EP0730121A2 - Premix burner - Google Patents

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Publication number
EP0730121A2
EP0730121A2 EP96810089A EP96810089A EP0730121A2 EP 0730121 A2 EP0730121 A2 EP 0730121A2 EP 96810089 A EP96810089 A EP 96810089A EP 96810089 A EP96810089 A EP 96810089A EP 0730121 A2 EP0730121 A2 EP 0730121A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channel
fuel
premix burner
combustion chamber
burner
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP96810089A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0730121A3 (en
Inventor
Klaus Dr. Döbbeling
Hans P. Knöpfel
Peter Dr. Senior
Christian Dr. Steinbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland, ABB Research Ltd Sweden filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Publication of EP0730121A2 publication Critical patent/EP0730121A2/en
Publication of EP0730121A3 publication Critical patent/EP0730121A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/02—Disposition of air supply not passing through burner
    • F23C7/06—Disposition of air supply not passing through burner for heating the incoming air
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M9/00—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields
    • F23M9/02—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields in air inlets

Definitions

  • the present invention relates to a premix burner according to the preamble of claim 1. It also relates to a method for operating such a premix burner.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention is based on the object of proposing a configuration for a premix burner and a method of the type mentioned at the outset, which can produce the same depth of pollutant emissions when operated with both liquid and gaseous fuels. Furthermore, it is an object of the invention to maximize the operational reliability of the premix burner.
  • the main advantage of the invention can be seen in the fact that the burner can be operated in premix mode with both liquid and gaseous fuels without changing its structure under extremely low emission values. It is therefore possible to change the fuel type as required during operation without having to intervene in the configuration of the burner.
  • Another advantage of the invention is that the cooling of the thermally highly loaded front wall of the burner, hereinafter referred to as the burner front, and its surroundings is accomplished by a cooling air stream flowing along the loaded walls, such that even in the event of a flashback of the flame inside the flame the burner cannot be destroyed.
  • the burner has a simple geometric shape, and the length of the evaporation and mixing section can be selected accordingly. After the fuel has been added, there are no internals in the flow field, which means that the flow can be optimally guided. Because the evaporation and mixing section can be freely selected, it can also be provided with a radial deflection which takes the mixing zone away from the direct flame radiation.
  • the figure shows a rotationally symmetrical premix burner 1, as can be seen from the central axis 14.
  • the premix burner 1 can, however, also consist of a single tube, or a plurality of tubes can be arranged in a ring around the central axis 14.
  • This premix burner 1 is characterized, inter alia, in the area of the burner front 9 by an inflow channel 8 running radially and in the circumferential direction. Cooling air 7 flows through this inflow duct 8 and continuously cools said burner front 9. The cooling air flow is then continued by a deflection along the outer shell of the premix burner 1. After the cooling process has ended, the cooling air mentioned is preferably introduced into the premix burner 1 at a suitable point.
  • the cooling provided here is in itself a convective cooling system, the tube guide of the premix burner 1 being readily perforated in the circumferential direction and axially, with the result that effusion cooling or. film cooling comes into play.
  • swirl bodies 200 hereinafter referred to as vortex generators, are provided, which impose a swirl on the incoming combustion air 2.
  • This combustion air 2 can be fresh air or a mixture formed with recirculated flue gas, both the fresh air and the mixture optionally being enriched with a fuel.
  • the combustion air 2 can also be pretreated, depending on the type of operation.
  • the actual fuel injection into the premix burner 1 takes place downstream of the vortex generators 200 mentioned.
  • a liquid fuel 12a at least one fuel nozzle 12, which is preferably designed as an atomizing nozzle, is arranged in the throughflow channel.
  • a further swirl generator 4 arranged, which is flowed through axially, radially or at a certain angle compared to the fuel injection immediately downstream.
  • the liquid fuel 12a provided by the fuel nozzle 12 is continuously driven in by the combustion air flow directed due to the design of the swirl generator 4, in such a way that fine atomization of the liquid fuel 12a with droplet sizes ⁇ 20 ⁇ m is produced.
  • the swirl generator 4 mentioned wherein several can also be arranged on the inner outer wall of the flow cross-section, can have the shape of a vane grille over the circumference or a correspondingly modified shape of the burner recognized in the foregoing according to EP-0 321 809.
  • these swirl generators 4 can be constructed using the technique of vortex generators 200.
  • the vortex generators 200 arranged upstream at the beginning of the premix burner 1 can be dispensed with under certain circumstances, it being noted that in normal operation they improve the subsequent process by accelerating the combustion air 2 there.
  • These vortex generators 200 are placed differently within the inflow zone 3 around the inner and outer channel wall 17 of the flow cross section.
  • a sufficiently long evaporation section 6 should be provided so that the gasification of the liquid fuel 12a is completed before reaching the burner front 9.
  • the cross-sectional area of the premix burner is preferably kept constant from the swirl body 4 to the end of the hub body, that is to say in the area of the burner front 9, after which a vortex burst is achieved by a diffuser-like expansion and additionally by a sudden expansion to the cross-section 10 of the combustion chamber 16.
  • the backflow zone 11 that results from this enables the premix burner 1 to be operated even under very low fuel conditions.
  • the premix burner 1 is supplemented with a gaseous fuel 5a in the circumferential direction and downstream of the swirl generator 4, which is now arranged around the inner wall of the flow cross-section, with a series of injection lances 5, preferably with a corresponding fuel injection for each swirl generator 4, this by the desired fuel ratio to each Achieve longitudinal vertebrae better.
  • additional fuel nozzles 15 for a liquid and / or gaseous fuel 12a, 5a can be provided at the end of the hub body.
  • the premix burner 1 can also be operated in dual mode.
  • the cross-sectional guide of the premix burner 1 Downstream of the main fuel injectors 12a, 5a, the cross-sectional guide of the premix burner 1 has a radial deflection in the sense of a bulge 13, which prevents the flame radiation from acting on the fuel spray and igniting it. Since the fuel nozzle 12 is operated in the arrangement described with a very high mass flow ratio, the required degree of gasification of the liquid fuel 12a can be easily achieved.
  • a vortex generator 200, 201, 202 essentially consists of three freely flowing triangular surfaces. These are a roof surface 210 and two side surfaces 211 and 213. In their longitudinal extent, these surfaces run at certain angles in the direction of flow.
  • the side walls of the vortex generators 200, 201, 202, which preferably consist of right-angled triangles, are fixed with their long sides on the channel wall 17 already mentioned, preferably gas-tight. They are oriented so that they form a joint on their narrow sides, including an arrow angle ⁇ .
  • the joint is designed as a sharp connecting edge 216 and is perpendicular to each channel wall 17 with which the side surfaces are flush.
  • the two side surfaces 211, 213 including the arrow angle ⁇ are symmetrical in shape, size and orientation in FIG. 4, they are arranged on both sides of an axis of symmetry 217 which is oriented in the same direction as the channel axis.
  • the roof surface 210 lies with a very narrow edge 215 running transversely to the channel through which it flows and on the same channel wall 17 as the side surfaces 211,. 213.
  • Their longitudinal edges 212, 214 are flush with the longitudinal edges of the side surfaces 211, 213 projecting into the flow channel.
  • the roof surface 210 extends at an angle of inclination ⁇ to the channel wall 17, the longitudinal edges 212, 214 of which, together with the connecting edge 216, form a point 218.
  • the vortex generator 200, 201, 202 can also be provided with a bottom surface with which it is fastened in a suitable manner to the channel wall 17. Such a floor area is, however, unrelated to the mode of operation of the element.
  • the mode of operation of the vortex generator 200, 201, 202 is as follows: When flowing around the edges 212 and 214, the main flow 2 is converted into a pair of opposing vortices, as is schematically outlined in the figures.
  • the vortex axes lie in the axis of this main flow.
  • the vortex strength or the number of swirls is increased, and the location of the vortex bursting shifts upstream into the region of the vortex generator 200, 201, 202 itself.
  • these two angles ⁇ and ⁇ are due to structural conditions and determined by the process itself.
  • These vortex generators only have to be adjusted with regard to Length and height, as will be detailed below in FIG. 5.
  • the connecting edge 216 of the two side surfaces 211, 213 forms the downstream edge of the vortex generator 200.
  • the edge 215 of the roof surface 210 running transversely to the flow through the channel is thus the edge which is first acted upon by the channel flow.
  • FIG. 3 shows a so-called half "vortex generator” based on a vortex generator according to FIG. 2.
  • the vortex generator 201 shown here only one of the two side surfaces is provided with the arrow angle ⁇ / 2.
  • the other side surface is straight and oriented in the direction of flow.
  • only one vortex is generated on the arrowed side, as is shown in the figure. Accordingly, there is no vortex-neutral field downstream of this vortex generator, but a swirl is forced on the flow.
  • FIG. 4 differs from FIG. 2 in that the sharp connecting edge 216 of the vortex generator 202 is the point which is first acted upon by the channel flow. The element is therefore rotated by 180 °. As can be seen from the illustration, the two opposite vortices have changed their sense of rotation.
  • FIG. 5 shows the basic geometry of a vortex generator 200 installed in a channel 3.
  • the height h of the connecting edge 216 will be coordinated with the channel height H, or the height of the channel part which is assigned to the vortex generator that the vortex generated immediately downstream of the vortex generator 200 already reaches such a size that the full channel height H is filled. This leads to a uniform speed distribution in the cross-section applied.
  • a Another criterion that can influence the ratio of the two heights h / H to be selected is the pressure drop that occurs when the vortex generator 200 flows around. It goes without saying that the pressure loss coefficient also increases with a larger ratio h / H.
  • the vortex generators 200, 201, 202 are mainly used when it comes to mixing two flows.
  • the main flow 2 attacks the transverse edge 215 or the connecting edge 216 in the direction of the arrow.
  • the secondary flow in the form of a gaseous and / or liquid fuel, which is possibly enriched with a portion of supporting air, has a substantially smaller mass flow than the main flow. In the present case, this secondary flow is introduced into the main flow downstream of the vortex generator, as can be seen particularly well from FIG. 1.
  • the vortex generators 200 are distributed at a distance from one another over the outer and inner wall of the channel 3.
  • the vortex generators can also be lined up in the circumferential direction so that no gaps are left on the channel wall 17.
  • the vortices to be generated are ultimately decisive for the choice of the number and the arrangement of the vortex generators.
  • FIGS. 6-12 show further possible forms of introducing the fuel into the main combustion air flow 2. These variants can be combined in a variety of ways with one another and with a central fuel injection.
  • the fuel is also injected via wall bores 221, which are located directly next to the side surfaces 211, 213 and in their longitudinal extent are in the same channel wall 17 on which the vortex generators are arranged.
  • the introduction of the fuel through the wall bores 221 gives the generated vortices an additional impulse, which extends the lifespan of the vortex generator.
  • the fuel is injected via a slot 222 or via wall bores 223, both precautions being located directly in front of the edge 215 of the roof surface 210 running transversely to the flow channel and in the longitudinal extension thereof in the same channel wall 17 on which the Vortex generators are arranged.
  • the geometry of the wall bores 223 or of the slot 222 is selected such that the fuel is introduced into the main flow 2 at a certain injection angle and largely shields the subsequently placed vortex generator as a protective film against a now hot main flow 2 by flow around it.
  • the secondary flow (cf. above) is first introduced into the hollow interior of the vortex generators via guides (not shown) through the channel wall 17. This creates an internal cooling facility for the vortex generators without providing any additional equipment.
  • the fuel is injected via wall bores 224, which are located inside the roof surface 210 directly behind and along the edge 215 running transversely to the flow channel.
  • the vortex generator is cooled more externally than internally.
  • the emerging secondary flow forms when flowing around the roof surface 210 a protective layer shielding against a possibly hot main flow 2.
  • the fuel is injected via wall bores 225, which are staggered within the roof surface 210 along the line of symmetry 217.
  • the channel walls 17 are particularly well protected from a possibly hot main flow 2, since the fuel is first introduced on the outer circumference of the vortex.
  • the fuel is injected via wall bores 226, which are located in the longitudinal edges 212, 214 of the roof surface 210.
  • This solution ensures good cooling of the vortex generators, since the fuel escapes from its extremities and thus completely flushes the inner walls of the element.
  • the secondary flow is fed directly into the resulting vortex, which leads to defined flow conditions.
  • the injection takes place via wall bores 227, which are located in the side surfaces 211 and 213, on the one hand in the area of the longitudinal edges 212 and 214, and on the other hand in the area of the connecting edge 216.
  • This variant is similar in effect to that from FIG. 6 (bores 221 ) and from Fig. 11 (bores 226).

