EP0742411A2 - Luftzuströmung zu einer Vormischbrennkammer - Google Patents

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EP0742411A2
EP0742411A2 EP96810258A EP96810258A EP0742411A2 EP 0742411 A2 EP0742411 A2 EP 0742411A2 EP 96810258 A EP96810258 A EP 96810258A EP 96810258 A EP96810258 A EP 96810258A EP 0742411 A2 EP0742411 A2 EP 0742411A2
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EP
European Patent Office
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burner
air
perforated
flow
ratio
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EP96810258A
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EP0742411B1 (de
EP0742411A3 (de
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Tino-Martin Dr. Marling
Burkhard Dr. Schulte-Werning
Thomas Dr. Zierer
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ABB AG Germany
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ABB Management AG
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Publication of EP0742411A3 publication Critical patent/EP0742411A3/de
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    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • 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 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Definitions

  • the invention relates to a premix burner with axial or radial air inflow for gas turbine operation, in which the combustion air flows from a plenum into the burner and fuel is added to it on the way through the burner.
  • premix burners For reasons of environmental protection, modern burner systems, which are used in gas turbine plants, are designed as premix burners because they significantly reduce pollutant emissions compared to diffusion burners.
  • the premix burners are generally flowed axially or radially with the combustion air.
  • the combustion air flows from a plenum surrounded by a hood into the burner interior via tangential air inlet slots. If gaseous fuel is burned, the mixture is formed directly at the end of the air inlet slots.
  • liquid fuel is injected through a nozzle located centrally in the initial part of the burner, a conical liquid fuel column is formed in the interior of the burner and is enclosed by a combustion air stream flowing tangentially into the burner. The mixture is ignited at the burner outlet, the flame being stabilized by a backflow zone in the area of the burner mouth.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. It is the object of the invention to provide a device for rectifying the flow in a premix burner, with which the flow profile of the incoming combustion air is evened out, the degree of turbulence is increased and the air flow can be adapted to the burner so that a homogeneous mixing of air and fuel is achieved.
  • this is achieved in a premix burner with axial or radial air inflow, in which the combustion air flows into the burner from a plenum arranged upstream or around the burner and fuel is mixed in on the way through the burner, in that between the plenum and the burner are arranged a perforated component with a certain wall thickness and openings with a certain diameter and a certain distance from each other, which divides the combustion air flowing through into small defined jets, which reunite after a certain length, the ratio of wall thickness to the diameter of the openings is greater than / equal to one, preferably 1.5, and the ratio between the flow area of the perforated component and the possible inflow area into the burner is also greater / equal to one depending on the type of burner.
  • the advantages of the invention include that, after the perforated component, a uniform speed profile with an increased level of turbulence is achieved as an inflow for the burner. This improves and intensifies the mixture of fuel and combustion air, so that the emissions of CO and NOx are reduced.
  • the premix burners have a wider range of applications because they can now be operated well even under unfavorable inflow conditions.
  • the perforated component is a perforated basket arranged around the burner and, in the case of a burner with axial air inflow, a wall arranged in front of the burner perpendicular to the direction of flow of the combustion air.
  • the ratio of the barrel length to the distance between the openings is greater than or equal to 5.
  • the ratio between the flow area of the perforated wall and the inflow area into the burner is equal to one in the case of an axially flowing premix burner.
  • the ratio between the through-flow area of the perforated basket and the inflow area into the burner is greater than one, preferably four is. This ensures that an uneven air distribution along the inflow length of the burner can be rectified both in the mass distribution and in the flow profile.
  • the fuel design along the air inlet slot can be optimally designed, so that the mixture of fuel and air is improved and the NOx values during combustion are reduced.
  • FIG. 1a initially shows in general the mode of operation of the perforated component 24 acting as a flow straightener with an ideal, uniform inflow of air 15, while in FIG. 1b the mode of operation of the perforated component 24 is shown with a non-uniform inflow of air 15.
  • the component 24 with a wall thickness s has a number of openings 25, each with a diameter d. These openings 25 are arranged at a constant distance t from one another.
  • the air 15 flowing through the openings 25 of the component 24 is divided into small, defined jets which unite behind the bore after a certain run length 1.
  • the barrel length 1 is dependent on the distance t and the diameter d of the openings 25 and on the beam divergence.
  • FIG. 1b in the case of a non-uniform inflow, the beam is expanded before the perforated component. After flowing through the wall, a uniform speed profile with an increased small-scale turbulence level is achieved, which leads to a favorable inflow for the burner (not shown in FIG. 1).
