EP1856447B1 - Vormischbrenner zum betreiben einer brennkammer - Google Patents

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EP1856447B1
EP1856447B1 EP06708627.2A EP06708627A EP1856447B1 EP 1856447 B1 EP1856447 B1 EP 1856447B1 EP 06708627 A EP06708627 A EP 06708627A EP 1856447 B1 EP1856447 B1 EP 1856447B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
burner shell
shell section
premix
section
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.)
Not-in-force
Application number
EP06708627.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1856447A1 (de
Inventor
Martin Andrea Von Planta
Christian Dr. Steinbach
Thomas Ruck
Weiqun Dr. Geng
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.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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
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Publication of EP1856447A1 publication Critical patent/EP1856447A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1856447B1 publication Critical patent/EP1856447B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • 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
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • 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 for producing an ignitable fuel-air mixture, with a swirl generator, which provides at least two supplementing to a flow body burner shells, each having a part cone shaped first burner shell portion and together define an axially conically widening swirl space, and the in axial longitudinal cone extension limit mutually tangential air inlet slots, passes through the combustion air supply into the swirl space, in which an axially spreading swirl flow is formed, and with means for injection of fuel, which are arranged at least partially along the tangential air inlet slots.
  • a swirl generator which provides at least two supplementing to a flow body burner shells, each having a part cone shaped first burner shell portion and together define an axially conically widening swirl space, and the in axial longitudinal cone extension limit mutually tangential air inlet slots, passes through the combustion air supply into the swirl space, in which an axially spreading swirl flow is formed, and with means for injection of fuel, which are arranged at least partially along the tangential air inlet slots.
  • Premix burners of the abovementioned type are known from a large number of published publications, for example, from EP 0 210 462 A1 as well as the EP 0 321 809 B1 , to name just a few.
  • Premix burners of this type is based on the general operating principle, within a mostly designed as a conical swirl generator, which provides at least two with corresponding overlap overlapping Operakegelschalen to produce a consisting of a fuel-air mixture swirl flow, which within a downstream of the premix burner combustion chamber under training a spatially stable as possible premix flame is made to ignite.
  • the spatial position of the premix flame is determined by the aerodynamic behavior of the swirl flow, whose swirl increases with increasing propagation along the burner axis, thus becomes unstable and ultimately bursting through an unsteady cross-sectional transition between the burner and combustion chamber in an annular swirling flow to form a remindströmzone, in whose front-flow area, the premix flame forms.
  • thermoacoustic oscillations or pulsations within the combustion system occur, which considerably affect the overall combustion and the heat release.
  • Vormischbrennersysteme be limited to sizes whose maximum burner diameter at the burner outlet is only 180 mm.
  • premix burners have a relatively sharp, i. small cone angle of less than or equal to 18 °, so that the burner length in relation to the down-turned burner diameter rather large, but for assembly and maintenance purposes is still quite manageable.
  • the partial cone shells intended for switching or deflecting the supply air into the swirl generator which are also referred to as burner bowls, are designed as thin-walled deflectors which have the shape of the lateral surface of conical halves or smaller conical segments and the swirl space on the radial side limit, the burner shells by their spatial arrangement each mutually tangential to the burner axis oriented air inlet slots with each other.
  • a burner for operating a heat generator can be seen, with a swirl generator whose oriented in the flow direction inlet cross-section is rectangular and for reasons of improved mixing downstream of a flow in the square or round flow cross-section provides, which is preferably followed by a cross-section round mixing section.
  • a swirl generator shown in perspective is shown, whose swirl space is bounded by curved burner shells 156 radially.
  • the burner shell or swirl blade 156 shown in cross-section has three burner shell sections, which are integrally connected to one another, wherein the respective partial cone-shaped first burner shell section is flush with a second burner shell section curved in the opposite direction to the first burner shell section and a third burner shell section adjoins the second burner shell section flush with a curvature tangential to the second burner shell section.
  • the invention has the object of developing a premix burner according to the features of the preamble of claim 1 such that despite enlarging the burner dimensions, the burner properties optimized in previously known premix burners should remain virtually unchanged.
  • it is necessary to solve the aerodynamic problems occurring in premix burners with multiple shell arrangements and to eliminate the associated disadvantages and dangers.
  • it is necessary to take measures that no reignition phenomena which cause gas accumulating in return flow zones occur.
  • the burner shells bounding the swirl space radially are burner bowls describing aerodynamically exclusively vanes that describe a partial conical shape, so that the supply air flow flowing through the air inlet slots into the swirl chamber is largely loss-free, i. without any edge vortex formation, between two the air inlet slot bounding burner shells is performed. Due to the burner shell geometry, which are formed in the usual way as a thin inlet air flow diverting baffles, a supply air flow flowing through the air inlet slots along a supply air flow facing surface of the burner shell is initially accelerated continuously as it enters the air inlet slot and gradually redirected until the air flow through the burner shell leaves to the swirl space.
  • the burner shell geometry has differently shaped, the air inlet slot laterally limiting surface areas through which the radially in the air inlet slot incoming air flow is largely without resistance and without formation of near-surface flow edge vortex in the swirl space to form an axially extending to the burner swirl flow is deflected.
