EP0775869B1

EP0775869B1 - Vormischbrenner

Info

Publication number: EP0775869B1
Application number: EP96810756A
Authority: EP
Inventors: Klaus Dr. Döbbeling; Adnan Dr. Eroglu; Peter Dr. Senior
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 1995-11-23
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 2001-09-05
Anticipated expiration: 2016-11-07
Also published as: EP0775869A3; DE59607621D1; DE19543701A1; US5791892A; JPH09170729A; EP0775869A2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner für die Verbrennung von gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff, bei welchem der Brennstoff als Sekundärströmung in eine gasförmige, kanalisierte Hauptströmung eingedüst wird, wobei die Sekundärströmung einen wesentlich kleineren Massenstrom aufweist als die Hauptströmung.

Stand der Technik

Aus EP 0 321 809 B1 ist ein Vormischbrenner bekannt, der sich durch niedrige NOx-Emissionswerte (ca. 25 ppm) und eine hohe Flammenstabilität auszeichnet. Dieser Vormischbrenner, auch Doppelkegelbrenner genannt, besteht aus hohlen, sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelkörpern mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen für die vom Verdichter heranströmende Verbrennungsluft auf sowie Zuführungen für gasförmige und flüssige Brennstoffe, wobei die Mittelachsen der hohlen Teilkegelkörper eine in Strömungsrichtung sich erweiternde Kegelneigung aufweisen und in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen. Im Inneren des Brenners (Kegelspitze) ist eine Brennstoffdüse für den flüssigen Brennstoff angeordnet, durch die der Brennstoff in einem spitzen Winkel in den Hohlkegel eingedüst wird. Das entstehende kegelige Flüssigbrennstoffprofil wird von dem tangential rotierenden Verbrennungsluftstrom umschlossen, wobei in axialer Richtung die Konzentration des Brennstoffes infolge der Vermischung mit der Verbrennungsluft ständig abnimmt. Der Vormischbrenner kann auch mit gasförmigen Brennstoff bzw. im Mischbetrieb betrieben werden. Dabei geschieht die Gemischbildung des gasförmigen Brennstoffes mit der Verbrennungsluft bereits in den tangentialen Lufteintrittsschlitzen, in die der gasförmige Brennstoff über gleichmässig verteilte Düsen eingebracht wird.

Um eine verlässliche Zündung des Gemisches am Ausgang des Brenners und einen genügenden Ausbrand zu erzielen, ist eine innige Mischung des Brennstoffes mit der Luft erforderlich. Durch die Art der Eindüsung entstehen im Innenraum des Doppelkegelbrenners axial ausgerichtete Wirbel des Brennstoff/Luft-Gemisches. Wenn die Wirbelzahl einen kritischen Wert erreicht hat, erfolgt der Vortex Breakdown (Aufplatzen der Wirbel) und es bildet sich stromab des Brennerausganges eine stabile Flammenfront.

Eine weitere dauerhafte Absenkung der Schadstoffemissionswerte der Doppelkegelbrenner, beispielsweise auf NOx-Werte kleiner 9 ppm, durch Veränderung der Betriebsbedingungen ist wegen der auftretenden Probleme bezüglich Flammenstabilität, Pulsation und der immer höheren Verbrennungstemperaturen nicht möglich.

Ein weiterer Nachteil der Doppelkegelbrenner besteht in ihrer komplizierten geometrischen Form und den dadurch bedingten fertigungstechnischen Schwierigkeiten.

Aus EP 0 619 456 A1 ist ein Brennstoffzufuhrsystem für eine Brennkammer mit Vormischverbrennung bekannt, in welcher ein gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff als Sekundärströmung in eine gasförmige, kanalisierte Hauptströmung eingedüst wird, wobei die Sekundärströmung einen wesentlich kleineren Massenstrom aufweist als die Hauptströmung und wobei der durchströmte Vormischkanal gekrümmte Wände aufweist. In einer Ausführungsform ist der Kanal ringförmig und an der äusseren als auch inneren Ringwand sind eine gleiche Anzahl von Wirbel-Generatoren in Umfangsrichtung aneinandergereiht.