Landscapes

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Abstract

The burner (1) has a combustion chamber (16) which is supplied with air by a tubular channel (3), and has radial nozzles (5,12) for supplying a liquid (12a) or gaseous (5a) fuel. Turbulence generators (4,200) are arranged inside the channel, in order to induce a rotational flow in the airstream. The nozzles work in combination with at least one of the generators, in order to create an evaporation region (6) which extends up to the combustion front (9) in the burner. The region may also have a curvature (13) in an axial plane, which projects in a radial direction with respect to the combustion chamber.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Vormischbrenners.The present invention relates to a premix burner according to the preamble of claim 1. It also relates to a method for operating such a premix burner.

Stand der TechnikState of the art

Aus EP-0 321 809 ist ein Brenner bekanntgeworden, der eine vormischartige Verbrennung zulässt, und sonst noch eine Reihe von Vorzügen aufweist, welche in dieser Druckschrift eingehend gewürdigt sind. Dieser Brenner besteht im wesentlichen aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern, deren jeweilige Längssymmetrieachsen zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle für den Einlass eines Verbrennungsluftstromes in den Brenner bilden. Vorzugsweise wird im von den Teilkörpern gebildeten Hohlraum über eine zentrale Düse ein flüssiger Brennstoff eingedüst, während über die im Bereich der tangentialen Kanäle in Längserstreckung vorhandenen weiteren Düsen ein gasförmiger Brennstoff eingebracht wird. Bei diesem Brenner ergibt sich die Flammenstabilisation im "Premixmode" durch die Zunahme des Dralles entlang des Kegelkörpers. Dies führt am Brenneraustritt, wo bestimmungsgemäss die kritische Drallzahl vorherrscht, verbunden mit der plötzlichen brennraumbedingten Querschnittserweiterung, zu einer Rückströmzone, auch Rückströmblase genannt, auf der Brennerachse. In deren Staupunkt wird die Zündung eingeleitet. Im Teillastbereich, bei bestimmten Konstellationen, können sich jedoch Unzulänglichkeiten bezüglich der Flammenstabilisation ergeben. Das Auftreten solcher Unzulänglichkeiten wird bei diesem Brenner auf zwei Arten gelöst:

  • 1. Indem der Teillastbereich dem tiefsten Premix-Betriebspunkt entspricht, was bei atmosphärisch betriebenen Brennern mit Rauchgasrezirkulation der Fall ist;
  • 2. Indem im Teillastbereich Brennstoff über die Kopfstufe (Brennerachse) beigemischt wird, was bei Gasturbinenbetrieb zur Anwendung gelangt.
From EP-0 321 809 a burner has become known which permits premix-like combustion and which also has a number of advantages which are described in detail in this document. This burner essentially consists of at least two hollow, conical, nested partial bodies in the flow direction, the respective longitudinal axes of symmetry of which are offset from one another, in such a way that the adjacent walls of the partial bodies in their longitudinal extension form tangential channels for the inlet of a combustion air stream into the burner. A liquid fuel is preferably injected into the cavity formed by the partial bodies via a central nozzle, while a gaseous fuel is injected through the further nozzles in the area of the tangential channels in the longitudinal direction is introduced. With this burner, flame stabilization in "premix mode" results from the increase in swirl along the cone body. At the burner outlet, where the critical number of swirls is intended, combined with the sudden cross-sectional expansion due to the combustion chamber, this leads to a backflow zone, also called a backflow bubble, on the burner axis. The ignition is initiated at their stagnation point. In the partial load range, with certain constellations, inadequacies regarding flame stabilization can arise. The occurrence of such shortcomings is solved in this burner in two ways:
  • 1. By the part load range corresponds to the lowest premix operating point, which is the case with atmospheric burners with flue gas recirculation;
  • 2. By adding fuel via the head stage (burner axis) in the partial load range, which is used in gas turbine operation.

Beide Lösungen vermögen indessen nicht immer zu befriedigen, da entweder bei (1) der Druckabfall über den Brenner mit der Last steigt kann, oder bei (2) die NOx-Emissionen durch den Uebergang vom Premix- auf Diffusionsmode ansteigen können. Kommt hinzu, dass beim genannten Brenner noch etwa 2% der Luft für die Kühlung der Brennerfront benötigt werden. Diese Luft wird erst im Bereich der Flamme in den Brennraum oder in die Brennkammer eingeleitet und vermischt sich somit nur unvollständig mit dem vorgängig eingedüsten Brennstoff. Dadurch steigt die Flammentemperatur um ca. 20°C: Es besteht hier sonach die latente Gefahr, dass die NOx-Emissionen deswegen ansteigen könnten. Des weiteren muss berücksichtigt werden, dass der Brenner im Vormischbetrieb auch mit einem flüssigen Brennstoff betrieben werden sollte, ohne deswegen höhere Schadstoff-Emissionswerte in Kauf nehmen zu müssen.However, both solutions are not always satisfactory, since either (1) the pressure drop across the burner can increase with the load, or (2) the NOx emissions can increase due to the transition from premix to diffusion mode. In addition, about 2% of the air is still required to cool the burner front in the burner mentioned. This air is only introduced into the combustion chamber or into the combustion chamber in the area of the flame and thus mixes only incompletely with the previously injected fuel. This increases the flame temperature by approx. 20 ° C: There is therefore a latent danger that NOx emissions could increase as a result. Furthermore, it must be taken into account that the burner should also be operated with a liquid fuel in premix mode without having to accept higher pollutant emissions values.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vormischbrenner und einem Verfahren der eingangs genannten Art eine Konfiguration vorzuschlagen, welche bei einem Betrieb sowohl mit flüssigen als auch gasförmigen Brennstoffen gleichtiefe Schadstoff-Emissionen zu erzeugen vermag. Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, die Betriebssicherheit des Vormischbrenners zu maximieren.The invention seeks to remedy this. The invention, as characterized in the claims, is based on the object of proposing a configuration for a premix burner and a method of the type mentioned at the outset, which can produce the same depth of pollutant emissions when operated with both liquid and gaseous fuels. Furthermore, it is an object of the invention to maximize the operational reliability of the premix burner.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Brenner im Vormischbetrieb sowohl mit flüssigen als auch gasförmigen Brennstoffen ohne Veränderung seines Aufbaus unter extrem niedrigen Emissionswerten zu betreiben ist. Somit ist es möglich, die Brennstoffart im Verlaufe des Betriebes nach Bedarf zu ändern, ohne deswegen auf die Konfiguration des Brenners eingreifen zu müssen.The main advantage of the invention can be seen in the fact that the burner can be operated in premix mode with both liquid and gaseous fuels without changing its structure under extremely low emission values. It is therefore possible to change the fuel type as required during operation without having to intervene in the configuration of the burner.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Kühlung der thermisch hochbelasteten Frontwand des Brenners, nachfolgend Brennerfront genannt, und deren Umgebung durch einen entlang der belasteten Wände strömenden Kühlluftstrom bewerkstelligt wird, dergestalt, dass selbst im Falle eines Flammenrückschlages der Flamme ins Innere des Brenners keine Zerstörung desselben stattfinden kann.Another advantage of the invention is that the cooling of the thermally highly loaded front wall of the burner, hereinafter referred to as the burner front, and its surroundings is accomplished by a cooling air stream flowing along the loaded walls, such that even in the event of a flashback of the flame inside the flame the burner cannot be destroyed.

Der Brenner weist eine einfache geometrische Form auf, wobei die Länge der Verdampfungs- und Mischstrecke entsprechend gewählt werden kann. Nach der Brennstoff zugabe befinden sich im Strömungsfeld keine Einbauten mehr, wodurch die Strömung optimal geführt werden kann. Dadurch, dass die Verdampfungsund Mischstrecke frei gewählt werden kann, kann sie des weiteren mit einer radialen Ablenkung versehen werden, welche die Mischzone aus der direkten Flammenstrahlung wegnimmt.The burner has a simple geometric shape, and the length of the evaporation and mixing section can be selected accordingly. After the fuel has been added, there are no internals in the flow field, which means that the flow can be optimally guided. Because the evaporation and mixing section can be freely selected, it can also be provided with a radial deflection which takes the mixing zone away from the direct flame radiation.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient developments of the task solution according to the invention are characterized in the further dependent claims.

Im folgenden wird anhand der Figur Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figure. All elements not necessary for the immediate understanding of the invention have been omitted. The direction of flow of the media is indicated by arrows. Identical elements are provided with the same reference symbols in the various figures.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigt:

Fig. 1
einen Vormischbrenner von ringförmiger Form,
Fig. 2
eine perspektivischer Darstellung eines Wirbel-Generators,
Fig. 3
eine Ausführungsvariante des Wirbel-Generators,
Fig. 4
eine Anordnungsvariante des Wirbel-Generators nach Fig. 3,
Fig. 5
einen Wirbel-Generator im Vormischkanal und
Fig. 6-12
Varianten der Brennstoffzufhrung im Zusammenhang mit Wirbel-Generatoren.
It shows:
Fig. 1
a premix burner of an annular shape,
Fig. 2
a perspective view of a vortex generator,
Fig. 3
a variant of the vortex generator,
Fig. 4
3 shows a variant of the arrangement of the vortex generator according to FIG. 3,
Fig. 5
a vortex generator in the premixing channel and
Fig. 6-12
Variants of fuel supply in connection with vortex generators.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwertbarkeitWays of carrying out the invention, commercial usability