  • a constant exit angle of the flow from the basket can be predetermined and thus adapted to the burner.
  • 1c shows a schematic representation of the speed profile of the inflowing air when the perforated component 24 flows at an angle.
  • its speed is composed of a vertical component v 1 and a horizontal component u 1 , whereby an angle ⁇ 1 is enclosed by the resultant and by v 1 .
  • the horizontal component u 2 and the angle ⁇ 2 are zero, so that only a vertical velocity component v 2 is present, where: v 1 ⁇ v 2 .
  • the perforated component 24 With regard to the design of the perforated component 24, a fixed area ratio between the flow area of the component and the inflow area into the premix burner must be maintained. The pressure loss across the perforated component 24 is determined by these two surfaces. Likewise, a fixed ratio between the diameter d of the openings 25 and the wall thickness s must not be undercut because this ratio also determines the level of the pressure loss. It has been shown that the ratio should be d / s ⁇ 1..1.5. These requirements determine the distance t of the openings 25 from one another, which in turn determines the flow profile behind the component 24, since the ratio should be 1 / t ⁇ 5, because due to the beam divergence, the individual beams then grow together again and the speed profile is very high evenly.
  • FIG. 2 shows, as an exemplary embodiment of the invention, a perspective view of a burner 18 of the double-cone type with an integrated premixing zone, the basic structure of which is described in EP 0 321 908 B1.
  • FIG. 2 and the sections shown in FIGS. 3 to 5 are used at the same time.
  • the burner 18 consists of two partial cone bodies 1, 2 which are arranged radially offset from one another with respect to their longitudinal symmetry axes 1b, 2b. This creates tangential air inlet slots 19, 20 on both sides of the partial cone bodies 1, 2 in the opposite inflow arrangement, through which the combustion air 15 into the interior 14 of the Burner 18, ie flows in the cone cavity formed by the two partial cone bodies 1, 2.
  • the partial cone bodies 1, 2 expand in a straight line in the direction of flow; ie they have a constant angle with the burner axis.
  • the two partial cone bodies 1, 2 each have a cylindrical initial part 1 a, 2 a, which likewise run offset.
  • this cylindrical starting part 1a, 2a there is an atomizing nozzle 3, the openings of which are arranged approximately in the narrowest cross section of the conical interior 14 of the burner 18.
  • the burner 18 can of course also be designed without a cylindrical initial part, that is to say purely conical.
  • Liquid fuel 12 is injected through the nozzle 3, so that a drop spray 4 is formed in the interior 14 of the burner 18.
  • the two partial cone bodies 1, 2 each have a fuel feed line 8, 9 along the air inlet slots 19, 20, which are provided on the long side with openings 17 through which a further fuel 13 flows.
  • This gaseous fuel 13 is mixed with the combustion air 15 flowing through the tangential air inlet slots 19, 20 into the burner interior 14, which is represented by the arrows 16.
  • a mixed operation of the burner 18 via the nozzle 3 and the fuel feeds 8, 9 is possible.
  • this air supply ensures that flame stabilization takes place at the burner outlet. There is a stable flame front 7 with a backflow zone 6.
  • a front plate 10 is arranged with openings 11, through which dilution air or cooling air can be supplied to the combustion chamber 22 if necessary.
  • guide plates 21 a, 21 b can be seen from FIGS. 3 to 5. These can be opened or closed, for example, about a pivot point 23, so that the original gap size of the tangential air inlet slots 19, 20 is changed. Of course, the burner can also be operated without these baffles 21a, 21b.
  • the burner 18 described above is surrounded by a hood 26 which forms a plenum 27 for the combustion air 15 flowing to the burner.
  • the combustion air 15 is composed on the one hand of the cooling air 15a, which has previously convectively cooled the walls of the combustion chamber 5, and on the other hand of the air 15b, which also flows into the plenum 27 via a bypass line, not shown, so that additional swirls occur. Accordingly, there is a very complex flow situation in the hood 26.
  • a perforated basket 24 is placed around the radially flowed burner 18, which causes a flow rectification.
  • An optimal flow to the burner is made possible by adapting the contour of the basket 24.
  • the flow of the burner is decoupled from the complex flow situation in the hood by the invention.