Diese Wirbel-Generatoren weisen drei sich in Strömungsrichtung erstreckende, frei umströmte Flächen auf, von denen eine die Dach- und die beiden anderen die Seitenflächen bilden. Die Seitenflächen sind mit einer gleichen Kanalwand bündig und schliessen miteinander einen Pfeilwinkel α ein. Die Dachfläche liegt mit einer quer zum durchströmten Kanal verkaufenden Kante an dergleichen Kanalwand an wie die Seitenflächen und die längsgerichteten Kanten der Dachfläche, die bündig sind mit den in den Strömungskanal hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen, verlaufen unter einem Anstellwinkel Θ zur Kanalwand. Es sind auch halbe Wirbel-Generatoren möglich, bei denen nur die eine der beiden Seitenflächen des Wirbel-Generators mit einem Pfeilwinkel α/2 versehen ist, während die andere Seitenfläche gerade und in Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Die Verbindungskanten von je zwei gegenüberliegenden Wirbel-Generatoren können dabei auf der gleichen Radialen liegen oder um eine halbe Teilung versetzt sein.

Mit diesem bekannten Brennstoffzufuhrsystem nach EP 0 619 456 A1 wird erreicht, dass in einer sehr kurzen Strecke Brennluft und Brennstoff innig vermischt werden und gleichzeitig in der Mischzone eine gleichmässige Geschwindigkeitsverteilung erreicht wird. Aussagen bezüglich Erreichen einer ausreichenden Flammenstabilität fehlen aber hier. Da dieses Brennstoffzufuhrsystem für eine selbstzündende Brennkammer angewendet wird, ist in diesem Falle auch keine Flammenstabilisierung notwendig.

Aus US 5 351 477 ist eine Vorrichtung zur Vormischung von Luft und Brennstoff in einem Mischkanal vor der Verbrennung in Gasturbinen bekannt mit einer Anzahl von inneren und äusseren voneinander unabhängigen und zueinander entgegengesetzt rotierenden Wirbelerzeugern. Die äusseren Wirbelerzeuger enthalten Schaufeln mit Öffnungen zur Zufuhr von flüssigem bzw. gasförmigem Brennstoff. Komprimierte Luft wird über die inneren und äusseren Wirbelerzeuger in den Mischkanal eingebracht, um ein intensives Schergebiet zu erzeugen. Dort wird die Hochdruckluft gleichförmig mit dem Brennstoff gemischt, wodurch minimale Verunreinigungen bei der Verbrennung entstehen. Allerdings ist die hierbei erreichbare Flammenstabilität nicht immer ausreichend.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vormischbrenner für die Verbrennung von gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff zu entwickeln, mit dem extrem niedrige NOx-Emissionen erreicht werden, wobei sich der Brenner durch eine einfache Geometrie und ein zuverlässiges Betriebsverhalten auszeichnen soll. Bei dem Brenner soll innerhalb kürzester Strecke eine innige Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff erreicht werden bei gleichzeitiger gleichmässiger Geschwindigkeitsverteilung in der Mischzone, wobei ferner mit einem solchen Brenner ohne Verwendung eines mechanischen Flammenhalters ein Rückschlagen der Flamme mit Sicherheit vermieden werden soll.

Erfindungsgemäss wird dies bei einem Vormischbrenner gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1, welcher mit einem Brennstoffzufuhrsystem arbeitet, das aus EP 0 619 456 A1 bekannt ist, dadurch erreicht, dass die verwendeten Wirbel-Generatoren solche Wirbel erzeugen, welche nach der Mischung des Brennstoffes mit der Luft der Brennstoff/Luft-Gemischströmung einen Restwirbel hinterlassen, dass der von den Kanalwänden gebildete ringförmige Hauptströmungskanal mit einer konstanten Höhe eine Länge stromabwärts der Wirbel-Generatoren und der Brennstoffeindüsung aufweist, die im Bereich zwischen dem 5- bis 20-fachen seiner Höhe liegt und dass sich der ringförmige Hauptströmungskanal anschliessend durch Schliessung der inneren Zylinderwand zu einem kreisförmigen Hauptströmungskanal erweitert.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass durch das Brennstoffzufuhrsystem und den Einsatz der Wirbel-Generatoren einerseits eine intensive vollständige Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft in einer sehr kurzen Mischstrecke ohne Ablösegebiete und mit gleichmässigem Geschwindigkeitsprofil erfolgt, was eine Voraussetzung für eine Minimierung der NOx-Gehalte ist und dass andererseits auf Grund des von den Wirbel-Generatoren erzeugten Restwirbels, der nach der Mischung in der Brennstoff/Luft-Gemischströmung noch vorhanden ist, die Rezirkulationszone positiv beeinflusst wird, was die Flammenstabilität erhöht und die Quermischung der verschiedenen Brenner in einer ringförmigen Brennkammer verbessert. Der erfindungsgemässe ringförmige Vormischbrenner zeichnet sich weiterhin durch eine einfache Geometrie aus und ist deshalb konstruktiv leicht herstellbar.

