here that the amount of air required for this is about 5-20% of the total amount of air.
- FIG. 3 is used at the same time as FIG. 2. Furthermore, in order not to make this FIG. 2 unnecessarily confusing, the guide plates 121a, 121b shown schematically according to FIG. 3 have only been hinted at in it. In the description of FIG. 2, reference is made below to the figures mentioned as required.
- the first part of the burner according to FIG. 1 forms the swirl generator 100 shown in FIG. 2.
- This consists of two hollow ones conical partial bodies 101, 102 which are nested in one another offset.
- the number of conical partial bodies can of course be greater than two, as shown in FIGS. 4 and 5; This depends on the mode of operation of the entire burner, as will be explained in more detail below. In certain operating constellations, it is not excluded to provide a swirl generator consisting of a single spiral.
- the offset of the respective central axis or longitudinal symmetry axes 201b, 202b of the conical partial bodies 101, 102 to one another creates a tangential channel, that is to say an air inlet slot 119, 120 (FIG.
- the conical shape of the partial bodies 101, 102 shown in the flow direction has a specific fixed angle.
- the partial bodies 101, 102 can have an increasing or decreasing cone inclination in the direction of flow, similar to a trumpet or. Tulip. The last two forms are not included in the drawing, since they can be easily understood by a person skilled in the art.
- the two tapered partial bodies 101, 102 each have a cylindrical starting part 101a, 102a, which, similarly to the conical partial bodies 101, 102, also run offset from one another, so that the tangential air inlet slots 119, 120 are present over the entire length of the swirl generator 100.
- a nozzle 103 is preferably accommodated for a liquid fuel 112, the injection 104 of which coincides approximately with the narrowest cross section of the conical cavity 114 formed by the conical partial bodies 101, 102.
- the injection capacity and the type of this nozzle 103 depend on the given parameters of the respective burner.
- the swirl generator 100 can be designed in a purely conical manner, that is to say without cylindrical starting parts 101a, 102a.
- the tapered body 101, 102 furthermore each have a fuel line 108, 109, which are arranged along the tangential air inlet slots 119, 120 and are provided with injection openings 117, through which a gaseous fuel 113 is preferably injected into the combustion air 115 flowing through there, as shown by the arrows 116 want.
- These fuel lines 108, 109 are preferably placed at the latest at the end of the tangential inflow, before entering the cone cavity 114, in order to obtain an optimal air / fuel mixture.
- the fuel 112 brought in through the nozzle 103 is normally a liquid fuel, and it is readily possible to form a mixture with another medium. This fuel 112 is injected into the cone cavity 114 at an acute angle.
- a cone-shaped fuel spray 105 is thus formed from the nozzle 103 and is enclosed by the rotating combustion air 115 flowing in tangentially.
- the concentration of the injected fuel 112 is continuously reduced by the inflowing combustion air 115 to mix in the direction of evaporation.
- a gaseous fuel 113 is introduced via the opening nozzles 117, the fuel / air mixture is formed directly at the end of the air inlet slots 119, 120.
- the combustion air 115 is additionally preheated or, for example, enriched with a recirculated flue gas or exhaust gas, this provides lasting support the vaporization of the liquid fuel 112 before this mixture flows into the downstream stage.
- liquid fuels should be supplied via lines 108, 109.
- the conical partial bodies 101, 102 with respect to the cone angle and the width of the tangential air inlet slots 119, 120, strict limits must be observed per se so that the desired flow field of the combustion air 115 can be set at the outlet of the swirl generator 100.
- a downsizing of the tangential air inlet slots 119, 120 favors the faster formation of a backflow zone already in the area of the swirl generator.
- the axial speed within the swirl generator 100 can be changed by a corresponding supply, not shown, of an axial combustion air flow.
- a corresponding swirl generation prevents the formation of flow separations within the mixing tube downstream of the swirl generator 100.
- the design of the swirl generator 100 is furthermore excellently suitable for changing the size of the tangential air inlet slots 119, 120, with which a relatively large operational bandwidth can be recorded without changing the overall length of the swirl generator 100.
- the partial bodies 101, 102 can also be displaced relative to one another in another plane, as a result of which an overlap thereof can even be provided. It is also possible to interleave the partial bodies 101, 102 in a spiral manner by counter-rotating movement. It is thus possible to vary the shape, size and configuration of the tangential air inlet slots 119, 120 as desired, with which the swirl generator 100 can be used universally without changing its overall length.