  • any backflow zones which form in previously known premix burners with multi-shell arrangements can be avoided, in which gas accumulations can be formed, which can lead to damage to the premix burner structure and, in particular, to the burner shells by way of spontaneous deflagrations.
  • a burner shell designed in each case according to the invention has three burner shell sections of different shape, which are connected in one piece with each other, wherein the respective first conical cup section is flush with one opposite the first Burner cup portion curved second burner cup portion is added and a third burner cup portion is flush with the second burner cup portion, with a tangent to the second burner cup portion curvature.
  • the third burner shell section limits one side of each one of the tangential air inlet slots and provides a leading edge for the combustion air supply.
  • the determined by the partial cone shape curvature of the partially conical first burner shell section is continuous, ie transitionless, in the curvature of the second Brennerschalenabiteses and all places of a curvature change describe a line, the so-called inflection point line along which the means are provided for fuel injection.
  • such a trained burner shell can be produced in the context of a casting process or by way of a forming or material removal process.
  • FIG. 1 is a burner shell according to the invention formed schematically with a first burner shell section 1, which is described by the shell shape of a cone part.
  • a sub-segment 2 of a conical body is shown as an auxiliary construction, along the conical mantle surface 3 of the first burner shell section 1 conforms.
  • the first burner shell section 1 corresponds to the shape of those burner shells which have been in use up to now, the embodiments according to FIGS FIG. 1 longer trained side edge 4 of the trailing edge of the burner shell corresponds, as well as indicated by the polyline 5 leading edge of the burner shell section 1 of the leading edge corresponds to a previously common burner shell.
  • FIG. 1 shown burner shell along its curved upper side edge 6 and its lower side edge 7 attached for purposes of attachment to corresponding premix burner components.
  • the burner shell according to the invention provides two further burner shell sections 8, 9, which are seamless and integral to the line-shaped end region of the first, partially conical shape indicated by the line 5 connect the trained burner bowl section 1.
  • the second burner bowl section 8 immediately adjacent to the first burner bowl section 1 has a curvature that is oriented opposite to the curvature of the first part-cone-shaped burner shell section 1. From the graphical representation of the embodiment according to FIG. 1 it can be seen that the first burner shell section 1 is convex and the second and third burner shell sections 8, 9 are curved concavely to the plane of the drawing. In this case, the second burner shell section has the curvature of a quarter ellipse.
  • FIG. 1 To illustrate the concave curvature of the second burner shell section 8 is in FIG. 1 a prismatic body 10 shown, the second burner shell section 8 facing surface of the curvature corresponds to a quarter ellipse.
  • FIG. 1 illustrated sub-segment body 2 as well as the prismatic body 10 represent exclusively auxiliary body, which serve to better illustrate the geometric shape of the burner shell.
  • the third burner shell section which adjoins the virtually extending boundary line 11 of the second burner shell section 8, is flush, which provides a curvature which adjoins the second burner section tangentially.
  • the third burner shell section 9 essentially has a triangular-shaped basic shape with a front boundary edge 12, which at the same time also serves as the leading edge of the burner shell designed in accordance with the invention.
  • burner shell to a combination of a pure cone-shaped burner shell portion, a curved sheet with a Surface shape of a quarter ellipse and a tangential extension, which is represented by the third burner shell portion 9.
  • burner shell which is otherwise made of a heat-resistant sheet material and preferably along its entire surface extent has a substantially constant thickness, enclosing radially a portion of the conically extending swirl space of a premix burner.
  • the viewer of the in FIG. 1 shown burner shell facing surface is thus remote from the swirl space.
  • fuel line which serves for a fuel supply through each provided along the inflection point line 5 passage openings 13.
  • FIG. 2 shows an upper part of the solution according to trained burner shell.
  • the curvature behavior of the respective burner shell sections 1, 8 and 9 can be seen from the curvature profile of the uppermost side edge of the burner shell.
  • the third burner shell section 9 closes at the upper end of the burner shell under a acute angle to the second burner section 8 and extends substantially the curvature of the second burner shell section 8 at the location of the transition line 11 in a tangential continuation.
  • FIG. 2 are taken from the burner cup passing through openings 13, which are arranged along the inflection point line 5, is injected through the gaseous fuel.
  • FIG. 3 shows a three-dimensional view of a burner shell described above from a viewing angle, which shows the surface of the burner shell facing the swirl space.
  • a burner shell in plan view facing view is the FIG. 4 to be referred to in the following together with FIG. 3 Reference is made.
  • a stylized by the flow arrow radially incident on the leading edge 12 of the burner shell air flow L is accelerated in the third and second burner section 9, 8 in the flow direction and further deflected by the partially conical first burner shell section 1 successively until the flow L the burner shell over leaves the burner bowl section 1 towards the burner chamber or swirl space.
  • gaseous fuel is added through the openings 13 to the air flow L, resulting in an effective mixing of fuel and air already in this flow region.
  • the burner shell geometry according to the solution thus avoids any backflow zones within the air flow along the surface of the burner shell facing the air flow L.
  • the burner shell geometry is also designed such that the manufacture of the burner shells is possible without special tools, for example without special press-forming tools.
  • the shell geometry is always described by a family of straight lines, which are oriented axially or in the longitudinal extent of the burner shell, whereby the burner shell can be produced by means of a CNC bending machine.