Die Figur zeigt einen rotationssymmetrischen Vormischbrenner 1, wie dies aus der Mittelachse 14 hervorgeht. Der Vormischbrenner 1 kann indessen auch aus einem einzelnen Rohr bestehen, oder mehrere Rohre können sich ringartig um die Mittelachse 14 anordnen. Dieser Vormischbrenner 1 ist unter anderen im Bereich der Brennerfront 9 durch einen radial und in Umfangsrichtung verlaufenden Einströmungskanal 8 charakterisiert. Durch diesen Einströmungskanals 8 strömt Kühlluft 7, welche die genannte Brennerfront 9 fortlaufend kühlt. Die Kühlluftströmung wird dann durch eine Umlenkung entlang der Aussenschale des Vormischbrenners 1 weitergeführt. Die erwähmte Kühlluft wird nach Beendigung des Kühlprozesses vorzugsweise und an geigneter Stelle in den Vormischbrenner 1 eingeführt. Die hier vorgesehene Kühlung ist an sich eine Konvektivkühlung, wobei die Röhrführung des Vormischbrenners 1 ohne weiteres in Umfangsrichtung und axial gelocht sein kann, womit dann eine Effusionskühlung resp. eine Filmkühlung zum Tragen kommt. Am Anfang des Vormischbrenners 1 sind Drallkörper 200, im folgenden Wirbel-Generatoren genannt, vorgesehen, welche der einströmenden Verbrennungsluft 2 einen Drall aufzwingen. Auf die Ausführung diese Wirbel-Generatoren 200 wird in den Fig. 2-12 näher eingegangen. Bei dieser Verbrennungsluft 2 kann es sich um Frischluft oder um ein mit rückgeführtem Rauchgas gebildetes Gemisch handeln, wobei sowohl die Frischluft als auch das Gemisch wahlweise mit einem Brennstoff angereichert sein können. Des weiteren kann die Verbrennungsluft 2 je nach Betreibungsart auch kalorisch vorbehandelt sein. Die eigentliche Brennstoffeindüsung in den Vormischbrenner 1 geschieht stromab der genannten Wirbel-Generatoren 200. Beim Betrieb des Vormischbrenners 1 mit einem flüssigen Brennstoff 12a ist im Durchströmungskanal mindestens eine Brennstoffdüse 12 angeordnet, welche vorzugsweise als Zerstäubungsdüse ausgelegt ist. Unmittelbar stromauf dieser Brennstoffdüse 12 ist mindestens ein weiter Drallerzeuger 4 angeordnet, der gegenüber der unmittelbar stromab vorgenommenen Brennstoffeindüsung axial, radial oder unter einem gewissen Winkel durchströmt wird. Der durch die Brennstoffdüse 12 bereitgestellte flüssige Brennstoff 12a wird durch die aufgrund der Auslegung des Drallerzeugers 4 gerichtete Verbrennungsluft-Strömung fortlaufend eingedrallt, dergestalt, dass hierdurch eine feine Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes 12a mit Tropfengrössen < 20 µm entstehen. Der genannte Drallerzeuger 4, wobei auf der inneren Aussenwand des Durchflussquerschnittes auch mehrere angeordnet sein können, kann über den Umfang die Form eines Schaufelgitters haben, oder eine entsprechend abgewandelte Form des vorne gewürdigten Brenners nach EP-0 321 809 aufweisen. Selbstverständlich können diese Drallerzeuger 4 nach der Technik der Wirbel-Generatoren 200 aufgebaut sein. Auf die stromauf disponierten Wirbel-Generatoren 200 am Anfang des Vormischbrenners 1 kann unter gewissen Umständen verzichtet werden, wobei anzumerken ist, dass diese im Normalbetrieb durch die dort stattfindende Beschleunigung der Verbrennungsluft 2 eine Verbesserung des nachfolgenden Prozesses bewirken. Diese Wirbel-Generatoren 200 sind innerhalb der Zuströmzone 3 verschiedentlich um die innere und äussere Kanalwand 17 des Durchflussquerschnittes plaziert. Abströmungsseitig der durch die Interdependenz von Brennstoffdüse 12 und Drallerzeuger 4 stattfindenden Zerstäubung des eingegebenen flüssigen Brennstoffes 12a soll eine genügend lange Verdampfungsstrecke 6 vorgesehen werden, damit die Vergasung des flüssigen Brennstoffes 12a vor Erreichen der Brennerfront 9 abgeschlossen ist. Die Querschnittsfläche des Vormischbrenners wird ab dem Drallkörper 4 bis zum Ende des Nabenkörpers, also bis im Bereich der Brennerfront 9, vorzugsweise konstant gehalten, danach wird ein Wirbelaufplatzen durch eine diffusorartige Erweiterung und zusätzlich durch eine sprungartige Erweiterung auf den Querschnitt 10 des Brennraumes 16 erreicht. Die sich hier daraus bildende Rückströmzone 11 ermöglicht einen Betrieb des Vormischbrenners 1 auch bei sehr brennstoffarmen Bedingungen. Für den Betrieb mit einem gasförmigen Brennstoff 5a wird der Vormischbrenner 1 in Umfangsrichtung und stromab der nun um die Innenwand des Durchflussquerschnittes disponierten Drallerzeuger 4 mit einer Reihe von Eindüsungslanzen 5 ergänzt, wobei vozugsweise zu jedem Drallerzeuger 4 eine entsprechende Brennstoffeindüsung vorgesehen wird, dies um das gewünschte Brennstoffverhältnis zu jedem Längswirbel besser zu erreichen. Für den Betrieb in niedriger Teillast können etwa am Ende des Nabenkörpers zusätzliche Brennstoffdüsen 15 für einen flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff 12a, 5a vorgesehen werden. Allgemein ist zu sagen, dass der Vormischbrenner 1 ohne weiters im Dualbetrieb betrieben werden kann. Stromab der Haupt-Brennstoffeindüsungen 12a, 5a, weist die Querschnittsführung des Vormischbrenners 1 eine radiale Umlenkung im Sinne einer Aufwölbung 13 auf, welche verhindert, dass die Flammenstrahlung auf das Brennstoffspray einwirken kann und es entzünden könnte. Da die Brennstoffdüse 12 in der beschriebenen Anordnung mit einem sehr hohen Massenstromverhältnis betrieben wird, lässt sich der erforderliche Vergasungsgrad des flüssigen Brennstoffes 12a ohne weiteres erreichen.The figure shows a rotationally symmetrical premix burner 1, as can be seen from the central axis 14. The premix burner 1 can, however, also consist of a single tube, or a plurality of tubes can be arranged in a ring around the central axis 14. This premix burner 1 is characterized, inter alia, in the area of the burner front 9 by an inflow channel 8 running radially and in the circumferential direction. Cooling air 7 flows through this inflow duct 8 and continuously cools said burner front 9. The cooling air flow is then continued by a deflection along the outer shell of the premix burner 1. After the cooling process has ended, the cooling air mentioned is preferably introduced into the premix burner 1 at a suitable point. The cooling provided here is in itself a convective cooling system, the tube guide of the premix burner 1 being readily perforated in the circumferential direction and axially, with the result that effusion cooling or. film cooling comes into play. At the beginning of the premix burner 1, swirl bodies 200, hereinafter referred to as vortex generators, are provided, which impose a swirl on the incoming combustion air 2. The design of these vortex generators 200 is discussed in more detail in FIGS. 2-12. This combustion air 2 can be fresh air or a mixture formed with recirculated flue gas, both the fresh air and the mixture optionally being enriched with a fuel. Furthermore, the combustion air 2 can also be pretreated, depending on the type of operation. The actual fuel injection into the premix burner 1 takes place downstream of the vortex generators 200 mentioned. When the premix burner 1 is operated with a liquid fuel 12a, at least one fuel nozzle 12, which is preferably designed as an atomizing nozzle, is arranged in the throughflow channel. Immediately upstream of this fuel nozzle 12 is at least one further swirl generator 4 arranged, which is flowed through axially, radially or at a certain angle compared to the fuel injection immediately downstream. The liquid fuel 12a provided by the fuel nozzle 12 is continuously driven in by the combustion air flow directed due to the design of the swirl generator 4, in such a way that fine atomization of the liquid fuel 12a with droplet sizes <20 μm is produced. The swirl generator 4 mentioned, wherein several can also be arranged on the inner outer wall of the flow cross-section, can have the shape of a vane grille over the circumference or a correspondingly modified shape of the burner recognized in the foregoing according to EP-0 321 809. Of course, these swirl generators 4 can be constructed using the technique of vortex generators 200. The vortex generators 200 arranged upstream at the beginning of the premix burner 1 can be dispensed with under certain circumstances, it being noted that in normal operation they improve the subsequent process by accelerating the combustion air 2 there. These vortex generators 200 are placed differently within the inflow zone 3 around the inner and outer channel wall 17 of the flow cross section. On the outflow side of the atomization of the input liquid fuel 12a taking place due to the interdependence of fuel nozzle 12 and swirl generator 4, a sufficiently long evaporation section 6 should be provided so that the gasification of the liquid fuel 12a is completed before reaching the burner front 9. The cross-sectional area of the premix burner is preferably kept constant from the swirl body 4 to the end of the hub body, that is to say in the area of the burner front 9, after which a vortex burst is achieved by a diffuser-like expansion and additionally by a sudden expansion to the cross-section 10 of the combustion chamber 16. The backflow zone 11 that results from this enables the premix burner 1 to be operated even under very low fuel conditions. For the business The premix burner 1 is supplemented with a gaseous fuel 5a in the circumferential direction and downstream of the swirl generator 4, which is now arranged around the inner wall of the flow cross-section, with a series of injection lances 5, preferably with a corresponding fuel injection for each swirl generator 4, this by the desired fuel ratio to each Achieve longitudinal vertebrae better. For operation in low partial load, additional fuel nozzles 15 for a liquid and / or gaseous fuel 12a, 5a can be provided at the end of the hub body. In general, it can be said that the premix burner 1 can also be operated in dual mode. Downstream of the main fuel injectors 12a, 5a, the cross-sectional guide of the premix burner 1 has a radial deflection in the sense of a bulge 13, which prevents the flame radiation from acting on the fuel spray and igniting it. Since the fuel nozzle 12 is operated in the arrangement described with a very high mass flow ratio, the required degree of gasification of the liquid fuel 12a can be easily achieved.