- FIG. 3 now shows the geometric configuration of the guide plates 121a, 121b. They have a flow introduction function, which, depending on their length, extend the respective end of the tapered partial bodies 101, 102 in the direction of flow relative to the combustion air 115.
- the channeling of the combustion air 115 into the cone cavity 114 can be optimized by opening or closing the guide plates 121a, 121b about a pivot point 123 located in the region of the entry of this channel into the cone cavity 114, in particular this is necessary if the original gap size of the tangential air inlet slots 119, 120 should be changed dynamically.
- these dynamic arrangements can also be provided statically, by having a fixed component as required form the tapered partial bodies 101, 102.
- the swirl generator 100 can also be operated without baffles, or other aids can be provided for this.
- the swirl generator 100 is now composed of four partial bodies 130, 131, 132, 133.
- the associated longitudinal symmetry axes for each partial body are marked with the letter a.
- this configuration it should be said that, due to the lower swirl strength generated in this way and in cooperation with a correspondingly enlarged slot width, it is ideally suited to prevent the vortex flow from bursting in the mixing tube on the downstream side of the swirl generator, so that the mixing tube can best fulfill the role intended for it .
- FIG. 5 differs from FIG. 4 in that the partial bodies 140, 141, 142, 143 have a blade profile shape which is provided to provide a certain flow. Otherwise the mode of operation of the swirl generator has remained the same.
- the admixture of the fuel 116 in the combustion air flow 115 takes place from the inside of the blade profiles, i.e. the fuel line 108 is now integrated in the individual blades.
- the longitudinal axes of symmetry to the individual partial bodies are identified by the letter a.
- the transition geometry is constructed for a swirl generator 100 with four partial bodies, corresponding to FIG. 4 or 5. Accordingly, the transition geometry as a natural extension of the upstream partial body four transition channels 201, whereby the conical quarter surface of the partial body is extended until it the wall of the tube 20 or. of the mixing tube 220 cuts.
- the same considerations also apply if the swirl generator works on a principle different from that described under FIG. 2. is constructed.
- the surface of the individual transition channels 201 which runs downward in the flow direction has a shape which runs spirally in the flow direction and which describes a crescent-shaped course, corresponding to the fact that in the present case the flow cross section of the transition piece 200 widens conically in the flow direction.
- the swirl angle of the transition channels 201 in the flow direction is selected such that the pipe flow then still has a sufficiently large distance up to the cross-sectional jump at the combustion chamber inlet in order to achieve a perfect premixing with the injected fuel. Furthermore, the above-mentioned measures also increase the axial speed on the mixing tube wall downstream of the swirl generator. The transition geometry and the measures in the area of the mixing tube bring about a significant increase in the axial speed profile towards the center of the mixing tube, so that the risk of early ignition is decisively counteracted.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Aus EP-A1-0 321 809 ist ein aus mehreren Schalen bestehender kegelförmiger Brenner, sogenannter Doppelkegelbrenner, zur Erzeugung einer geschlossenen Drallströmung im Kegelkopf bekanntgeworden, welche aufgrund des zunehmenden Dralls entlang der Kegelspitze instabil wird und in eine annulare Drallströmung mit Rückströmung im Kern übergeht. Brennstoffe, wie beispielsweise gasförmige Brennstoffe, werden entlang der durch die einzelnen benachbarten Schalen gebildeten Kanäle, auch Lufteintrittsschlitze genannt, eingedüst und homogen mit der Luft vermischt, bevor die Verbrennung durch Zündung am Staupunkt der Rückströmzone oder Rückströmblase, welche als Flammenhalter benutzt wird, einsetzt. Flüssige Brennstoffe werden vorzugsweise über eine zentrale Düse am Brennerkopf eingedüst und verdampfen dann im Kegelhohlraum. Unter gasturbinentypischen Bedingungen findet die Zündung dieser flüssigen Brennstoffe schon früh in der Nähe der Brennstoffdüse statt, womit nicht zu umgehen ist, dass die NOx-Werte gerade aufgrund dieser mangelnden Vormischung kräftig ansteigen, was beispielsweise das Einspritzen von Wasser notwendig macht. Darüber hinaus musste festgestellt werden, dass der Versuch, wasserstoffhaltige Gase ähnlich wie Erdgas zu verbrennen, zu Frühzündproblemen an den Gasbohrungen mit anschliessender Ueberhitzung des Brenners geführt haben. Hiergegen hat man Abhilfe gesucht, indem am Brenneraustritt eine spezielle Injektionsmethode für solche gasförmige Brennstoffe eingeführt worden ist, deren Resultate aber nicht ganz zu befriedigen vermochten.
- Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der eingangs genannten Art Vorkehrungen vorzuschlagen, durch welche eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird.
- Der vorgeschlagene Brenner weist kopfseitig und stromauf einer Mischstrecke einen Drallerzeuger auf, der vorzugsweise dahingehend ausgelegt werden kann, dass die aerodynamischen Grundprinzipien des sogenannten Doppelkegelbrenners nach EP-A1-0 321 809 benutzt werden. Grundsätzlich ist aber auch der Einsatz eines axialen oder radialen Drallerzeugers möglich. Die Mischstrecke selbst besteht vorzugsweise aus einem rohrförmigen Mischelement, im folgenden Mischrohr genannt, welches ein perfektes Vormischen von Brennstoffen verschiedener Art gestattet.
- Die Strömung aus dem Drallerzeuger wird nahtlos in das Mischrohr eingeleitet: Dies geschieht durch eine Uebergangsgeometrie, die aus Uebergangskanälen besteht, welche in der Anfangsphase dieses Mischrohres ausgenommen sind, und welche die Strömung in den anschliessenden effektiven Durchflussquerschnitt des Mischrohres überführen. Diese verlustfreie Strömungseinleitung zwischen Drallerzeuger und Mischrohr verhindert zunächst die unmittelbare Bildung einer Rückströmzone am Ausgang des Drallerzeugers.
- Zunächst wird die Drallstärke im Drallerzeuger über seine Geometrie so gewählt, dass das Aufplatzen des Wirbels nicht im Mischrohr, sondern weiter stromab am Brennkammereintritt erfolgt, wobei die Länge dieses Mischrohres so dimensioniert ist, dass sich eine ausreichende Mischungsgüte für alle Brennstoffarten ergibt. Ist beispielsweise der eingesetzte Drallerzeuger nach den Grundzügen des Doppelkegelbrenners aufgebaut, so ergibt sich die Drallstärke aus der Auslegung des entsprechenden Kegelwinkels, der Lufteintrittsschlitze und deren Anzahl.
- Im Mischrohr besitzt das Axialgeschindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse und verhindert dadurch Rückzündungen in diesem Bereich. Die Axialgeschwindigkeit fällt zur Wand hin ab. Um Rückzündungen auch in diesem Bereich zu unterbinden, werden verschiedene Vorkehrungen vorgesehen: Beispielsweise zum einen lässt sich das gesamte Geschwindigkeitsniveau durch Verwendung eines Mischrohres mit einem ausreichend kleinen Durchmesser anheben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, nur die Geschwindigkeit im Aussenbereich des Mischrohres zu erhöhen, indem ein kleiner Teil der Verbrennungsluft über einen Ringspalt oder durch Filmlegungsbohrungen stromab der Uebergangskanäle in das Mischrohr einströmt.
- Ein Teil des allenfalls erzeugten Druckverlustes kann durch Anbringung eines Diffusors am Ende des Mischrohres wettgemacht werden.
- Am Ende des Mischrohres schliesst sich die Brennkammer mit einem Querschnittssprung an. Hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone, deren Eigenschaften die eines Flammenhalters sind.
- Die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone erfordert eine ausreichend hohe Drallzahl im Rohr. Ist aber eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner, stark verdrallter Luftmengen, 5-20% der Gesamtluftmenge, am Rohrende erzeugt werden.
- In Verbindung mit dem erwähnten Querschnittssprung am Rohrende ergeben sich Rückströmzonen hoher räumlicher Stabilität, die sich gut zur Flammenstabilisierung eignen.