  • FIG. 5 a premix burner is shown in three-dimensional representation, the eight an inner swirl space radially defining burner shells B, which are individually formed in the manner described above.
  • Two mutually adjacent burner shells B include an air inlet slot LS, through which an air flow can penetrate into the swirl space. It is obvious that the absorption capacity of the premix burner by providing eight individual air inlet slots LS is much greater than in the case of so-called double-cone burners in which only two partial cone shells limit the swirl space.
  • the individual burner shells B are firmly connected on the one hand with their upper boundary edge with a cylindrically shaped centrally arranged holding structure 15, through which means for axial fuel feed can be used in the axial direction.
  • the burner shells B are connected along their lower boundary edge with a mold element 16 through which the swirl flow forming within the swirl generator is transferred to a mixing tube (not further shown) or directly into a combustion chamber (not shown) for further mixing or ignition.
  • a mixing tube not further shown
  • a combustion chamber not shown
  • gaseous fuel is fed into the region of the air inlet slots LS through the linearly arranged openings 13 to form a fuel-air mixture.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
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  • Gas Burners (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Vormischbrenner zum Erzeugen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, mit einem Drallerzeuger, der wenigstens zwei sich zu einem Durchströmungskörper ergänzende Brennerschalen vorsieht, die jeweils einen teilkegelförmig ausgebildeten ersten Brennerschalenabschnitt aufweisen und gemeinsam einen sich axialwärts kegelförmig erweiternden Drallraum eingrenzen, und die in axialer Kegellängserstreckung gegenseitig tangentiale Lufteintrittsschlitze begrenzen, durch die Verbrennungszuluft in den Drallraum gelangt, in dem sich eine axialwärts ausbreitende Drallströmung ausbildet, sowie mit Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff, die wenigstens abschnittsweise längs der tangential verlaufenden Lufteintrittschlitze angeordnet sind.
    • Stand der Technik
  • Vormischbrenner der vorstehend genannten Gattung sind aus einer Vielzahl vor veröffentlichter Druckschriften bekannt, so bspw. aus der EP 0 210 462 A1 sowie der EP 0 321 809 B1 , um nur einige zu nennen. Vormischbrennern dieser Art liegt das allgemeine Wirkprinzip zugrunde, innerhalb eines zumeist als kegelförmig ausgebildeten Drallerzeugers, der wenigstens zwei mit entsprechend gegenseitiger Überlappung zusammengesetzte Teilkegelschalen vorsieht, eine aus einem Brennstoff-Luftgemisch bestehende Drallströmung zu erzeugen, die innerhalb einer in Strömungsrichtung dem Vormischbrenner nachfolgenden Brennkammer unter Ausbildung einer räumlich möglichst stabilen Vormischflamme zur Zündung gebracht wird. Hierbei ist die räumliche Lage der Vormischflamme bestimmt durch das aerodynamische Verhalten der Drallströmung, deren Drallzahl mit zunehmender Ausbreitung längs der Brennerachse zunimmt, damit instabil wird und letztlich durch einen unsteten Querschnittsübergang zwischen Brenner und Brennkammer in eine annulare Drallströmung unter Ausbildung einer Rückströmzone aufplatzt, in deren, in Strömungsrichtung vorderen Bereich sich die Vormischflamme ausbildet.
  • Von besonderer Bedeutung ist die aerodynamische Stabilität der sich ausbildenden Rückströmzone, die jedoch in höchst sensibler Weise vom Design, Form und Größe des Drallerzeugers abhängt. Gelingt es beispielsweise nicht, die in Strömungsrichtung vorderste Front der sich ausbildenden Rückströmzone räumlich zu stabilisieren, so treten verstärkt thermoakustische Schwingungen bzw. Pulsationen innerhalb des Verbrennungssystems auf, die die gesamte Verbrennung sowie die Wärmefreisetzung wesentlich beeinträchtigen.
  • Eingedenk dieser Tatsache sind die bisher bekannten und im Einsatz befindlichen Vormischbrennersysteme auf Baugrößen beschränkt, deren maximaler Brennerdurchmesser am Brenneraustritt lediglich 180 mm beträgt. Derartige Vormischbrenner weisen darüber hinaus einen verhältnismäßig spitzen, d.h. kleinen Kegelwinkel von kleiner gleich 18° auf, so dass die Brennerlänge im Verhältnis zum stromab gewandten Brennerdurchmesser eher groß, jedoch zu Montage- und Wartungszwecken noch durchaus handhabbar ist.