Zur Ausbildung der Rezirkulationszone, welche als Zündquelle für heranströmendes frisches Brennstoff/Luft-Gemisch dient, ist es ausserdem notwendig, dass sich nach einer ausreichenden Länge des ringförmigen Vormischstrecke der innere Zylinder schliesst. Das kann in zweckmässiger Weise allmählich oder sprunghaft erfolgen, so dass sich der Hauptströmungskanal entweder allmählich erweitert oder aber ein plötzlicher Übergang vom Ringkanal zum Kreiskanal erfolgt. Die Rezirkulationszone bildet sich dann im kreisförmigen Querschnitt aus.

Es ist vorteilhaft, wenn "halbe" Wirbel-Generatoren des Deltawing-Typs verwendet werden, wobei ein Wirbel-Generatoren drei frei umströmte Flächen aufweist, die sich in Strömungsrichtung erstrecken und von denen eine die Dachfläche und die beiden anderen die Seitenflächen bilden, dass die Seitenflächen mit einer gleichen Kanalwand bündig sind und eine Seitenfläche mit einem halben Pfeilwinkel versehen ist, während die andere Seitenfläche gerade und in Strömungsrichtung ausgerichtet ist, dass die Dachfläche mit einer quer zum durchströmten Ringkanal verlaufenden Kante an der gleichen Kanalwand anliegt wie die Seitenflächen, und dass die längsgerichteten Kanten der Dachfläche, die bündig sind mit den in den Strömungskanal hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen unter einem Anstellwinkel zur Kanalwand verlaufen.

Bei Verwendung dieses Typs von Wirbel-Generatoren, die in Umfangsrichtung aneinandergereiht sind, kombinieren sich die Wirbel, die alle den gleichen Drehsinn aufweisen, zu einen grossen rotierenden Wirbel.

Schliesslich werden mit Vorteil im Vormischbrenner Wirbel-Generatoren angeordnet, welche annähernd die Form eines rechtwinkligen Dreieckes geringer Dicke aufweisen, wobei die beiden umströmten dreieckigen Seitenflächen parallel zueinander verlaufen und gemeinsam mit der Dachfläche die Verbindungsfläche umfassen, wobei die Dachfläche mit einer Kante und die Verbindungsfläche mit einer Kante an der gleichen Kanalwand anliegen wie die beiden Seitenwände.