- Was die erwähnten Uebergangskanäle zur Einleitung der Strömung aus dem Drallerzeuger in das Mischrohr betrifft, so ist zu sagen, dass der Verlauf dieser Uebergangskanäle spiralförmig verengend oder erweiternd ausfällt, entsprechend dem effektiven anschliessenden Durchflussquerschnitt des Mischrohres.
- Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
- Es zeigt:
- Fig. 1
- einen Brenner mit anschliessender Brennkammer,
- Fig. 2
- einen Drallerzeuger in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,
- Fig. 3
- einen Schnitt durch den 2-Schalen-Drallerzeuger, nach Fig. 2,
- Fig. 4
- einen Schnitt durch einen 4-Schalen-Drallerzeuger,
- Fig. 5
- einen Schitt durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind und
- Fig. 6
- eine Darstellung der Form der Uebergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und Mischrohr.
- Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100 wirksam, dessen Ausgestaltung in den nachfolgenden Fig. 2-5 noch näher gezeigt und beschrieben wird. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100 um ein kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von einem tangential einströmenden Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich hierein bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Uebergangsgeometrie nahtlos in ein Uebergangsstück 200 übergeleitet, dergestalt, dass dort keine Ablösungsgebiete auftreten können. Die Konfiquration dieser Uebergangsgeometrie wird unter Fig. 6 näher beschrieben. Dieses Uebergangsstück 200 ist abströmungsseitig der Uebergangsgeometrie durch ein Rohr 20 verlängert, wobei beide Teile das eigentliche Mischrohr 220 des Brenners bilden. Selbstverständlich kann das Mischrohr 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d.h. dann, dass das Uebergangsstück 200 und Rohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmolzen sind, wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Uebergangsstück 200 und Rohr 20 aus zwei Teilen erstellt, so sind diese durch einen Buchsenring 10 verbunden, wobei der gleiche Buchsenring 10 kopfseitig als Verankerungsfläche für den Drallerzeuger 100 dient. Ein solcher Buchsenring 10 hat darüber hinaus den Vorteil, dass verschiedene Mischrohre eingesetzt werden können. Abströmungsseitig des Rohres 20 befindet sich die eigentliche Brennkammer 30, welche hier lediglich durch das Flammrohr versinnbildlicht ist. Das Mischrohr 220 erfüllt die Bedingung, dass stromab des Drallerzeugers 100 eine definierte Mischstrecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 220, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so dass sich auch in Wirkverbindung mit der Uebergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluss ausgeübt werden kann. Dieses Mischrohres 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, dass im Mischrohr 220 selbst das Axialgeschwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so dass eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, dass bei einer solchen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr 220 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl regelmässig oder unregelmässig verteilten Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 220 strömt, und entlang der Wand eine Erhöhung der Geschwindigkeit indiziert. Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, dass der Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220 abströmungsseitig der Uebergangskanäle 201, welche die bereits genannten Uebergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 220 angehoben wird. In der Figur entspricht der Auslauf der Uebergangskanäle 201 dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220. Die genannten Uebergangskanäle 201 überbrücken demnach den jeweiligen Querschnittsunterschied, ohne dabei die gebildete Strömung negativ zu beeinflussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung 40 entlang des Mischrohres 220 einen nicht tolerierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende des Mischrohres ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 220 schliesst sich eine Brennkammer 30 an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone 50, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmässige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone 50. Stirnseitig weist die Brennkammer 30 eine Anzahl Oeffnungen 31 auf, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung strömt, und dort unteren anderen dazu beiträgt, dass die Ringstabilisation der Rückströmzone 50 gestärkt wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, dass die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 50 auch eine ausreichend hohe Drallzahl in einem Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen am Rohrende, beispielsweise durch tangentiale Oeffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, dass die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge beträgt.
- Um den Aufbau des Drallerzeugers 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 2 mindestens Fig. 3 herangezogen wird. Des weiteren, um diese Fig. 2 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Figur 3 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 2 nach Bedarf auf die genannten Figuren hingewiesen.