  • the area ratio between the throughflow area of the perforated basket 24 and the inflow area into the burner 18 (air inlet slots 19, 20) is 4 in the exemplary embodiment shown. This ensures that the pressure loss across the perforated basket corresponds approximately to a dynamic pressure.
  • the flow area ie the area of the openings 25 in the basket 24 under otherwise constant conditions would be significantly lower, an excessive pressure loss would result.
  • the ratio of wall thickness s to hole diameter d must be greater than or equal to 1, preferably 1.5, this requirement is in addition to the above.
  • Area ratio of the distance t of the openings 25 to each other is determined, which in turn determines the flow profile behind the perforated basket 24.
  • the air 15 is divided into small defined jets when flowing through the basket 24, which rejoin after the run length 1 behind the opening 25.
  • the common flow profile can thus be precisely defined and tailored to the respective burner needs.
  • the advantage is that an uneven air distribution along the inflow length of the burner 18 can be rectified both in the mass distribution and in the flow profile.
  • the fuel design along the air inlet in the burner 18 can be optimally designed, which, in addition to increasing the turbulence of the air, improves the mixture of fuel and combustion air and thus reduces the pollutant emissions.
  • the burner can therefore also be used under unfavorable flow conditions.
  • an optimal local flow to the burner is also possible.
  • FIG. 9 A further exemplary embodiment is therefore shown in FIG. 9, which relates to an axially flowing premix burner 18.
  • the combustion air 15 flows here from the plenum 27 through the openings 25 of a perforated wall 24 arranged in front of the burner perpendicular to the flow direction, which can be, for example, a perforated plate, into the burner 18.
  • Pilot fuel is supplied via a central feed to stabilize the system 29 passed into the burner. Since the air flow through the wall 24 is evened out and the small-scale turbulence level after the wall 24 is also increased, the fuel and combustion air can be mixed homogeneously, which leads to the advantages mentioned above.

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Abstract

Bei einem Vormischbrenner (18) mit axialer oder radialer Luftzuströmung, bei welchem die Verbrennungsluft (15) aus einem vor bzw. um den Brenner (18) angeordneten Plenum (27) in den Brenner (18) strömt und ihr auf dem Weg durch den Brenner (18) Brennstoff (12, 13) beigemischt wird, ist zwischen dem Plenum (27) und dem Brenner (18) ein perforiertes Bauteil (24) mit einer Wanddicke (s) und Öffnungen (25) mit jeweils einem Durchmesser (d) und einem Abstand (t) zueinander abgeordnet, welches die hindurchströmende Verbrennungsluft (15) in kleine definierte Strahlen aufteilt, die sich nach einer bestimmten Lauflänge (l) wieder vereinigen, wobei das Verhältnis von Wanddicke (s) zum Durchmesser (d) der Öffnungen (25) grösser/gleich eins ist und wobei das Verhältnis zwischen der Durchströmfläche des Bauteiles (24) und der möglichen Einströmfläche in den Brenner (18) in Abhängigkeit von der Brennerart grösser/gleich eins ist. <IMAGE>

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner mit axialer oder radialer Luftzuströmung für den Gasturbinenbetrieb, bei welchem die Verbrennungsluft aus einem Plenum in den Brenner strömt und ihr auf dem Weg durch den Brenner Brennstoff beigemischt wird.
    • Stand der Technik
  • Aus Gründen des Umweltschutzes werden moderne Brennersysteme, welche in Gasturbinenanlagen eingesetzt werden, als Vormischbrenner ausgeführt, weil damit die Schadstoffemissionswerte im Vergleich zu Diffusionsbrennern signifikant gesenkt werden. Die Vormischbrenner werden in der Regel axial oder radial mit der Verbrennungsluft angeströmt.
  • Auf dem Weg durch den Brenner wird dem Luftstrom Brennstoff beigemischt. Um niedrige NOx- und CO-Emissionswerte bei der Verbrennung zu erreichen, ist eine homogene Durchmischung von Brennstoff und Luft notwendig, d.h. die Brennstoffzugabe ist der Luftverteilung anzupassen. Damit dies in allen Fällen gewährleistet bleibt, sollte die Luftzuführung kontrollierbar sein. Das ist aber bei den Vormischbrennersystemen nicht der Fall.