  • Gilt es jedoch groß dimensionierte Brennkammern zu befeuern, so bedient man sich bis anhin so genannte Mehrfachbrenneranordnungen, die den Einsatz der vorstehenden Vormischbrenner vorsehen. Derartige im Aufbau komplexe Mehrfachbrenneranordnungen gehen beispielsweise aus der DE 42 23 828 A1 oder der DE 44 12 315 A1 hervor. Es besteht jedoch der Wunsch, die Komplexität und damit auch die Anzahl der einzelnen Vormischbrenner, die zur Befeuerung groß dimensionierter Brennkammern erforderlich sind, zu reduzieren, ohne dabei Qualitätseinbußen im Verbrennungsvorgang selbst in Kauf nehmen zu müssen. Darüber hinaus gilt es aus Gründen der stets strenger werdenden Umweltnormen im Hinblick auf die Reduzierung von Emissionswerten, die bis anhin im Betrieb befindlichen Diffusions-Einzelbrennern, die vornehmlich zur Befeuerung von groß dimensionierten Silobrennkammern verwendet werden, durch modernere, umweltgerechtere Brennersysteme zu ersetzen. Insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung hoher Umrüst- sowie Neubeschaffungskosten, ist es wünschenswert, möglichst groß dimensionierte Vormischbrenner bereitzustellen, um bspw. den Betrieb derartiger groß dimensionierter Silobrennkammern mit nur einem einzigen Vormischbrenner weiterhin aufrechterhalten zu können.
  • Theoretische Überlegungen sowie auch Versuche haben gezeigt, dass eine einfache Skalierung beispielsweise eines aus der EP 0321 809 B1 bekannten Doppelkegelbrenners nicht Ziel führend ist, zumal, wie bereits vorstehend erwähnt, die Brennerlänge überproportional ansteigen würde. Hinzukommt, dass die Breite der in der Brennerachse tangential verlaufenden Lufteintrittschlitze, durch die Verbrennungszuluft zur Erzeugung der gewünschten Drallströmung in den Drallerzeuger einströmt, ebenfalls proportional ansteigen würde, so dass eine gute Durchmischung von Brennstoff sowie Verbrennungszuluft nicht mehr in ausreichender Qualität gewährleistet werden kann.
  • In den meisten in Einsatz befindlichen Vormischbrennern sind die zur Um- bzw. Einlenkung der Zuluft in den Drallerzeuger vorgesehenen Teilkegelschalen, die auch als Brennerschalen bezeichnet werden, als dünnwandige Umlenkbleche ausgebildet, die die Form der Mantelfläche von Kegelhälften oder kleineren Kegelsegmenten aufweisen und radialseits den Drallraum begrenzen, wobei die Brennerschalen durch ihre räumliche Anordnung jeweils gegenseitig tangential zur Brennerachse orientierte Lufteintrittsschlitze miteinander einschließen.
  • Im Bestreben das Schluck- und Leistungsvermögen derartiger Vormischbrenner zu verbessern, sind Drallerzeuger mit mehr als zwei Brennerschalen bekannt, so genannte mehrschalige Vormischbrenner, die auch einen größeren Brennerdurchmesser gewährleisten können. Es zeigt sich jedoch, dass sich bei derartigen Mehrschalenanordnungen keine zufrieden stellenden Durchmischungsergebnisse einstellen, zumal aerodynamische Probleme auftreten, die höchstwahrscheinlich auf lokal im Bereich der einzelnen Brennerschalen sich ausbildende Rückströmzonen zurückzuführen sind. Dies führt einerseits zu Wirkungsgradverlusten, birgt aber auch Gefahren in sich, sofern sich brennbares Gas in derartigen Rückströmzonen ansammeln und letztlich zünden kann.
  • Der US 6,702,574 B1 ist ein Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers zu entnehmen, mit einem Drallerzeuger, dessen in Strömungsrichtung orientierter Eintrittsquerschnitt rechteckig ausgebildet ist und aus Gründen einer verbesserten Durchmischung stromab einen in Strömungsrichtung quadratischen oder runden Durchströmungsquerschnitt vorsieht, an dem sich vorzugsweise eine im Querschnitt runde Mischstrecke anschließt. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist ein in perspektivischer Darstellung gezeigter Drallerzeuger gezeigt, dessen Drallraum von geschwungen ausgebildeten Brennerschalen 156 radial begrenzt wird. Die im Querschnitt dargestellte Brennerschale bzw. Drallschaufel 156 verfügt über drei Brennerschalenabschnitte, die einstückig miteinander verbunden sind, wobei der jeweils teilkegelförmig ausgebildete erste Brennerschalenabschnitt bündig mit einem entgegengesetzt zum ersten Brennerschalenabschnitt gekrümmten zweiten Brennerschalenabschnitt ergänzt ist und sich ein dritter Brennerschalenabschnitt an den zweiten Brennerschalenabschnitt bündig anschließt, mit einer sich an den zweiten Brennerschalenabschnitt tangential angleichenden Krümmung.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Vormischbrenner gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart weiterzubilden, dass trotz Vergrößerung der Brennerdimensionen die bei bisher bekannten Vormischbrennern optimierten Brennereigenschaften nahezu unverändert erhalten bleiben sollen. So gilt es, die bei Vormischbrennern mit Mehrfachschalenanordnungen auftretenden aerodynamischen Probleme zu lösen und die damit verbundenen Nachteile und Gefahren zu beseitigen. Insbesondere gilt es Massnahmen zu treffen, dass keine durch sich in Rückströmzonen ansammelndes Gas verursachende Rückzünderscheinungen auftreten.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
  • Grundsätzlich sind die den Drallraum radialwärts begrenzenden Brennerschalen aerodynamisch ausschliesslich durch eine Teilkegelform beschreibende Brennerschalen derart ausgebildet, dass der durch die Lufteintrittsschlitze in den Drallraum einströmende Zuluftstrom weitgehend verlustfrei, d.h. ohne jegliche Randwirbelbildung, zwischen zwei den Lufteintrittsschlitz begrenzende Brennerschalen geführt wird. Durch die Brennerschalengeometrie, die in üblicher Weise als dünne die Zuluftströmung umleitende Umlenkbleche ausgebildet sind, wird ein durch die Lufteintrittsschlitze hindurchströmender Zuluftstrom längs einer den Zuluftstrom zugewandten Oberfläche der Brennerschale bei Eintritt in den Lufteintrittsschlitz zunächst kontinuierlich beschleunigt und sukzessive umgelenkt, bis die Luftströmung die Brennerschale hin zum Drallraum verlässt. Die Brennerschalengeometrie weist unterschiedlich geformte, den Lufteintrittsschlitz seitlich begrenzende Oberflächenbereiche auf, durch die die radial in den Lufteintrittsschlitz einströmende Luftströmung weitgehend widerstandslos und ohne Ausbildung von oberflächennahen Strömungsrandwirbel in den Drallraum zur Ausbildung einer sich axialwärts zum Brenner ausbreitenden Drallströmung umgelenkt wird. Auf diese Weise können jegliche sich bei bisher bekannten Vormischbrennern mit Mehrschalenanordnungen ausbildende Rückströmzonen vermieden werden, in denen sich darüber hinaus Gasansammlungen auszubilden vermögen, die im Wege spontaner Verpuffungen zu Beschädigungen an der Vormischbrennerstruktur und insbesondere an den Brennerschalen führen können.