- Der erste Teil des Brenners nach Fig. 1 bildet den nach Fig. 2 gezeigten Drallerzeuger 100. Dieser besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Anzahl der kegelförmigen Teilkörper kann selbstverständlich grösser als zwei sein, wie die Figuren 4 und 5 zeigen; dies hängt jeweils, wie weiter unten noch näher zur Erläuterung kommen wird, von der Betreibungsart des ganzen Brenners ab. Es ist bei bestimmten Betriebskonstellationen nicht ausgeschlossen, einen aus einer einzigen Spirale bestehenden Drallerzeuger vorzusehen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 201b, 202b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Kanal, d.h. einen Lufteintrittsschlitz 119, 120 (Fig. 3), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Drallerzeugers 100, d.h. in den Kegelhohlraum 114 desselben strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Drallerzeugers 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 vorzugsweise für einen flüssigen Brennstoff 112 untergebracht, deren Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraumes 114 zusammenfällt. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. Selbstverständlich kann der Drallerzeuger 100 rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff 112 handelt es sich, wie erwähnt, im Normalfall um einen flüssigen Brennstoff, wobei eine Gemischbildung mit einem anderen Medium ohne weiteres möglich ist. Dieser Brennstoff 112 wird unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffspray 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer Vermischung Richtung Verdampfung abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 113 über die Oeffnungsdüsen 117 eingebracht, geschieht die Bildung des Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 119, 120. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt, oder beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas oder Abgas angereichert, so unterstützt dies nachhaltig die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112, bevor dieses Gemisch in die nachgeschaltete Stufe strömt. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 flüssige Brennstoffe zugeführt werden sollten. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich des Kegelwinkels und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind an sich enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 am Ausgang des Drallerzeugers 100 einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die schnellere Bildung einer Rückströmzone bereits im Bereich des Drallerzeugers begünstigt. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Drallerzeugers 100 lässt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Eine entsprechende Drallerzeugung verhindert die Bildung von Strömungsablösungen innerhalb des dem Drallerzeuger 100 nachgeschalteten Mischrohr. Die Konstruktion des Drallerzeugers 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Drallerzeugers 100 eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 101, 102 auch in einer anderen Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Ueberlappung derselben vorgesehen werden kann. Es ist des weiteren möglich, die Teilkörper 101, 102 durch eine gegenläufig drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln. Somit ist es möglich, die Form, die Grösse und die Konfiguration der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 beliebig zu variieren, womit der Drallerzeuger 100 ohne Veränderung seiner Baulänge universell einsetzbar ist.
- Aus Fig. 3 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungsrichtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Oeffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 dynamisch verändert werden soll. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmässige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Drallerzeuger 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vogesehen werden.
- Fig. 4 zeigt gegenüber Fig. 3, dass der Drallerzeuger 100 nunmehr aus vier Teilkörpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen zu jedem Teilkörper sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Konfiguration ist zu sagen, dass sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringeren Drallstärke und im Zusammenwirken mit einer entsprechend vergrösserten Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungsseitig des Drallerzeugers im Mischrohr zu verhindern, womit das Mischrohr die ihm zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.
- Fig. 5 unterscheidet sich gegenüber Fig. 4 insoweit, als hier die Teilkörper 140, 141, 142, 143 eine Schaufelprofilform haben, welche zur Bereitstellung einer gewissen Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Drallerzeugers die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Verbrennungsluftstromes 115 geschieht aus dem Innern der Schaufelprofile heraus, d.h. die Brennstoffleitung 108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert. Auch hier sind die Längssymmetrieachsen zu den einzelnen Teilkörpern mit der Buchstabe a gekennzeichnet.
- Fig. 6 zeigt das Uebergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Uebergangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100 mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 4 oder 5, aufgebaut. Dementsprechend weist die Uebergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper vier Uebergangskanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche der genannten Teilkörper verlängert wird, bis sie die Wand des Rohres 20 resp. des Mischrohres 220 schneidet. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als den unter Fig. 2 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung verlaufende Fläche der einzelnen Uebergangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, dass sich vorliegend der Durchflussquerschnitt des Uebergangsstückes 200 in Strömungsrichtung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Uebergangskanäle 201 in Strömungsrichtung ist so gewählt, dass der Rohrströmung anschliessend bis zum Querschnittssprung am Brennkammereintritt noch eine genügend grosse Strecke verbleibt, um eine perfekte Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerkstelligen. Ferner erhöht sich durch die oben genannten Massnahmen auch die Axialgeschwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeugers. Die Uebergangsgeometrie und die Massnahmen im Bereich des Mischrohres bewirken eine deutliche Steigerung des Axialgeschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt des Mischrohres hin, so dass der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegengewirkt wird.