  • Bei dem aus EP 0 321 809 B1 bekannten Vormischbrenner der Doppelkegel-Bauart strömt die Verbrennungsluft aus einem von einer Haube umgebenen Plenum über tangentiale Lufteintrittsschlitze in den Brennerinnenraum. Wird gasförmiger Brennstoff verbrannt, geschieht die Gemischbildung direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze. Bei der Eindüsung von flüssigem Brennstoff durch eine im Anfangsteil des Brenners zentral angebrachte Düse wird im Innenraum des Brenners eine kegelförmige Flüssigbrennstoffsäule gebildet, welche von einem tangential in den Brenner strömenden Verbrennungsluftstrom umschlossen wird. Die Zündung des Gemisches erfolgt am Ausgang des Brenners, wobei die Flamme durch eine Rückströmzone im Bereich der Brennermündung stabilisiert wird. Infolge der komplexen Strömungssituation in der Haube, die sich daraus ergibt, dass in die Haube sowohl die Kühlluft, die die Brennkammer gekühlt hat, als auch zusätzliche Luft über einen Bypass strömt, was zu Verwirbelungen führt, ergibt sich keine gleichmässige Brenneranströmung. Die Zuführung der Verbrennungsluft ist nicht exakt kontrollierbar, so dass keine vollständig homogene Durchmischung von Brennstoff und Luft erreicht wird. Das führt wiederum zu erhöhten Schadstoffemissionen bei der Verbrennung.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vormischbrenner eine Vorrichtung zur strömungsgleichrichtung zu schaffen, mit welcher das Strömungsprofil der zuströmenden Verbrennungsluft vergleichmässigt, der Turbulenzgrad erhöht und die Luftströmung an den Brenner angepasst werden können, so das eine homogene Durchmischung von Luft und Brennstoff erreicht wird.
  • Erfindungsgemäss wird dies bei einem Vormischbrenner mit axialer oder radialer Luftzuströmung, bei welchem die Verbrennungsluft aus einem in Strömungsrichtung vor bzw. einem um den Brenner angeordneten Plenum in den Brenner strömt und ihr auf dem Weg durch den Brenner Brennstoff eingemischt wird, dadurch erreicht, dass zwischen dem Plenum und dem Brenner ein perforiertes Bauteil mit einer bestimmten Wanddicke und Öffnungen mit einem bestimmten Durchmesser und einem bestimmten Abstand zueinander abgeordnet ist, welches die hindurchströmende Verbrennungsluft in kleine definierte Strahlen aufteilt, die sich nach einer bestimmten Lauflänge wieder vereinigen, wobei das Verhältnis von Wanddicke zum Durchmesser der Öffnungen grösser/gleich eins, vorzugsweise 1,5 ist und wobei das Verhältnis zwischen der Durchströmfläche des perforierten Bauteiles und der möglichen Einströmfläche in den Brenner in Abhängigkeit von der Brennerart ebenfalls grösser/gleich eins ist.
  • Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem darin, dass nach dem perforierten Bauteil ein gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil mit erhöhtem Turbulenzniveau als Zuströmung für den Brenner erreicht wird. Dadurch wird die Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft verbessert und intensiviert, so dass die Emissionswerte an CO und NOx verringert werden. Die Vormischbrenner haben ein grösseres Einsatzspektrum, weil sie nunmehr auch unter ungünstigen Anströmbedingungen gut betrieben werden können.
  • Es ist vorteilhaft, wenn bei einem Vormischbrenner mit radialer Luftzuströmung das perforierte Bauteil ein um den Brenner angeordneter perforierter Korb und bei einem Brenner mit axialer Luftzuströmung eine vor dem Brenner senkrecht zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft angeordnete Wand ist.
  • Es ist besonders zweckmässig, wenn das Verhältnis von Lauflänge zum Abstand der Öffnungen grösser/gleich 5 ist.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn bei einem axial angeströmten Vormischbrenner das Verhältnis zwischen der Durchströmfläche der perforierten Wand und der Einströmfläche in den Brenner gleich eins ist.