  • So weist eine jeweils lösungsgemäss ausgebildete Brennerschale drei unterschiedlich geformte Brennerschalenabschnitte auf, die einstückig miteinander verbunden sind, wobei der jeweils teilkegelförmig ausgebildete erste Brennerschalenabschnitt bündig mit einem entgegengesetzt zum ersten Brennerschalenabschnitt gekrümmten zweiten Brennerschalenabschnitt ergänzt ist und sich ein dritter Brennerschalenabschnitt an den zweiten Brennerschalenabschnitt bündig anschließt, mit einer sich an den zweiten Brennerschalenabschnitt tangential angleichenden Krümmung. Der dritte Brennerschalenabschnitt begrenzt dabei einseitig jeweils einen der tangentialen Lufteintrittschlitze und sieht eine für die Verbrennungszuluft dienende Anströmkante vor. Hierbei geht die durch die Teilkegelform bestimmte Krümmung des teilkegelförmig ausgebildeten ersten Brennerschalenabschnittes stetig, d.h. übergangslos, in die Krümmung des zweiten Brennerschalenabschnittes über und alle Orte eines Krümmungswechsels beschreiben eine Linie, die so genannte Wendepunktslinie, längs der die Mittel zur Brennstoffeinspeisung vorgesehen sind.
  • Vorzugsweise lässt sich eine derart ausgebildete Brennerschale im Rahmen eines Giessvorganges oder im Wege eines Umform- oder Materialabtragevorganges herstellen. Zur Vereinfachung der weiteren Beschreibung wird auf die Darstellung eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die nachstehenden Figuren verwiesen.
    • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    schematisierte perspektivische Darstellung einer lösungsgemäss ausgebildeten Brennerschale,
    Fig. 2
    Detaildarstellung eines Teilbereiches des viertelelliptisch ausgeformten Brennerschalenbereiches mit angrenzendem tangential erweiterten dreiecksförmig ausgebildeten Brennerschalenbereich,
    Fig. 3
    3D-Darstellung einer lösungsgemäss ausgebildeten Brennerschale,
    Fig. 4
    Darstellung einer lösungsgemäss ausgebildeten Brennerschale in Erstreckung längs zur Brennerschale, sowie
    Fig. 5
    3D-Darstellung eines Drallerzeugers mit Mehrschalenanordnung.
    Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
  • In Figur 1 ist eine lösungsgemäss ausgebildete Brennerschale schematisiert dargestellt mit einem ersten Brennerschalenabschnitt 1, der durch die Mantelform eines Teilkegels beschreibbar ist. Zur leichteren Veranschaulichung der geometrischen Ausbildung des ersten Brennerschalenabschnittes 1 ist als Hilfskonstruktion ein Teilsegment 2 eines Kegelkörpers dargestellt, längs dessen kegelförmiger Manteloberfläche 3 der erste Brennerschalenabschnitt 1 konform anliegt. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der erste Brennerschalenabschnitt 1 der Form jener bisher im Einsatz befindlichen Brennerschalen entspricht, wobei die im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 länger ausgebildete Seitenkante 4 der Abströmkante der Brennerschale entspricht, sowie die durch den Linienzug 5 angedeutete Vorderkante des Brennerschalenabschnittes 1 der Anströmkante einer bisher üblichen Brennerschale entspricht. Wie im weiteren unter Bezugnahme auf die dreidimensionale Darstellung eines Drallerzeugers in Figur 5 entnommen werden kann, ist die in Figur 1 dargestellte Brennerschale längs ihrer geschwungen ausgebildeten oberen Seitenkante 6 sowie ihrer unteren Seitenkante 7 zu Zwecken ihrer Befestigung an entsprechenden Vormischbrennerkomponenten befestigt.