Werden diese Wirbel-Generatoren über den Umfang der beiden Zylinderwänden gleichmässig verteilt angeordnet und zwar so, dass zwei sich gegenüberliegende Wirbelgeneratoren jeweils um eine halbe Teilung versetzt sind, dann ist die Drallrichtung an den sich gegenüberliegenden Wirbel-Generatoren gleich und die Hauptströmung bekommt einen recht grossen Drall aufgezwungen, der sowohl für eine vollständige Mischung mit dem Brennstoff reicht, als auch einen Restwirbel für die Flammenstabilisation bereitstellt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt eines erfindungsgemässen Vormischbrenners;
Fig. 2: einen Teillängsschnitt einer zweiten Ausführungsvariante des Vormischbrenners;
Fig. 3: einen Teillängsschnitt einer dritten Ausführungsvariante des Vormischbrenners;
Fig. 4: eine perspektivische Darstellung eines "halben" Wirbel-Generators des Delta-Flügel-Typs;
Fig. 5: eine perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsvariante des Wirbel-Generators;
Fig. 6: eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante des Wirbel-Generators;
Fig. 7: eine Anordnungsvariante der Wirbel-Generatoren nach Fig. 4 im Ringkanal;
Fig. 8: eine weitere Anordnungsvariante der Wirbel-Generatoren nach Fig. 4 im Ringkanal;
Fig. 9: eine Anordnungsvariante der Wirbel-Generatoren nach Fig. 6 im Ringkanal;
Fig. 10: eine Anordnungsvariante der Wirbel-Generatoren nach Fig. 5 im Ringkanal.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind erfindungsunwesentliche Elemente, beispielsweise Gehäuse, Befestigungen und Leitungsdurchführungen. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 10 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemässen ringförmigen Vormischbrenners. Er besteht im wesentlichen aus zwei Zylindern mit voneinander verschiedenem Durchmesser , welche konzentrisch zueinander angeordnet sind, so dass die inneren Zylinderwand 21a und die äussere Zylinderwand 21b einen Ringkanal 20 begrenzen. Im Eintrittsbereich des Kanals 20 sind Wirbel-Generatoren 9 angeordnet, deren Form und Wirkungsweise weiter unten beschrieben wird. Der Kanal 20 weist eine konstante Höhe H auf und hat stromabwärts der Wirbel-Generatoren eine Länge L, die im Bereich zwischen dem 5- bis 20-fachen seiner Höhe H liegt und die Vormischstrecke für Verbrennungsluft 1 und gasförmigen Brennstoff 2 bildet. Über Rohrleitungen 3 wird unmittelbar stromabwärts der Wirbel-Generatoren 9 gasförmiger Brennstoff 2 über Öffnungen 4 in der äusseren Zylinderwand 21b als Sekundärströmung in die Hauptströmung des Ringkanals 20 eingedüst und mit der Verbrennungsluft 1 vermischt. Die Einbringung des gasförmigen Brennstoffes 2 könnte selbstverständlich auch an der inneren Zylinderwand 21a bzw. am besten an beiden Wänden 21a und 21b erfolgen, wie im unteren Teilbild von Fig. 1 dargestellt ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Variante schliesst sich nach der Vormischstrecke die innere Zylinderwand 21a allmählich, so dass der innere Zylinder von einer Kegelspitze abgeschlossen wird. Die äussere Zylinderwand 21b verengt sich im Bereich der Kegelspitze zunächst ebenfalls, bevor sie dann einen kreisförmigen Querschnitt umschliesst, in welchem sich eine Rezirkulationszone ausbildet, die als Zündquelle für ankommendes frisches Brennstoff/Luft-Gemisch dient.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsvariante des ringförmigen Vormischbrenners dargestellt. Im Unterschied zu Fig. 1 schliesst sich hier der innere Zylinder nach einer genügend langen Vormischstrecke (Länge L ist ca. das 5- bis 20-fache der Kanalhöhe H) plötzlich, so dass der Übergang vom Ringkanal 20 zum Kreiskanal, in dem sich die Rezirkulationszone 22 ausbildet, abrupt erfolgt. Der gasförmige Brennstoff 2 wird hierbei über Öffnungen von am inneren und äusseren Zylinder unmittelbar stromabwärts der Wirbel-Generatoren 9 angebrachten ringförmigen Brennstoffzuführungsleitungen 5 als Sekundärströmung in die durch die Wirbel-Generatoren verwirbelte Hauptströmung eingebracht und intensiv mit der Luft vermischt.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsvariante des Vormischbrenners. Wie in den obigen Beispielen sind auch hier im Ringkanal 20 Wirbel-Generatoren 9 angeordnet, über die die Luft 1 als Hauptströmung geführt und verwirbelt wird, bevor unmittelbar stromab der Wirbel-Generatoren 9 gasförmiger Brennstoff eingedüst wird. Zwecks Verstärkung des Wirbel-Effektes sind stromauf der Wirbel-Generatoren 9 Umlenkschaufeln 8 im Ringkanal 20 angeordnet. Der gleiche Effekt kann erzielt werden, wenn die Hauptströmung den Ringraum über tangentiale Schlitze (hier nicht dargestellt) in den Ringraum 20 gelangt und dadurch eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente erhält. Der innere Zylinder schliesst sich auch hier allmählich, allerdings nicht zu einer Kegelspitze, sondern zu einer Halbkugel. Im inneren Zylinder sind Leitungen 6 für die Zufuhr von flüssigem Brennstoff 7 angeordnet, welcher am Ende der Vormischstrecke für die Verbrennungsluft 1 und den gasförmigen Brennstoff 2 aus im halbkugelförmigen Ende des inneren Zylinders angeordneten Düsen in den kreisförmigen Querschnitt des Brenners eingedüst wird.