In den Figuren 2, 3 und 4 ist die eigentliche Zuströmzone 3 nicht dargestellt. Dargestellt ist hingegen durch einen Pfeil die Strömung der Verbrennungsluft 2, womit auch die Strömungsrichtung vorgegeben ist. Gemäss diesen Figuren besteht ein Wirbel-Generator 200, 201, 202 im wesentlichen aus drei frei umströmten dreieckigen Flächen. Es sind dies eine Dachfläche 210 und zwei Seitenflächen 211 und 213. In ihrer Längserstreckung verlaufen diese Flächen unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung. Die Seitenwände der Wirbel-Generatoren 200, 201, 202, welche vorzugsweise aus rechtwinkligen Dreiecken bestehen, sind mit ihren Längsseiten auf der bereits angesprochenen Kanalwand 17 fixiert, vorzugsweise gasdicht. Sie sind so orientiert, dass sie an ihren Schmalseiten einen Stoss bilden unter Einschluss eines Pfeilwinkels α. Der Stoss ist als scharfe Verbindungskante 216 ausgeführt und steht senkrecht zu jeder Kanalwand 17, mit welcher die Seitenflächen bündig sind. Die beiden den Pfeilwinkel α einschliessenden Seitenflächen 211, 213 sind in Fig. 4 symmetrisch in Form, Grösse und Orientierung, sie sind beidseitig einer Symmetrieachse 217 angeordnet, welche gleichgerichtet wie die Kanalachse ist.
Die Dachfläche 210 liegt mit einer quer zum durchströmten Kanal verlaufenden und sehr schmal ausgebildeten Kante 215 an der gleichen Kanalwand 17 an wie die Seitenflächen 211,. 213. Ihre längsgerichteten Kanten 212, 214 sind bündig mit den in den Strömungskanal hineinragenden, längsgerichteten Kanten der Seitenflächen 211, 213. Die Dachfläche 210 verläuft unter einem Anstellwinkel Θ zur Kanalwand 17, deren Längskanten 212, 214 bilden zusammen mit der Verbindungskante 216 eine Spitze 218. Selbstverständlich kann der Wirbel-Generator 200, 201, 202 auch mit einer Bodenfläche versehen sein, mit welcher er auf geeignete Weise an der Kanalwand 17 befestigt ist. Eine derartige Bodenfläche steht indessen in keinem Zusammenhang mit der Wirkungsweise des Elementes.The actual inflow zone 3 is not shown in FIGS. 2, 3 and 4. In contrast, the flow of the combustion air 2 is shown by an arrow, which also specifies the direction of flow. According to these figures, a vortex generator 200, 201, 202 essentially consists of three freely flowing triangular surfaces. These are a roof surface 210 and two side surfaces 211 and 213. In their longitudinal extent, these surfaces run at certain angles in the direction of flow. The side walls of the vortex generators 200, 201, 202, which preferably consist of right-angled triangles, are fixed with their long sides on the channel wall 17 already mentioned, preferably gas-tight. They are oriented so that they form a joint on their narrow sides, including an arrow angle α. The joint is designed as a sharp connecting edge 216 and is perpendicular to each channel wall 17 with which the side surfaces are flush. The two side surfaces 211, 213 including the arrow angle α are symmetrical in shape, size and orientation in FIG. 4, they are arranged on both sides of an axis of symmetry 217 which is oriented in the same direction as the channel axis.
The roof surface 210 lies with a very narrow edge 215 running transversely to the channel through which it flows and on the same channel wall 17 as the side surfaces 211,. 213. Their longitudinal edges 212, 214 are flush with the longitudinal edges of the side surfaces 211, 213 projecting into the flow channel. The roof surface 210 extends at an angle of inclination Θ to the channel wall 17, the longitudinal edges 212, 214 of which, together with the connecting edge 216, form a point 218. Of course, the vortex generator 200, 201, 202 can also be provided with a bottom surface with which it is fastened in a suitable manner to the channel wall 17. Such a floor area is, however, unrelated to the mode of operation of the element.

Die Wirkungsweise des Wirbel-Generators 200, 201, 202 ist die folgende: Beim Umströmen der Kanten 212 und 214 wird die Hauptströmung 2 in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt, wie dies in den Figuren schematisch skizziert ist. Die Wirbelachsen liegen in der Achse dieser Hauptströmung. Die Drallzahl und der Ort des Wirbelaufplatzens (Rückströmzone = Vortex Breakdown), sofern letzteres angestrebt wird, werden durch entsprechende Wahl des Anstellwinkels Θ und des Pfeilwinkels α bestimmt. Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht, und der Ort des Wirbelaufplatzens verschiebt sich stromaufwärts bis hin in den Bereich des Wirbel-Generators 200, 201, 202 selbst. Je nach Anwendung sind diese beiden Winkel Θ und α durch konstruktive Gegebenheiten und durch den Prozess selbst vorgegeben. Angepasst werden müssen diese Wirbel-Generatoren nur noch bezüglich Länge und Höhe, wie dies weiter unten unter Fig. 5 noch detailliert zur Ausführung gelangen wird.The mode of operation of the vortex generator 200, 201, 202 is as follows: When flowing around the edges 212 and 214, the main flow 2 is converted into a pair of opposing vortices, as is schematically outlined in the figures. The vortex axes lie in the axis of this main flow. The number of swirls and the location of the vortex breakdown (return flow zone = vortex breakdown), if the latter is aimed for, are determined by a corresponding choice of the angle of attack Θ and the arrow angle α. With increasing angles, the vortex strength or the number of swirls is increased, and the location of the vortex bursting shifts upstream into the region of the vortex generator 200, 201, 202 itself. Depending on the application, these two angles Θ and α are due to structural conditions and determined by the process itself. These vortex generators only have to be adjusted with regard to Length and height, as will be detailed below in FIG. 5.