  • Schliesslich ist es von Vorteil, wenn bei einem Vormischbrenner der Doppelkegelbauart nach EP 0 321 809 B1, bei dem die Verbrennungsluft über tangentiale Lufteintrittsschlitze in den Brenner strömt, das Verhältnis zwischen der Durchströmfläche des perforierten Korbes und der Einströmfläche in den Brenner grösser eins, vorzugsweise vier ist. Damit wird gewährleistet, dass eine ungleichmässige Luftverteilung entlang der Zuströmlänge des Brenners sowohl in der Massenverteilung als auch im Strömungsprofil gleichgerichtet werden kann. Dadurch kann die Brennstoffbemessung entlang des Lufteintrittsschlitzes optimal ausgelegt werden, so dass die Mischung von Brennstoff und Luft verbessert wird und die NOx-Werte bei der Verbrennung verringert werden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines radial angeströmten Vormischbrenners der Doppelkegelbauart für Gasturbinenbrennkammern und anhand eines axial angeströmten Vormischbrenners dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1a
    das Strömungsprofil bei gleichförmiger Zuströmung der Luft über eine perforierte Wand;
    Fig. 1b
    das Strömungsprofil bei ungleichförmiger Zuströmung der Luft über eine perforierte Wand;
    Fig. 1c
    eine schematische Darstellung des Geschwindigkeitsverlaufes der zuströmenden Luft bei schräger Anströmung;
    Fig. 2
    einen Vormischbrenner der Doppelkegelbauart in perspektivischer Darstellung;
    Fig. 3
    einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene III-III gemäss Fig. 2;
    Fig. 4
    einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene IV-IV gemäss Fig. 2;
    Fig. 5
    einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene V-V gemäss Fig. 2;
    Fig. 6
    einen Teillängsschnitt des Vormischbrenners gemäss Fig. 2 mit dem erfindungsgemässen Strömungsgleichrichter;
    Fig. 7
    eine Detailskizze zur Wirkungsweise des Strömungsgleichrichters bei radialer Anströmung gemäss Fig. 6;
    Fig. 8
    einen Schnitt in der Ebene VIII-VIII gemäss Fig. 6;
    Fig. 9
    einen Teillängsschnitt eines axial angeströmten Vormischbrenners mit Strömungsgleichrichter.
  • Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt, so ist z.B. die Brennkammer nur angedeutet. Die Strömungsrichtung der Luft ist mit Pfeilen bezeichnet.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen und der Figuren 1 bis 8 näher erläutert.
  • Fig. 1a zeigt zunächst allgemein die Wirkungsweise des wie ein Strömungsgleichrichter wirkenden perforierten Bauteiles 24 bei einer idealen gleichmässigen Zuströmung der Luft 15, während in Fig. 1b die Wirkungsweise des perforierten Bauteiles 24 bei einer ungleichförmigen Zuströmung der Luft 15 dargestellt ist.
  • Das Bauteil 24 mit einer Wanddicke s weist eine Anzahl von Öffnungen 25 mit jeweils einem Durchmesser d auf. Diese Öffnungen 25 sind in einem konstanten Abstand t voneinander angeordnet. Gemäss Fig. 1a und 1b wird die durch die Öffnungen 25 des Bauteiles 24 hindurchströmende Luft 15 in kleine definierte Strahlen aufgeteilt, die sich nach einer bestimmten Lauflänge 1 hinter der Bohrung wieder vereinigen. Dabei ist die Lauflänge 1 abhängig vom Abstand t und dem Durchmesser d der Öffnungen 25, sowie von der Strahldivergenz. Wie in Fig. 1b gut zu erkennen ist, erfolgt bei einer ungleichförmigen Zuströmung die Strahlaufweitung schon vor dem perforierten Bauteil. Nach dem Durchströmen des Wand wird ein gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil mit einem erhöhten kleinskaligen Turbulenzniveau erzielt, was zu einer günstigen Zuströmung für den in Fig. 1 nicht dargestellten Brenner führt.
  • Ausserdem kann bei gekrümmten Wänden, beispielsweise einem um den Brenner gelegten perforierten Korb, ein konstanter Austrittswinkel der Strömung aus dem Korb vorgegeben und damit an den Brenner angepasst werden.
  • Fig. 1c zeigt eine schematische Darstellung des Geschwindigkeitsverlaufes der zuströmenden Luft bei schräger Anströmung des perforierten Bauteiles 24. Vor dem Auftreffen der Luft 15 auf das Bauteil 24 setzt sich ihre Geschwindigkeit aus einer hier vertikalen Komponente v1 und einer horizontalen Komponente u1 zusammen, wobei von der Resultierenden und von v1 ein Winkel β1 eingeschlossen wird. Nach dem Durchströmen des Bauteiles mit einem festgelegten Mindestverhältnis von Wanddicke s zu Lochdurchmesser d sind die horizontale Komponente u2 und der Winkel β2 Null, so dass nur noch eine vertikale Geschwindigkeitskomponente v2 vorhanden ist, wobei gilt: v1<v2. Würde man dagegen ein perforiertes Bauteil 24 mit sehr geringer Wandstärke verwenden, dann bleibt die horizontale Geschwindigkeitskomponente u1 erhalten und es würde gelten: u2 = u1 und β2<β1, während die vertikale Geschwindigkeitskomponente v2 nach dem Bauteil 24 ebenfalls grösser als v1 ist. In diesem Falle findet keine Strömungsgleichrichtung statt.