  • In lösungsgemässer Weiterbildung der bis anhin im Einsatz befindlichen Brennerschale mit der durch den ersten Brennerschalenabschnitt 1 vorgegebenen Form, sieht die lösungsgemässe Brennerschale zwei weitere Brennerschalenabschnitte 8, 9 vor, die sich nahtlos und einstückig an die durch den Linienzug 5 angedeuteten linienhaften Endbereich des ersten, teilkegelförmig ausgebildeten Brennerschalenabschnittes 1 anschliessen. Der unmittelbar an den ersten Brennerschalenabschnitt 1 anschliessende zweite Brennerschalenabschnitt 8 weist eine Krümmung auf, die entgegengesetzt zur Krümmung des ersten teilkegelförmig ausgebildeten Brennerschalenabschnittes 1 orientiert ist. Aus der graphischen Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäss Figur 1 kann entnommen werden, dass der erste Brennerschalenabschnitt 1 konvex und die zweiten und dritten Brennerschalenabschnitt 8, 9 konkav zur Zeichenebene gekrümmt sind. Hierbei weist der zweite Brennerschalenabschnitt die Krümmung einer Viertel-Ellipse auf. Zur Veranschaulichung der konkaven Krümmung des zweiten Brennerschalenabschnittes 8 ist in Figur 1 ein prismatischer Körper 10 eingezeichnet, dessen dem zweiten Brennerschalenabschnitt 8 zugewandte Oberfläche der Krümmung einer Viertel Ellipse entspricht. Nur der guten Ordnung halber sei nochmals darauf hingewiesen, dass sowohl der in Figur 1 dargestellte Teilsegmentkörper 2 sowie auch der prismatisch ausgebildete Körper 10 ausschliesslich Hilfskörper darstellen, die der besseren Veranschaulichung der geometrischen Form der Brennerschale dienen.
  • Alternativ zur der in Figur 1 dargestellten Formgebung des zweiten Brennerschalenabschnittes 8 in Art einer Viertelellipse, ist es auch denkbar die Krümmung und Form des zweiten Brennerschalenabschnittes modifiziert auszubilden bspw. in Anlehnung an ein Viertelkreissegment oder an eine ähnliche zur Viertelellipse oder zum Viertelkreis angelehnte gekrümmte Form.
  • Des Weiteren schliesst sich an die virtuell verlaufende Begrenzungslinie 11 des zweiten Brennerschalenabschnittes 8 der dritte Brennerschalenabschnitt bündig an, der eine sich an den zweiten Brennerabschnitt tangential angleichende Krümmung vorsieht. Der dritte Brennerschalenabschnitt 9 weist im Wesentlichen eine dreiecksförmig ausgebildete Grundform auf mit einer vorderen Begrenzungskante 12, die zugleich auch als Anströmkante der lösungsgemäss ausgebildeten Brennerschale dient.
  • Im Wesentlichen handelt es sich somit bei der in Figur 1 dargestellten Brennerschale um eine Kombination eines reinen kegelförmig ausgebildeten Brennerschalenabschnittes, einem gekrümmten Flächenkörper mit einer Oberflächenform einer Viertelellipse sowie einer dazu tangentialen Verlängerung, die durch den dritten Brennerschalenabschnitt 9 dargestellt ist.
  • Da das Krümmungsverhalten des ersten Brennerabschnittes entgegengesetzt zu jenem der jeweils zweiten und dritten Brennerschalenabschnitte orientiert ist, verläuft längs der virtuell durch die komplex geformte Brennerschale verlaufende Linie 5 ein stetiger, d.h. übergangsloser Wechsel des Krümmungsverhaltens der Brennerschalenoberfläche, so dass die Gesamtheit aller längs der Linie 5 angeordneten Orte jeweils Wendepunkte darstellen und der Linienzug 5 somit Wendepunktslinie aufgefasst werden kann.
  • Die in Figur 1 dargestellte Brennerschale, die im übrigen aus einem hitzebeständigem Flachmaterial gefertigt ist und vorzugsweise längs ihrer gesamten Flächenerstreckung über eine weitgehend konstante Dicke verfügt, umschliesst radialseits einen Teil des sich kegelförmig erstreckenden Drallraums eines Vormischbrenners. Die dem Betrachter der in Figur 1 dargestellten Brennerschale zugewandte Oberfläche ist somit vom Drallraum abgewandt. An eben dieser, vom Drallraum abgewandten Oberfläche gilt es eine nicht in Figur 1 dargestellte Brennstoffleitung vorzusehen, die für eine Brennstoffzufuhr durch die jeweils längs der Wendepunktslinie 5 vorgesehenen Durchtrittsöffnungen 13 dient. Eine diesbezügliche Detaildarstellung der längs der Wendepunktslinie 5 beabstandet zueinander angeordneten Durchtrittsöffnungen 13 ist in Figur 2 dargestellt, die einen oberen Teil der lösungsgemäss ausgebildeten Brennerschale zeigt.