In Fig. 2 bildet die Verbindungskante 216 der beiden Seitenflächen 211, 213 die stromabwärtsseitige Kante des Wirbel-Generators 200. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende Kante 215 der Dachfläche 210 ist somit die von der Kanalströmung zuerst beaufschlagte Kante.In FIG. 2, the connecting edge 216 of the two side surfaces 211, 213 forms the downstream edge of the vortex generator 200. The edge 215 of the roof surface 210 running transversely to the flow through the channel is thus the edge which is first acted upon by the channel flow.

In Fig. 3 ist ein sogenannter halber "Wirbel-Generator" auf der Basis eines Wirbel-Generators nach Fig. 2 gezeigt. Beim hier gezeigten Wirbel-Generator 201 ist nur die eine der beiden Seitenflächen mit dem Pfeilwinkel α/2 versehen. Die andere Seitenfläche ist gerade und in Strömungsrichtung ausgerichtet. Im Gegensatz zum symmetrischen Wirbel-Generator wird hier nur ein Wirbel an der gepfeilten Seite erzeugt, wie dies in der Figur versinnbildlicht wird. Demnach liegt stromab dieses Wirbel-Generators kein wirbelneutrales Feld vor, sondern der Strömung wird ein Drall aufgezwungen.FIG. 3 shows a so-called half "vortex generator" based on a vortex generator according to FIG. 2. In the vortex generator 201 shown here, only one of the two side surfaces is provided with the arrow angle α / 2. The other side surface is straight and oriented in the direction of flow. In contrast to the symmetrical vortex generator, only one vortex is generated on the arrowed side, as is shown in the figure. Accordingly, there is no vortex-neutral field downstream of this vortex generator, but a swirl is forced on the flow.

Fig. 4 unterscheidet sich gegenüber Fig. 2 insoweit, als hier die scharfe Verbindungskante 216 des Wirbel-Generators 202 jene Stelle ist, welche von der Kanalströmung zuerst beaufschlagt wird. Das Element ist demnach um 180° gedreht. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, haben die beiden gegenläufigen Wirbel ihren Drehsinn geändert.FIG. 4 differs from FIG. 2 in that the sharp connecting edge 216 of the vortex generator 202 is the point which is first acted upon by the channel flow. The element is therefore rotated by 180 °. As can be seen from the illustration, the two opposite vortices have changed their sense of rotation.

Fig. 5 zeigt die grundsätzliche Geometrie eines in einem Kanal 3 eingebauten Wirbel-Generators 200. In der Regel wird man die Höhe h der Verbindungskante 216 mit der Kanalhöhe H, oder der Höhe des Kanalteils, welchem dem Wirbel-Generator zugeordnet ist, so abstimmen, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromab des Wirbel-Generators 200 bereits eine solche Grösse erreicht, dergestalt, dass damit die volle Kanalhöhe H ausgefüllt wird. Dies führt zu einer gleichmässigen Geschwindigkeitsverteilung in dem beaufschlagten Querschnitt. Ein weiteres Kriterium, das Einfluss auf das zu wählende Verhältnis der beiden Höhen h/H nehmen kann, ist der Druckabfall, der beim Umströmen des Wirbel-Generators 200 auftritt. Es versteht sich, dass mit grösserem Verhältnis h/H auch der Druckverlustbeiwert ansteigt.5 shows the basic geometry of a vortex generator 200 installed in a channel 3. As a rule, the height h of the connecting edge 216 will be coordinated with the channel height H, or the height of the channel part which is assigned to the vortex generator that the vortex generated immediately downstream of the vortex generator 200 already reaches such a size that the full channel height H is filled. This leads to a uniform speed distribution in the cross-section applied. A Another criterion that can influence the ratio of the two heights h / H to be selected is the pressure drop that occurs when the vortex generator 200 flows around. It goes without saying that the pressure loss coefficient also increases with a larger ratio h / H.

Die Wirbel-Generatoren 200, 201, 202 werden hauptsächlich dort eingesetzt, wo es darum geht, zwei Strömungen miteinander zu mischen. Die Hauptströmung 2 attackiert in Pfeilrichtung die quergerichtete Kante 215, respektiv die Verbindungskante 216. Die Sekundärströmung in Form eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffes, der allenfalls mit einem Anteil Stützluft angereichert ist, weist einen wesentlichen kleineren Massenstrom als die Hauptströmung auf. Diese Sekündärströmung wird im vorliegenden Fall stromab des Wirbel-Generators in die Hauptströmung eingeleitet, wie dies aus Fig. 1 besonders gut hervorgeht.The vortex generators 200, 201, 202 are mainly used when it comes to mixing two flows. The main flow 2 attacks the transverse edge 215 or the connecting edge 216 in the direction of the arrow. The secondary flow in the form of a gaseous and / or liquid fuel, which is possibly enriched with a portion of supporting air, has a substantially smaller mass flow than the main flow. In the present case, this secondary flow is introduced into the main flow downstream of the vortex generator, as can be seen particularly well from FIG. 1.

Die Wirbel-Generatoren 200 werden mit Abstand zueinander über die äussere und innere Wand des Kanals 3 verteilt. Selbstverständlich können die Wirbel-Generatoren in Umfangsrichtung auch so aneinander gereiht werden, dass keine Zwischenräume an der Kanalwand 17 freigelassen werden. Für die Wahl der Anzahl und der Anordnung der Wirbel-Generatoren ist letztlich der zu erzeugenden Wirbel entscheidend.The vortex generators 200 are distributed at a distance from one another over the outer and inner wall of the channel 3. Of course, the vortex generators can also be lined up in the circumferential direction so that no gaps are left on the channel wall 17. The vortices to be generated are ultimately decisive for the choice of the number and the arrangement of the vortex generators.

Die Figuren 6-12 zeigen weitere mögliche Formen der Einführung des Brennstoffes in die Verbrennungsluft-Hauptströmung 2. Diese Varianten können auf vielfältige Weise miteinander und mit einer zentralen Brennstoffeindüsung kombiniert werden.FIGS. 6-12 show further possible forms of introducing the fuel into the main combustion air flow 2. These variants can be combined in a variety of ways with one another and with a central fuel injection.

In Fig. 6 wird der Brennstoff, zusätzlich zu Kanalwandbohrungen 220, die sich stromabwärts der Wirbel-Generatoren befinden, auch über Wandbohrungen 221 eingedüst, die sich unmittelbar neben der Seitenflächen 211, 213 und in deren Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 17 befinden, an der die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Einleitung des Brennstoffes durch die Wandbohrungen 221 verleiht den erzeugten Wirbeln einen zusätzlichen Impuls, was die Lebensdauer des Wirbel-Generators verlängert.In FIG. 6, in addition to channel wall bores 220, which are located downstream of the vortex generators, the fuel is also injected via wall bores 221, which are located directly next to the side surfaces 211, 213 and in their longitudinal extent are in the same channel wall 17 on which the vortex generators are arranged. The introduction of the fuel through the wall bores 221 gives the generated vortices an additional impulse, which extends the lifespan of the vortex generator.