-
- 10
- Buchenring
- 20
- Rohr
- 21
- Bohrungen, Oeffnungen
- 30
- Brennkammer
- 31
- Oeffnungen
- 40
- Strömung, Rohrströmung im Mischrohr
- 50
- Rückströmzone
- 100
- Drallerzeuger
- 101, 102
- Teilkörper
- 101a, 102b
- Zylindrische Anfangsteile
- 101b, 102b
- Längssymmetrieachsen
- 103
- Brennstoffdüse
- 104
- Brennstoffeindüsung
- 105
- Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)
- 108, 109
- Brennstoffleitungen
- 112
- Flüssiger Brennstoff
- 113
- Gasförmiger Brennstoff
- 114
- Kegelhohlraum
- 115
- Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)
- 116
- Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen 108, 109
- 117
- Brennstoffdüsen
- 119, 120
- Tangentiale Lufteintrittsschlitze
- 121a, 121b
- Leitbleche
- 123
- Drehpunkt der Leitbleche
- 130, 131, 132, 133
- Teilkörper
- 131a, 131a, 132a, 133a
- Längssymmetrieachsen
- 140, 141, 142, 143
- Schaufelprofilförmige Teilkörper
- 140a, 141a, 142a, 143a
- Längssymmetrieachsen
- 200
- Uebergangsstück
- 201
- Uebergangskanäle
- 220
- Mischrohr
Claims (14)
- Brenner für einen Wärmeerzeuger, im wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom und aus Mitteln zur Eindüsung eines Brennstoffes, dadurch gekennnzeichnet, dass stromab des Drallerzeugers (100) eine Mischstrecke (220) angeordnet ist, und dass die Mischstrecke (220) stromab des Drallerzeugers (100) innerhalb eines ersten Streckenteils (200) in Strömungsrichtung verlaufende Uebergangskanäle (201) zur Ueberführung einer im Drallerzeuger (100) gebildeten Strömung (40) in den stromab der Uebergangskanäle (201) nachgeschalteten Durchflussquerschnitt (20) der Mischstrecke (220) aufweist.
- Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischstrecke (220) als rohrförmiges Mischelement ausgebildet ist.
- Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Uebergangskanäle (201) in der Mischstrecke (220) der Anzahl der Teilkörper des Drallerzeugers (100) entspricht.
- Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischstrecke (220) stromab der Uebergangskanäle (201) in Strömungsrichtung und in Umfangsrichtung mit Oeffnungen als Filmlegungsbohrungen (21) zur Eindüsung eines Luftstromes versehen ist.
- Brenner nach Anspruch 1, dass die Mischstrecke (220) stromab der Uebergangskanäle (201) mit tangentialen Oeffnungen zur Eindüsung eines Luftstromes versehen ist.
- Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt (20) der Mischstrecke (220) stromab der Uebergangskanäle (201) kleiner, gleich gross oder grösser als der Querschnitt der im Drallerzeuger (100) gebildeten Strömung (40) ist.
- Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Uebergangskanäle (201) sektoriell die Stirnfläche der Mischstrecke (220) erfassen und in Strömungsrichtung drallförmig verlaufen.
- Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Mischstrecke (220) ein Diffusor vorhanden ist.
- Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Mischstrecke (220) eine Brennkammer (30) angeordnet ist, dass zwischen der Mischstrecke (220) und der Brennkammer (30) ein Querschnittssprung vorhanden ist, der den anfänglichen Strömungsquerschnitt der Brennkammer (30) indiziert, und dass im Bereich dieses Querschnittssprunges eine Rückströmzone (50) wirkbar ist.
- Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102; 130, 131, 132, 133; 140, 141, 142, 143) besteht, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen (101b, 102b; 130a, 131a, 132a, 133a; 140a, 141a, 142a, 143a) dieser Teilkörper gegeneinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstromes (115) bilden, und dass im von den Teilkörpern gebildeten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) angeordnet ist.
- Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.
- Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (140, 141, 142, 143) im Querschnitt eine schaufelförmige Profilierung aufweisen.
- Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper in Strömungsrichtung einen festen Kegelwinkel, oder eine zunehmende Kegelneigung, oder eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.
- Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper spiralförmig ineinandergeschachtelt sind.
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