  • Am Krümmungsverlauf der obersten Seitenkante der Brennerschale ist das Krümmungsverhalten der jeweiligen Brennerschalenabschnitte 1, 8 und 9 zu entnehmen. Der Wechsel der konkaven Krümmung des ersten Brennerschalenabschnittes 1 zur konvex ausgebildeten Krümmung des zweiten Brennerabschnittes 8 sowie der sich daran mit gleicher Krümmung anschliessenden dritten Brennerschalenabschnittes 9 erfolgt längs des Linienzuges 5, der, wie vorstehend erwähnt, als Wendepunktslinie aufzufassen ist. Der dritte Brennerschalenabschnitt 9 schliesst am oberen Ende der Brennerschale unter einem spitzen Winkel an den zweiten Brennerabschnitt 8 an und erweitert im Wesentlichen die Krümmung des zweiten Brennerschalenabschnittes 8 am Ort der Übergangslinie 11 in tangentialer Fortsetzung. Ebenso der Detaildarstellung in Figur 2 sind die die Brennerschale durchsetzenden Öffnungen 13 zu entnehmen, die längs der Wendepunktslinie 5 angeordnet sind, durch die gasförmiger Brennstoff eingedüst wird.
  • In Figur 3 ist eine dreidimensionale Ansicht einer vorstehend beschriebenen Brennerschale aus einem Blickwinkel dargestellt, die die dem Drallraum zugewandte Fläche der Brennerschale zeigt. Deutlich zu erkennen sind längs der Wendepunktslinie 5 die Öffnungen 13 angeordnet, durch die Brennstoffdüsen ragen, die mit einer Brennstoffleitung 14, die dem Drallraum abgewandt an der Brennerschale angebracht ist, verbunden sind. Eine die Brennerschale in Draufsicht zeigende Darstellung ist der Figur 4 zu entnehmen, auf die im Weiteren gemeinsam mit Figur 3 Bezug genommen wird.
  • Eine durch den Strömungspfeil stilisiert dargestellte radial auf die Anströmkante 12 der Brennerschale auftreffende Luftströmung L wird im Bereich des dritten und zweiten Brennerabschnittes 9, 8 in Strömungsrichtung beschleunigt und im weiteren durch den teilkegelförmig ausgebildeten ersten Brennerschalenabschnitt 1 sukzessive umgelenkt, bis die Strömung L die Brennerschale über den Brennerschalenabschnitt 1 hin zum Brennerraum bzw. Drallraum verlässt. Am Bereich der grössten Strömungsgeschwindigkeit, der sich im Bereich der Wendepunktslinie 5 einstellt, wird gasförmiger Brennstoff durch die Öffnungen 13 dem Luftstrom L zugegeben, wodurch sich bereits in diesem Strömungsbereich eine effektive Durchmischung von Brennstoff und Luft ergibt.
  • Die lösungsgemässe Brennerschalengeometrie vermeidet somit jegliche Rückströmzonen innerhalb der Luftströmung längs der der Luftströmung L zugewandten Fläche der Brennerschale.
  • Die Brennerschalengeometrie ist überdies derart ausgelegt, dass die Herstellung der Brennerschalen ohne Spezialwerkzeuge, beispielsweise ohne spezielle Pressformwerkzeuge möglich ist. So ist die Schalengeometrie stets durch eine Schar von Geraden beschreibbar, die axial bzw. in Längserstreckung der Brennerschale orientiert sind, wodurch die Brennerschale mittels einer CNC-Biegemaschine herstellbar ist.
  • In Figur 5 ist ein Vormischbrenner in dreidimensionaler Darstellung gezeigt, der acht einen innenliegenden Drallraum radialwärts begrenzende Brennerschalen B vorsieht, die in der vorstehend beschriebenen Weise einzeln ausgeformt sind. Jeweils zwei benachbart zueinander angeordnete Brennerschalen B schliessen einen Lufteintrittsschlitz LS ein, durch den eine Luftströmung in den Drallraum eindringen kann. Es liegt auf der Hand, dass das Schluckvermögen des Vormischbrenners durch Vorsehen von acht einzelnen Lufteintrittsschlitzen LS sehr viel grösser ist, als im Falle sogenannter Doppelkegelbrenner, bei denen lediglich zwei Teilkegelschalen den Drallraum begrenzen. Die einzelnen Brennerschalen B sind einerseits mit ihrer oberen Begrenzungskante mit einer zylinderförmig ausgebildeten zentrisch angeordneten Haltestruktur 15 fest verbunden, durch die in axialer Richtung Mittel zur axialen Brennstoffeinspeisung einsetzbar sind. Andererseits sind die Brennerschalen B längs ihrer unteren Begrenzungskante mit einem Formelement 16 verbunden, durch das die sich innerhalb des Drallerzeugers ausbildende Drallströmung in ein nicht weiter dargestelltes Mischrohr oder unmittelbar in eine nicht weiter dargestellte Brennkammer zur weiteren Durchmischung bzw. Zündung überführt wird. Durch die in Strömungsrichtung durch den jeweils zweiten und dritten Brennerschalenabschnitt verdeckt an den Brennerschalen angeordneten Brennstoffleitungen 14 wird in den Bereich der Lufteintrittsschlitze LS gasförmiger Brennstoff durch die linear angeordneten Öffnungen 13 zur Ausbildung eines Brennstoffluftgemisches eingespeist.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    erster Brennerschalenabschnitt
    2
    Kegelsegment
    3
    Manteloberfläche
    4
    Abströmkante
    5
    Linienzug, Wendepunktslinie
    6,7
    obere und untere Seitenkante des ersten Brennerschalenabschnittes
    8
    zweiter Brennerschalenabschnitt