Selbstverständlich kann in einer anderen, nicht zeichnerisch dargestellten Ausführungsvariante anstelle der Eindüsung von gasförmigem Brennstoff 2 in den Ringkanal 20 auch flüssiger Brennstoff 7, beispielsweise über eine Brennstofflanze eingebracht werden und mit der durch die Wirbel-Generatoren verwirbelten Luft im Ringraum 20 vermischt werden.

Die im Ringkanal 20 installierten Wirbel-Generatoren 9 können unterschiedliche Formen aufweisen. Wesentlich für die Erfindung ist, dass sie Längswirbel ohne Rezirkulationsgebiet erzeugen und dadurch innerhalb kürzester Strecke eine vollständige Mischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft ermöglichen, andererseits nach dem Mischen ein Restwirbel in der Strömung verbleibt, welcher längs des Nachlaufes des inneren Zylinders vorhanden ist. Dieser Restwirbel beeinflusst die Rezirkulationszone und sorgt einerseits für eine hohe Flammenstabilität und andererseits für eine gute Quermischung der verschiedenen Brenner in der Ringbrennkammer.

Die in den obigen Ausführungsbeispielen schematisch abgebildete Wirbel-Generatoren 9 sind halbe Delta-Flügel, d.h. (siehe Fig. 4) dass ein Wirbel-Generator 9 drei frei umströmte Flächen 10, 11, 12 aufweist, die sich in Strömungsrichtung erstrecken und von denen eine die Dachfläche 10 und die beiden anderen die Seitenflächen 11, 13 bilden, dass die Seitenflächen 11, 13 mit einer gleichen Kanalwand 21 bündig sind und eine Seitenfläche 11 mit einem Pfeilwinkel α/2 versehen ist, während die andere Seitenfläche 13 gerade und in Strömungsrichtung ausgerichtet ist, dass die Dachfläche 10 mit einer quer zum durchströmten Kanal 20 verlaufenden Kante 15 an der gleichen Kanalwand 21 anliegt wie die Seitenflächen 11, 13, und dass die längsgerichteten Kanten 12, 14 der Dachfläche 10, die bündig sind mit den in den Strömungskanal 21 hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen 11, 13 unter einem Anstellwinkel Θ zur Kanalwand 21 verlaufen. Die beiden Seitenflächen 11, 13 umfassen eine Verbindungskante 16 miteinander, welche zusammen mit den längsgerichteten Kanten 12, 14 der Dachfläche 10 eine Spitze 18 bildet, wobei die Verbindungskante in der Radialen der gekrümmten Kanalwand 21 verläuft. Die Verbindungskante 16 und/oder die längsgerichteten Kanten 12, 14 der Dachfläche 10 sind dabei zumindestens annähernd scharf ausgebildet.

In den Figuren 4 bis 6 ist der eigentliche Kanal, der von einer mit grossem Pfeil symbolisierten Hauptströmung durchströmt ist, nicht dargestellt.

Es ist von Vorteil, wenn die Verbindungskante 16 der in der Fig. 4 beschriebenen Wirbel-Generatoren 9 die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators 9 bildet und die quer zum durchströmten Kanal 20 verlaufende Kante 15 der Dachfläche 10 die von der Hauptströmung zuerst beaufschlagte Kante ist, weil sich dadurch der Wirbel besonders gut aufbauen kann.