  • Hinsichtlich der Auslegung des perforierten Bauteiles 24 ist ein festes Flächenverhältnis zwischen der Durchströmfläche des Bauteiles und der Einströmfläche in den Vormischbrenner einzuhalten. Der Druckverlust über dem perforierten Bauteil 24 wird nämlich von diesen beiden Flächen bestimmt. Ebenso darf ein festes Verhältnis zwischen dem Durchmesser d der Öffnungen 25 und der Wanddicke s nicht unterschritten werden, weil auch dieses Verhältnis die Höhe des Druckverlustes bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass das Verhältnis d/s≥1..1,5 betragen sollte. Durch diese Forderungen wird der Abstand t der Öffnungen 25 zueinander festgelegt, der wiederum das Strömungsprofil hinter dem Bauteil 24 bestimmt, da das Verhältnis 1/t ≥ 5 betragen sollte, denn auf Grund der Strahldivergenz sind dann die Einzelstrahlen wieder zusammengewachsen und das Geschwindigkeitsprofil ist sehr gleichmässig.
  • Fig. 2 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Darstellung einen Brenner 18 der Doppelkegelbauart mit integrierter Vormischzone, dessen prinzipieller Aufbau in EP 0 321 908 B1 beschrieben ist. Zum besseren Verständnis des Brenneraufbaus ist es vorteilhaft, wenn gleichzeitig Fig. 2 und die darin ersichtlichen Schnitte nach Fig. 3 bis 5 herangezogen werden.
  • Der Brenner 18 besteht aus zwei Teilkegelkörper 1, 2, die bezüglich ihrer Längssymmetrieachsen 1b, 2b radial versetzt zueinander angeordnet sind. Dadurch entstehen auf beiden Seiten der Teilkegelkörper 1, 2 in entgegengesetzter Einströmungsanordnung jeweils tangentiale Lufteintrittsschlitze 19, 20, durch welche die Verbrennungsluft 15 in den Innenraum 14 des Brenners 18, d.h. in den von den beiden Teilkegelkörtpern 1, 2 gebildeten Kegelhohlraum strömt. Die Teilkegelkörper 1, 2 erweitern sich geradlinig in Strömungsrichtung; d.h. sie weisen einen konstanten Winkel mit der Brennerachse auf. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 haben je einen zylindrischen Anfangsteil la, 2a, welche ebenfalls versetzt verlaufen. In diesem zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a befindet sich eine Zerstäubungsdüse 3, deren Öffnungen etwa im engsten Querschnitt des kegelförmigen Innenraums 14 des Brenners 18 angeordnet ist. Selbstverständlich kann der Brenner 18 auch ohne zylindrischen Anfangsteil, also rein kegelig ausgeführt sein. Durch die Düse 3 wird flüssiger Brennstoff 12 eingedüst, so dass sich ein Tropfenspray 4 im Innenraum 14 des Brenners 18 ausbildet.
  • Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 weisen längs der Lufteintrittsschlitze 19, 20 je eine Brennstoffzuleitung 8, 9 auf, welche längsseitig mit Öffnungen 17 versehen sind, durch welche ein weiterer Brennstoff 13 strömt. Dieser gasförmige Brennstoff 13 wird der durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 in den Brennerinnenraum 14 strömenden Verbrennungsluft 15 zugemischt, was durch die Pfeile 16 dargestellt wird. Ein Mischbetrieb des Brenners 18 über die Düse 3 und die Brennstoff zuführungen 8, 9 ist möglich. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung dafür, dass eine Flammenstabilisierung am Ausgang des Brenners stattfindet. Dort stellt sich eine stabile Flammenfront 7 mit einer Rückströmzone 6 ein.
  • Brennraumseitig ist eine Frontplatte 10 angeordnet mit Öffnungen 11, durch welche bei Bedarf Verdünnungsluft oder Kühlluft dem Brennraum 22 zugeführt werden.