In Fig. 7 und 8 wird der Brennstoff über einen Schlitz 222 oder über Wandbohrungen 223 eingedüst, wobei sich beide Vorkehrungen unmittelbar vor der quer zum durchströmten Kanal verlaufenden Kante 215 der Dachfläche 210 und in deren Längserstreckung in der gleichen Kanalwand 17 befinden, an der die Wirbel-Generatoren angeordnet sind. Die Geometrie der Wandbohrungen 223 oder des Schlitzes 222 ist so gewählt, dass der Brennstoff unter einem bestimmten Eindüsungswinkel in die Hauptströmung 2 eingegeben wird und den nachplazierten Wirbel-Generator als Schutzfilm allenfalls gegen eine nunmehr heisse Hauptströmung 2 durch Umströmung weitgehend abschirmt.7 and 8, the fuel is injected via a slot 222 or via wall bores 223, both precautions being located directly in front of the edge 215 of the roof surface 210 running transversely to the flow channel and in the longitudinal extension thereof in the same channel wall 17 on which the Vortex generators are arranged. The geometry of the wall bores 223 or of the slot 222 is selected such that the fuel is introduced into the main flow 2 at a certain injection angle and largely shields the subsequently placed vortex generator as a protective film against a now hot main flow 2 by flow around it.

In den nachstehend beschriebenen Beispielen wird die Sekundärströmung (Vgl. oben) zunächst über nicht gezeigte Führungen durch die Kanalwand 17 ins hohle Innere der Wirbel-Generatoren eingeleitet. Damit wird, ohne weitere Dispositiven vorzusehen, eine interne Kühlmöglichkeit für die Wirbel-Generatoren geschaffen.In the examples described below, the secondary flow (cf. above) is first introduced into the hollow interior of the vortex generators via guides (not shown) through the channel wall 17. This creates an internal cooling facility for the vortex generators without providing any additional equipment.

In Fig. 9 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 224 eingedüst, welche sich innerhalb der Dachfläche 210 unmittelbar hinter und entlang der quer zum durchströmten Kanal verlaufenden Kante 215. Die Kühlung des Wirbel-Generators erfolgt hier mehr extern als intern. Die austretende Sekundärströmung bildet beim Umströmen der Dachfläche 210 eine gegen eine allenfalls heisse Hauptströmung 2 abschirmende Schutzschicht.In FIG. 9, the fuel is injected via wall bores 224, which are located inside the roof surface 210 directly behind and along the edge 215 running transversely to the flow channel. The vortex generator is cooled more externally than internally. The emerging secondary flow forms when flowing around the roof surface 210 a protective layer shielding against a possibly hot main flow 2.

In Fig. 10 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 225 eingedüst, welche innerhalb der Dachfläche 210 entlang der Symmetrielinie 217 gestaffelt angeordnet sind. Mit dieser Variante werden die Kanalwände 17 besonders gut vor einer allenfalls heissen Hauptströmung 2 geschützt, da der Brennstoff zunächst am Aussenumfang der Wirbel eingeführt wird.In FIG. 10, the fuel is injected via wall bores 225, which are staggered within the roof surface 210 along the line of symmetry 217. With this variant the channel walls 17 are particularly well protected from a possibly hot main flow 2, since the fuel is first introduced on the outer circumference of the vortex.

In Fig. 11 wird der Brennstoff über Wandbohrungen 226 eingedüst, die sich in den längsgerichteten Kanten 212, 214 der Dachfläche 210 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.11, the fuel is injected via wall bores 226, which are located in the longitudinal edges 212, 214 of the roof surface 210. This solution ensures good cooling of the vortex generators, since the fuel escapes from its extremities and thus completely flushes the inner walls of the element. The secondary flow is fed directly into the resulting vortex, which leads to defined flow conditions.

In Fig. 12 geschieht die Eindüsung über Wandbohrungen 227, die sich in den Seitenflächen 211 und 213 befinden, einerseits im Bereich der Längskanten 212 und 214, andererseits im Bereich der Verbindungskante 216. Diese Variante ist wirkungsähnlich wie jene aus Fig. 6 (Bohrungen 221) und aus Fig. 11 (Bohrungen 226).In FIG. 12, the injection takes place via wall bores 227, which are located in the side surfaces 211 and 213, on the one hand in the area of the longitudinal edges 212 and 214, and on the other hand in the area of the connecting edge 216. This variant is similar in effect to that from FIG. 6 (bores 221 ) and from Fig. 11 (bores 226).

BezugszeichenlisteReference list

11
VormischbrennerPremix burner
22nd
Verbrennungsluft, HauptströmungCombustion air, main flow
33rd
ZuströmzoneInflow zone
44th
DrallerzeugerSwirl generator
55
EindüsungslanzenInjection lances
5a5a
Gasförmiger BrennstoffGaseous fuel
66
VerdampfungsstreckeEvaporation path
77
KühlluftCooling air
88th
Kühlluft-EinströmungskanalCooling air inflow channel
99
BrennerfrontBurner front
1010th
BrennraumquerschnittCross section of the combustion chamber
1111
RücksträmzoneBackflow zone
1212th
BrennstoffdüsenFuel nozzles
12a12a
Flüssiger BrennstoffLiquid fuel
1313
AufwölbungBulge
1414
MittelachseCentral axis
1515
BrennstoffdüsenFuel nozzles
1616
BrennraumCombustion chamber
1717th
KanalwandCanal wall
200, 201, 202200, 201, 202
Wirbel-GeneratorenVortex generators
210210
DachflächeRoof area
211, 213211, 213
SeitenflächenSide faces
212, 214212, 214
Längsgerichtete KantenLongitudinal edges
215215
Querverlaufende KanteTransverse edge
216216
VerbindungskanteConnecting edge
217217
SymmetrieachseAxis of symmetry
218218
Spitzetop
220-227220-227
Bohrungen zur Eindüsung eines BrennstoffesDrilling holes for fuel injection
L, h,L, h,
Abmessungen des Wirbel-GeneratorsDimensions of the vortex generator
HH
Höhe des KanalsHeight of the channel
αα
PfeilwinkelArrow angle
ΘΘ
AnstellwinkelAngle of attack

Claims (13)