Die Wirkungsweise des Wirbel-Generators ist folgende: Beim Umströmen der Kante 14 der mit dem halben Pfeilwinkel α/2 versehenen Seitenfläche 11 wird die Hauptströmung in einen Wirbel umgewandelt, dessen Achse in der Achse der Hauptströmung liegt. An der geraden Seitenfläche 13, die in Strömungsrichtung der Hauptströmung ausgerichtet ist, wird kein Wirbel erzeugt, so dass der Strömung ein Drall aufgezwungen wird und kein wirbelneutrales Feld vorliegt. Wird nun unmittelbar stromab der Wirbel-Generatoren 9 der Brennstoff wie oben beschrieben als Sekundärströmung in die Hauptströmung eingeleitet, so kommt es zu einer intensiven Vermischung der Verbrennungsluft 1 und des Brennstoffes 2.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Wirbel-Generators 9a, welcher für den erfindungsgemässen Vormischbrenner eingesetzt werden kann. Der Wirbel-Generator 9a weist annähernd die Form eines rechtwinkligen Dreiecks geringer Dicke auf, wobei die beiden umströmten dreieckigen Seitenflächen 11, 13 parallel zueinander verlaufen und gemeinsam mit der Dachfläche 10 die Verbindungsfläche 19 umfassen, wobei die Dachfläche 10 mit einer Kante 15 und die Verbindungsfläche 19 mit einer Kante 17 an der gleichen Kanalwand anliegen wie die beiden Seitenwände 11, 13 und die Seitenflächen 11, 13 mit der Hauptströmungsrichtung der ankommenden Luft einen Winkel β bilden. Die Dachfläche 10 kann auch konkav oder konvex gekrümmt sein. Das hat im Vergleich zu Wirbel-Generatoren 9a mit einer geraden Dachfläche den Vorteil, dass die gleiche Wirbelstärke bei einem geringeren Druckabfall erzeugt werden kann. Ein weiterer Vorteil der Wirbel-Generatoren 9a besteht darin, dass sie äusserst einfach hergestellt werden können, beispielsweise durch Ausstanzen dünner Bleche. Da die Breite der Dachfläche 10 bei den Wirbel-Generatoren 9a äussert gering ist, erfolgt praktisch die Wirbelbildung nur an einer Seite und es entsteht ein sehr grosser Wirbel, der die Brennstoff/Luft-Gemischbildung positiv beeinflusst.

Fig. 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des in Fig. 5 dargestellten Wirbel-Generators 9a, bei dem die beiden Seitenflächen 11 und 13 nicht die Form eines rechtwinkligen Dreiecks haben, sondern trapezförmig ausgebildet sind. Auch diese Wirbel-Generatoren 9a sind hervorragend zur Wirbelerzeugung geeignet.

Die Figuren 7 bis 10 zeigen verschiedene Anordnungsvarianten der Wirbel-Generatoren 9 bzw. 9a im Ringkanal 20 des Vormischbrenners.

In Fig. 7 sind Wirbel-Generatoren 9 nach Fig. 4 sowohl an der inneren Zylinderwand 21a, als auch an der äusseren Zylinderwand 21b angeordnet. Sie haben eine Höhe h, die fast die gesamte Kanalhöhe H ausfüllt.

In Fig. 8 sind die Wirbel-Generatoren 9, die an der inneren Zylinderwand 21a angeordnet sind kleiner als die an der äusseren Wand 21b angeordneten, ihre Höhe h beträgt nur ca. H/2, während die Höhe h der äusseren Wirbel-Generatoren 9 gleich der Kanalhöhe H ist. Durch den Einsatz von Wirbel-Generatoren 9 unterschiedlicher Geometrie entstehen Wirbel unterschiedlicher Stärke, was sich günstig auf den zur Flammenstabilisierung notwendigen Restwirbel auswirkt.

Fig. 9 zeigt eine Anordnung von Wirbel-Generatoren 9a mit einer Geometrie gemäss Fig. 6. Ihre Höhe h entspricht der Kanalhöhe H, d.h sie füllen die gesamte Kanalhöhe H aus. Der abgeflachte Teil der Dachfläche 13 grenzt dabei an die innere Zylinderwand 21a. Die entstehenden Wirbel sind mit Pfeilen gekennzeichnet.