  • Aus den Fig. 3 bis 5 ist die Anordnung von Leitblechen 21 a, 21 b zu entnehmen. Diese können beispielsweise um einen Drehpunkt 23 geöffnet oder geschlossen werden, so dass dadurch die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 verändert wird. Selbstverständlich kann der Brenner auch ohne diese Leitbleche 21a, 21b betrieben werden.
  • Gemäss Fig. 6 ist der oben beschriebene Brenner 18 von einer Haube 26 umgeben, welche ein Plenum 27 für die dem Brenner zuströmende Verbrennungsluft 15 bildet. Dabei setzt sich die Verbrennungsluft 15 einerseits zusammen aus der Kühlluft 15a, die zuvor die Wände der Brennkammer 5 konvektiv gekühlt hat, und andererseits aus der Luft 15b, welche über eine nicht dargestellte Bypassleitung ebenfalls in das Plenum 27 strömt, so dass zusätzliche Verwirbelungen entstehen. In der Haube 26 existiert demnach eine sehr komplexe Strömungssituation. Damit ist nach dem bisherigen Stand der Technik keine gleichmässige Zuströmung der Luft 15 durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 in den Brenner gewährleistet, so dass der gasförmige Brennstoff 13 und die Verbrennungsluft 15 nicht optimal gemischt werden können, was den Einsatz des Brenners unter ungünstigen Anströmbedingungen unmöglich macht bzw. unter günstigeren Abströmbedingungen die NOx-Werte nicht genügend senkt.
  • Deshalb wird wie in Fig. 6, 7 und 8 dargestellt, ein perforierter Korb 24 um den radial angeströmten Brenner 18 gelegt, welcher eine Strömungsgleichrichtung bewirkt. Durch eine Konturanpassung des Korbes 24 wird eine optimale Anströmung des Brenners ermöglicht. Die Brenneranströmung wird durch die Erfindung von der komplexen Strömungssituation in der Haube entkoppelt.
  • Das Flächenverhältnis zwischen der Durchströmfläche des perforierten Korbes 24 und der Einströmfläche in den Brenner 18 (Lufteintrittsschlitze 19, 20) beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 4. Damit wird erreicht, dass der Druckverlust über dem perforierten Korb etwa einem Staudruck entspricht. Wäre die Durchströmfläche, d.h. die Fläche der Öffnungen 25 im Korb 24 bei sonst konstanten Bedingungen wesentlich geringer, würde ein zu hoher Druckverlust entstehen.
  • Da das Verhältnis von Wanddicke s zum Lochdurchmesser d grösser/gleich 1, vorzugsweise 1,5 sein muss, wird mit dieser Forderung neben dem o.g. Flächenverhältnis der Abstand t der Öffnungen 25 zueinander festgelegt, der wiederum das Strömungsprofil hinter dem perforierten Korb 24 bestimmt. Die Luft 15 wird, wie bereits oben beschrieben, beim Durchströmen des Korbes 24 in kleine definierte Strahlen aufgeteilt, die sich nach der Lauflänge 1 hinter der Öffnung 25 wieder vereinigen. Das gemeinsame Strömungsprofil kann somit genau festgelegt und auf die jeweiligen Brennerbedürfnisse abgestimmt werden. Der Vorteil besteht darin, dass eine ungleichmässige Luftverteilung entlang der Zuströmlänge des Brenners 18 sowohl in der Massenverteilung als auch im Strömungsprofil gleichgerichtet werden kann. Dadurch kann die Brennstoffbemessung entlang des Lufteintritts im Brenner 18 optimal ausgelegt werden, wodurch neben der Turbulenzerhöhung der Luft die Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft verbessert und somit die Schadstoffemissionen verringert werden. Der Brenner kann daher auch unter ungünstigen Anströmbedingungen eingesetzt werden. Durch eine Konturanpassung des Korbes 24 wird ausserdem eine optimale lokale Anströmung des Brenners möglich.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das eben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. In Fig. 9 ist deshalb ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das einen axial angeströmten Vormischbrenner 18 betrifft. Die Verbrennungsluft 15 strömt hier aus dem Plenum 27 durch die Öffnungen 25 einer vor dem Brenner senkrecht zur Strömungsrichtung angeordneten perforierten Wand 24, welche z.B. ein Lochblech sein kann, in den Brenner 18. Dort wird der Brennstoff 13 radial versetzt vor dem Drallkörper 28 eingemischt. Zur Stabilisierung des Systemes wird über eine zentrale Zuführung Pilotbrennstoff 29 in den Brenner geleitet. Da die Luftströmung durch die Wand 24 vergleichmässigt wird und ausserdem das kleinskalige Turbulenzniveau nach der Wand 24 erhöht ist, kann eine homogene Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft erfolgen, was zu den o.g. Vorteilen führt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1, 2