    9
    dritter Brennerschalenabschnitt
    10
    prismatischer Hilfskörper mit viertelelliptischer Oberfläche
    11
    Trennlinie
    12
    Anströmkante
    13
    Öffnung
    14
    Brennstoffleitung
    15
    Tragstruktur
    16
    Formelement
    B
    Brennerschale
    L
    Luftströmung
    LS
    Lufteintrittsschlitz

Claims (11)

  1. Vormischbrenner zum Erzeugen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, mit einem Drallerzeuger, der wenigstens zwei sich zu einem Durchströmungskörper ergänzende Brennerschalen (B) vorsieht, die jeweils einen teilkegelförmig ausgebildeten ersten Brennerschalenabschnitt (1) aufweisen und gemeinsam einen sich axialwärts kegelförmig erweiternden Drallraum eingrenzen, und die in axialer Kegellängserstreckung gegenseitig tangentiale Lufteintrittsschlitze (LS) begrenzen, durch die Verbrennungszuluft (L) in den Drallraum gelangt, in dem sich eine axialwärts ausbreitende Drallströmung ausbildet, sowie mit Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff, die wenigstens abschnittsweise längs der tangential verlaufenden Lufteintritts schlitze (LS) angeordnet sind, wobei der jeweils teilkegelförmig ausgebildete erste Brennerschalenabschnitt (1) bündig mit einem entgegengesetzt zum ersten Brennerschalenabschnitt (1) gekrümmten zweiten Brennerschalenabschnitt (8) ergänzt ist, und sich an den zweiten Brennerschalenabschnitt (8) ein dritter Brennerschalenabschnitt (9) bündig anschließt, mit einer sich an den zweiten Brennerschalenabschnitt (8) tangential angleichenden Krümmung, und der dritte Brennerschalenabschnitt (9) einseitig jeweils einen der tangentialen Lufteintritts schlitze (LS) begrenzt und eine für die Verbrennungszuluft (L) dienende Anströmkante (12) vorsieht, und die durch die Teilkegelform bestimmte Krümmung des teilkegelförmig ausgebildeten ersten Brennerschalenabschnittes (1) stetig, d.h. übergangslos, in die Krümmung des zweiten Brennerschalenabschnittes (8) übergeht und alle Orte eines Krümmungswechsels eine Linie, die so genannte Wendepunktslinie (5) beschreiben, dadurch gekennzeichnet, dass längs der Wendepunktslinie (5) die Mittel zur Brennstoffeinspeisung (14) vorgesehen sind.
  2. Vormischbrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Brennerschalenabschnitt (9) im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildet ist und sich unter einem spitzen Winkel an den zweiten Brennerschalenabschnitt (8) im Bereich des kleinsten Teilkegelumfanges des ersten Brennerschalenabschnitt (1) anschmiegt.
  3. Vormischbrenner nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Brennerschalenabschnitt (9) eine längste Dreiecksseite aufweist, die einstückig mit dem zweiten Brennerschalenabschnitt (8) verbunden ist,
    dass der dritte Brennerschalenabschnitt (9) eine kürzeste Dreiecksseite aufweist, die sich bündig an ein Formelement (16) anschmiegt, das alle Brennerschalen (B) am stromabseitigen Endbereich des Drallerzeugers umschließt, und
    dass eine dritte Dreiecksseite vorgesehen ist, die die Anströmkante (12) bildet.
  4. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerschale aus einem ein- oder mehrlagigen Flächenwerkstoff besteht.
  5. Vormischbrenner nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenwerkstoff aus metallischem Material, vorzugsweise Stahl, besteht, das im Wege eines Biegeformvorganges bearbeitbar ist.
  6. Vormischbrennern nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der zweite (8) und dritte Brennerschalenabschnitt (9) eine dem Lufteintrittsschlitz (LS) zugewandte konvex gekrümmte Oberfläche bilden, die stetig in eine dem Drallraum zugewandte konkav ausgebildete Oberfläche übergeht, die durch den ersten Brennerschalenabschnitt (1) gebildet ist.
  7. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorsehen von n den Drallraum einbeschreibenden Brennerschalen (B) der jeweils erste Brennerschalenabschnitt einem n-tel einer vollständigen Kegelschale entspricht.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Brennerschalenabschnitt (8) bündig an eine tangential verlaufende Mantellinie (5) des ersten Brennerschalenabschnitt (1) und der dritte Brennerschalenabschnitt (9) an eine tangential verlaufende Randkontur (11) anschmiegt.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Brennerschalenabschnitt (8) eine Krümmung sowie eine Form aufweist, die durch ein Viertelellipsensegment beschreibbar sind.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Brennerschalenabschnitt (8) eine Krümmung und Form aufweist, die durch ein Viertelkreissegment beschreibbar sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Form aller drei einstückig zusammenhängender Brennerschalenabschnitte (1, 8, 9) durch eine Schar in Längsrichtung zur Brennerschale verlaufender Geraden beschreibbar ist.
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