Schliesslich ist in Fig. 10 eine Anordnungsvariante der Wirbel-Generatoren 9a gemäss Fig. 5 im Ringkanal 20 dargestellt. Die Wirbel-Generatoren 9a sind sowohl an der inneren Zylinderwand 21a, als auch an der äusseren Zylinderwand 21b angeordnet, beispielsweise aufgeschweisst. Zwei gegenüberliegenden Wirbel-Generatoren 9a sind jeweils um eine halbe Teilung zueinander in Umfangsrichtung versetzt, so dass die Drallrichtung Aussen und Innen gleich ist und die Wirbel sich wie gewünscht zu einem grossen Wirbel summieren, der sowohl ausreichend ist zur vollständigen Mischung von Luft und Brennstoff als auch anschliessend als Restwirbel zur Flammenstabilisierung beiträgt.

Der Vormischbrenner ist auch vorzüglich für den Betrieb bei Teillast geeignet, weil es aufgrund der Geometrie des Brenners problemlos möglich ist, Pilotgas bzw. Sekundärgas direkt in die Rezirkulationszone einzudüsen. Dadurch wird die Stabilitätsgrenze des Brenners vergrössert.

Eine mögliche Rückschlaggefahr existiert beim erfindungsgemässen Brenner nicht, da hohe Strömungsgeschwindigkeiten in der Mischzone vorherrschen und durch die Wahl des oben beschriebenen Wirbel-Generator-Typs keine Rezirkulationsgebiete in der Mischzone erzeugt werden. Es ist ausserdem problemlos möglich, mit mehreren erfindungsgemässen Vormischbrennern eine Ringbrennkammer zu betreiben.

Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsluft
2: Brennstoff
3: Rohrleitung
4: Öffnung in Pos. 21
5: Ringleitung
6: Leitung für flüssigen Brennstoff
7: flüssiger Brennstoff
8: Umlenkschaufel
9,9a: Wirbel-Generator
10: Dachfläche
11: Seitenfläche
12: Längskante
13: Seitenfläche
14: Längskante
15: quer verlaufende Kante von Pos. 10
16: Verbindungskante
17: Kante von 19
18: Spitze
19: Verbindungsfläche
20: Ringkanal
21a,b: Zylinderwand
22: Rezirkulationszone

α: Pfeilwinkel
β: Winkel zwischen Hauptströmungsrichtung und Pos. 13
Θ: Anstellwinkel
h: Höhe von Pos. 9, 9a
H: Höhe von Pos. 20
L: Länge von Pos. 20

Claims

Vormischbrenner für die Verbrennung von gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff, wobei der Vormischbrenner mit einem Brennstoffzufuhrsystem arbeitet, bei welchem der Brennstoff als Sekundärströmung in eine gasförmige, kanalisierte Hauptströmung eingedüst wird, wobei die Sekundärströmung einen wesentlich kleineren Massenstrom aufweist als die Hauptströmung, der durchströmte Vormischkanal (20) ringförmig ist und von einer inneren (21a) und einer äusseren Zylinderwand (21b) begrenzt ist, welche Zylinderwände (21a,21b) jeweils einen konstanten Radius enttang der Länge (L) des Kanales (20) aufweisen, und wobei die Hauptströmung über Wirbel-Generatoren (9, 9a), welche Längswirbel ohne Rezirkulationsgebiet erzeugen, geführt wird, von denen über den Umfang des Ringkanals (20) an mindestens einer Kanalwand (21) mehrere nebeneinander angeordnet sind, und unmittelbar stromabwärts der Wirbel-Generatoren (9,9a) an der inneren und/oder äusseren Kanalwand (21a, 21b) Mittel zur Eindüsung von Brennstoff angeordnet sind, wobei

die Wirbel-Generatoren (9, 9a) solche Wirbel erzeugen, welche nach der vollständigen Mischung des Brennstoffes mit der Luft der Brennstoff/Luft-Gemischströmung einen Restwirbel hinterlassen,

die Länge (L) des von den Kanalwänden (21a 21b) gebildeten ringförmigen Hauptströmungskanales (20) mit einer konstanten Höhe (H) stromabwärts der Wirbel-Generatoren (9) und der Brennstoffeindüsung im Bereich zwischen dem 5- bis 20-fachen seiner Höhe (H) liegt und