Vormischbrenner, im wesentlichen bestehend aus mindestens einem axial oder quasi-axial sich erstreckenden rohrförmigen Kanal für die Zuführung einer Verbrennungsluft, aus innerhalb des rohrförmigen Kanals angeordneten Mitteln zur Erzeugung einer Drallströmung und aus Düsen zur Einbringung eines Brennstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung einer Drallströmung im von der Verbrennungsluft (2) durchströmten Kanal (3) Wirbel-Generatoren (4, 200, 201, 202) sind, dass der Vormischbrenner (1) radial angeordnete Düsen (5, 12) zur Einbringung eines flüssigen (12a) oder gasförmigen (5a) Brennstoffes aufweist, dass die Düsen (5, 12) in Wirkverbindung mit mindestens einem Wirbel-Generator (4, 200, 201, 202) stehen, dass abströmungsseitig der Düsen (5, 12) eine bis zur Brennerfront (9) des Vormischbrenners (1) verlaufende Verdampfungsstrecke (6) vorhanden ist.Premix burner, essentially consisting of at least one axially or quasi-axially extending tubular channel for the supply of combustion air, of means arranged within the tubular channel for generating a swirl flow and of nozzles for introducing a fuel, characterized in that the means for generating a swirl flow in the duct (3) through which the combustion air flows (2) vortex generators (4, 200, 201, 202) are such that the premix burner (1) has radially arranged nozzles (5, 12) for introducing a liquid (12a) or Gaseous (5a) fuel that the nozzles (5, 12) are operatively connected to at least one vortex generator (4, 200, 201, 202), that on the outflow side of the nozzles (5, 12) one to the burner front (9) of the premix burner (1) extending evaporation path (6) is present. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsstrecke (6) in axialer Ebene gegenüber dem Brennraum (16) eine in radialer Richtung abstehende Aufwölbung (13) aufweist.Premix burner according to claim 1, characterized in that the evaporation section (6) in the axial plane with respect to the combustion chamber (16) has a bulge (13) projecting in the radial direction. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsstrecke (6) unter einem Querschnittssprung (10) in den Brennraum (16) übergeht.Premix burner according to claim 1, characterized in that the evaporation section (6) merges into the combustion chamber (16) with a cross-sectional jump (10). Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerfront (9) mit einer Kühlluft (7) gekühlt ist.Premix burner according to claim 1, characterized in that the burner front (9) is cooled with cooling air (7). Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (1) einen ringförmigen Durchflussquerschnitt aufweist.Premix burner according to claim 1, characterized in that the premix burner (1) has an annular flow cross-section. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wirbel-Generator (200) drei frei umströmte Flächen aufweist, die sich in Strömungsrichtung erstrecken, von denen eine die Dachfläche (210) und die beiden anderen die Seitenflächen (211, 213) bilden, dass die Seitenflächen (211, 213) mit einem gleichen Wandsegment (17) des Kanals (3) bündig sind und miteinander den Pfeilwinkel (α) einschliessen, dass die Dachfläche (210) mit einer quer zum durchströmten Kanal (3) verlaufende Kante (215) am gleichen Wandsegment des Kanals (3) anliegt wie die Seitenflächen (211, 213), und dass längsgerichtete Kanten (212, 214) der Dachfläche (210) bündig mit den in den Kanal (3) hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen (211, 213) sind und unter einem Anstellwinkel (Θ) zum Wandsegment des Kanals (3) verlaufen.Combustion chamber according to claim 1, characterized in that a vortex generator (200) has three freely flowing surfaces which extend in the direction of flow, one of which forms the roof surface (210) and the other two the side surfaces (211, 213), that the side surfaces (211, 213) are flush with an identical wall segment (17) of the channel (3) and enclose the arrow angle (α) with one another, so that the roof surface (210) has an edge (215) running transversely to the channel (3) through which the flow flows. abuts the same wall segment of the channel (3) as the side surfaces (211, 213), and that longitudinal edges (212, 214) of the roof surface (210) are flush with the longitudinal edges of the side surfaces (211, 213) projecting into the channel (3) ) and are at an angle of attack (Θ) to the wall segment of the channel (3). Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden den Pfeilwinkel (α) einschliessenden Seitenflächen (211, 213) des Wirbel-Generators (200) symmetrisch um eine Symmetrieachse (217) angeordnet sind.Combustion chamber according to claim 6, characterized in that the two side surfaces (211, 213) of the vortex generator (200) including the arrow angle (α) are arranged symmetrically about an axis of symmetry (217). Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden den Pfeilwinkel (α, α/2) einschliessenden Seitenflächen (211, 213) eine Verbindungskante (116) miteinander umfassen, welche zusammen mit den längsgerichteten Kanten (212, 214) der Dachfläche (210) eine Spitze (218) bilden, und dass die Verbindungskante (216) in der Radiale des kreisförmigen Kanals (5) liegt.Combustion chamber according to Claim 6, characterized in that the two side surfaces (211, 213) including the arrow angle (α, α / 2) comprise a connecting edge (116) which together with the longitudinal edges (212, 214) of the roof surface (210 ) form a tip (218), and that the connecting edge (216) lies in the radial of the circular channel (5). Brennkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskante (216) und/oder die längsgerichteten Kanten (212, 214) der Dachfläche (210) zumindest annähernd scharf ausgebildet ist.Combustion chamber according to claim 8, characterized in that the connecting edge (216) and / or the longitudinal edges (212, 214) of the roof surface (210) is at least approximately sharp. Brennkammer nach den Ansprüchen 1, 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (217) des Wirbel-Generators (200) parallel zur Kanalachse verläuft, dass die Verbindungskante (216) der beiden Seitenflächen (211, 213) die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators (200) bildet, und dass die quer zum durchströmten Kanal (3) verlaufende Kante (215) der Dachfläche (210) die von der Verbrennungsluft (2) zuerst beaufschlagte Kante ist.Combustion chamber according to claims 1, 6 to 8, characterized in that the axis of symmetry (217) of the vortex generator (200) runs parallel to the channel axis, that the connecting edge (216) of the two side surfaces (211, 213) the downstream edge of the vortex Generator (200), and that the edge (215) of the roof surface (210) which runs transversely to the channel (3) through which the flow flows is the edge which is first acted upon by the combustion air (2). Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Höhe (h) des Wirbel-Generators zur Höhe (H) des Kanals (3) so gewählt ist, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromab des Wirbel-Generators (200) die volle Hohe (H) des Kanals (3) und die volle Höhe (h) des dem Wirbel-Generator (200) zugeordneten Kanalteils ausfüllt.Combustion chamber according to claim 1, characterized in that the ratio height (h) of the vortex generator to the height (H) of the channel (3) is selected such that the vortex generated immediately downstream of the vortex generator (200) is the full height ( H) of the channel (3) and the full height (h) of the channel part assigned to the vortex generator (200). Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners nach Anspruch 1, im wesentlichen bestehend aus mindestens einem axial oder quasi-axial sich erstreckenden rohrförmigen Kanal für die Zuführung einer Verbrennungsluft, aus innerhalb des rohrförmigen Kanals angeordneten Mittel zur Erzeugung einer Drallströmung und aus Düsen zur Einbringung eines Brennstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner mit einem flüssigen (12a) oder gasförmigen (5a) Brennstoff- betrieben wird, dass die Düse (12) für den flüssigen Brennstoff (12a) direkt mit mindestens einem Drallerzeuger (4) zur Bildung einer minimierten Zerstäubung des eingedüsten flüssigen Brennstoffes (12a) operiert, dass die Düse (5) für den gasförmigen Brennstoff (5a) mit denselben und/oder weiteren Drallerzeugern (200, 201, 202) operiert, dass das brennfähige Gemisch über eine anschliessende Verdampfungsstrecke (6) optimiert wird, und dass sich am Ende des Vormischbrenners (1) am Uebergang zum Brennraum (16) durch eine sich dort bildende Rüchströmzone (11) die Flammenfront stabilisiert wird.A method of operating a premix burner according to claim 1, consisting essentially of at least one axially or quasi-axially extending tubular channel for supplying combustion air, means arranged within the tubular channel for generating a swirl flow and nozzles for introducing a fuel, thereby characterized in that the premix burner is operated with a liquid (12a) or gaseous (5a) fuel, that the nozzle (12) for the liquid fuel (12a) directly with at least one swirl generator (4) to form a minimized atomization of the injected liquid Fuel (12a) operates, that the nozzle (5) for the gaseous fuel (5a) operates with the same and / or further swirl generators (200, 201, 202), that the combustible mixture is optimized via a subsequent evaporation path (6), and that at the end of the premix burner (1) at the transition to the combustion chamber (16) a Rüchström zone (11) forming there stabilizes the flame front. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb des Vormischbrenners (1) in niedriger Teillast durch innerhalb der Verdampfungsstrecke (6) angeordnete weitere Brennstoffdüsen (15) aufrechterhalten wird.Method according to claim 12, characterized in that the operation of the premix burner (1) in low partial load is maintained by further fuel nozzles (15) arranged within the evaporation path (6).
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