    Teilkegelkörper
    1a, 2a
    zylindrischer Anfangsteil
    1b, 2b
    Mittelachse der Teilkegelkörper
    3
    Zerstäubungsdüse
    5
    Brennkammer
    4
    Brennstofftropfenspray
    6
    Rückströmzone (vortex breakdown)
    7
    Flammenfront
    8, 9
    Brennstoffzuleitung
    10
    Frontplatte
    11
    Öffnungen in der Frontplatte
    12
    flüssiger Brennstoff
    13
    weiterer Brennstoff ( meist gasförmig)
    14
    Innenraum des Brenners
    15
    Verbrennungsluftstrom
    16
    Eindüsung Brennstoff
    17
    Öffnungen
    18
    Brenner
    19, 20
    tangentialer Lufteintrittsschlitz
    21a,21b
    Leitblech
    22
    Brennraum abströmseitig des Brenners
    23
    Drehpunkt
    24
    perforiertes Bauteil
    25
    Öffnungen in Pos. 24
    26
    Haube
    27
    Plenum
    28
    Drallkörper
    29
    Pilotbrennstoff
    d
    Durchmesser von Pos. 25
    s
    Dicke von Pos. 24
    t
    Abstand von zwei Öffnungen
    l
    Lauflänge
    v1
    vertikale Geschwindigkeitskomponente vor Pos. 24
    u1
    horizontale Geschwindigkeitskomponente vor Pos. 24
    β1
    Winkel zwischen v1 und der Geschwindigkeitsresultierenden
    v2
    vertikale Geschwindigkeitskomponente nach Durchströmung von Pos. 24
    u2
    horizontale Geschwindigkeitskomponente nach Durchströmung von Pos. 24
    β2
    Winkel zwischen v2 und der Geschwindigkeitsresultierenden

Claims (7)

  1. Vormischbrenner (18) mit axialer oder radialer Luftzuströmung, bei welchem die Verbrennungsluft (15) aus einem in Strömungsrichtung vor bzw. einem um den Brenner (18) angeordneten Plenum (27) in den Brenner (18) strömt und ihr auf dem Weg durch den Brenner (18) Brennstoff (12, 13) beigemischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Plenum (27) und dem Brenner (18) ein perforiertes Bauteil (24) mit einer Wanddicke (s) und Öffnungen (25) mit jeweils einem Durchmesser (d) und einem Abstand (t) zueinander abgeordnet ist, welches die hindurchströmende Verbrennungsluft (15) in kleine definierte Strahlen aufteilt, die sich nach einer bestimmten Lauflänge (1) wieder vereinigen, wobei das Verhältnis von Wanddicke (s) zum Durchmesser (d) der Öffnungen (25) grösser/gleich eins ist und wobei das Verhältnis zwischen der Durchströmfläche des perforierten Bauteiles (24) und der möglichen Einströmfläche in den Brenner (18) in Abhängigkeit von der Brennerart grösser/gleich eins ist.
  2. Vormischbrenner (18) mit radialer Luftzuströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das perforierte Bauteil (24) ein um den Brenner (18) angeordneter perforierter Korb ist.
  3. Vormischbrenner (18) mit axialer Luftzuströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das perforierte Bauteil (24) eine vor dem Brenner (18) senkrecht zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft (15) angeordnete perforierte Wand, vorzugsweise ein Lochblech ist.
  4. Vormischbrenner (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Lauflänge (1) zum Abstand (t) der Öffnungen (25) grösser/gleich 5 ist.
  5. Vormischbrenner (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Wanddicke (s) zum Durchmesser (d) der Öffnungen (25) vorzugsweise 1,5 ist.
  6. Vormischbrenner (18) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Durchströmfläche der perforierten Wand (24) und der Einströmfläche in den Brenner (18) gleich eins ist.
  7. Vormischbrenner (18) der Doppelkegelbauart nach EP 0 321 809 B1, bei dem die Verbrennungsluft (15) über tangentiale Lufteintrittsschlitze (19, 20) in den Brenner (18) strömt, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Durchströmfläche des perforierten Korbes (24) und der Einströmfläche in den Brenner (18) grösser eins, vorzugsweise vier ist.
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