sich der ringförmige Hauptströmungskanal (20) anschliessend durch Schliessung der inneren Zylinderwand (21a) zu einem kreisförmigen Hauptströmungskanal erweitert.
Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Hauptströmungskanal allmählich erweitert.
Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Hauptströmungskanal sprunghaft erweitert.
Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass ein Wirbel-Generatoren (9) drei frei umströmte Flächen (10, 11, 12) aufweist, die sich in Strömungsrichtung erstrecken und von denen eine die Dachfläche (10) und die beiden anderen die Seitenflächen (11, 13) bilden,

dass die Seitenflächen (11, 13) mit einer gleichen Kanalwand (21) bündig sind und eine Seitenfläche (11) mit einem halben Pfeilwinkel (α/2) versehen ist, während die andere Seitenfläche (13) gerade und in Strömungsrichtung ausgerichtet ist,

dass die Dachfläche (10) mit einer quer zum durchströmten Kanal (20) verlaufenden Kante (15) an der gleichen Kanalwand (21) anliegt wie die Seitenflächen (11, 13),

und dass die längsgerichteten Kanten (12, 14) der Dachfläche (10), die bündig sind mit den in den Strömungskanal (21) hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen (11, 13) unter einem Anstellwinkel (Θ) zur Kanalwand (21) verlaufen.
Vormischbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Seitenflächen (11, 13) eine Verbindungskante (16) miteinander umfassen, welche zusammen mit den längsgerichteten Kanten (12,14) der Dachfläche (10) eine Spitze (18) bildet, und dass die Verbindungskante in der Radialen der gekrümmten Kanalwand (21) verläuft.
Vormischbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskante (16) und/oder die längsgerichteten Kanten (12, 14) der Dachfläche zumindestens annähernd scharf ausgebildet sind.
Vormischbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskante (16) die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators (9) bildet und die quer zum durchströmten Kanal (20) verlaufende Kante (15) der Dachfläche (10) die von der Hauptströmung zuerst beaufschlagte Kante ist.
Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbel-Generatoren (9a) annähernd die Form eines rechtwinkligen Dreiecks geringer Dicke aufweisen, die beiden umströmten dreieckigen Seitenflächen (11, 13) parallel zueinander verlaufen und gemeinsam mit der Dachfläche (10) die Verbindungsfläche (19) umfassen, wobei die Dachfläche (10) mit einer Kante (15) und die Verbindungsfläche (19) mit einer Kante (17) an der gleichen Kanalwand anliegen wie die beiden Seitenwände (11, 13) und die Seitenflächen (11, 13) mit der Hauptströmungsrichtung der ankommenden Luft einen Winkel (β) bilden.
Vormischbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (11, 13) der Wirbel-Generatoren (9a) trapezförmig ausgebildet sind.
Vormischbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dachfläche (10) konvex oder konkav ausgebildet ist.
Vormischbrenner nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsfläche (19) die stromabwärtige Fläche des Wirbel-Generators (9a) bildet und die quer zum durchströmten Kanal (20) verlaufende Kante (15) der Dachfläche (10) die von der Hauptströmung zuerst beaufschlagte Kante ist.
Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 4, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Wirbel-Generators (9, 9a) der Höhe (H) des Kanales (20) entspricht.
Vormischbrenner nach Anspruch 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der inneren Kanalwand (21a) und an der äusseren Kanalwand (21b) ein gleiche Anzahl an Wirbel-Generatoren (9, 9a) angeordnet sind, wobei je zwei gegenüberliegende Wirbel-Generatoren (9, 9a) um eine halbe Teilung versetzt angeordnet sind.
Vormischbrenner nach Anspruch 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der inneren Kanalwand (21a) und an der äusseren Kanalwand (21b) eine gleiche Anzahl an Wirbel-Generatoren (9, 9a) angeordnet sind, wobei die inneren und die äusseren Wirbel-Generatoren (9, 9a) eine unterschiedliche Geometrie aufweisen.
Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gasförmige Brennstoff über Öffnungen in der inneren und/oder äusseren Kanalwand (21a, 21b) stromabwärts der Wirbelgeneratoren (9, 9a) zugeführt wird.
Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiger Brennstoff über eine stromabwärts der Wirbel-Generatoren (9, 9a) angeordnete Lanze eingedüst wird.
Vormischbrenner nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich flüssiger Brennstoff am Ende des inneren Zylinders eingedüst wird.