[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkammer eines Dampferzeugers, die aus im wesentlichen
parallel zu deren Längsachse sich erstreckenden arbeitsmittelführenden Wandrohren
besteht und die quer zu ihrer Längsachse in mindestens zwei Brennerlagen unterteilt
ist, wobei in jeder Brennerlage mindestens zwei Brenner angeordnet sind, die im wesentlichen
in derselben quer zur Brennkammerlängsachse verlaufenden Ebene liegen, wobei die Strahlachse
der aus jedem Brenner austretenden Flamme tangential an einen zur Brennkammerlängsachse
im wesentlichen konzentrischen Kreis gerichtet ist und die Flammen aller Brenner auf
die Kreise im gleichen Drehsinn wirken und wobei die Strahlachsen der Brenner in einer
Brennerlage einen Winkel oc einschliessen, der auch für die Brenner für die übrigen
Brennerlagen gleich gross ist.
[0002] Es ist eine solche Brennkammer bekannt, in der die Brenner verschiedener Brennerlagen
auf der gleichen Mantellinie der Brennkammer angeordnet sind. Diese Anordnung weist
den wesentlichen Nachteil auf, dass immer die gleichen Wandrohre in ihrem Verlauf
in der Brennkammerwand auf mehrere Brenner stossen, die in verschiedenen Brennerlagen
auf derselben Mantellinie liegen. Bei jedem dieser Brenner müssen diese Wandrohre
in irgend einer Weise darum herumgeführt werden. Dies ergibt im Vergleich zu geradlinig
in der Brennkammerwand geführten Rohren sehr unterschiedliche Arbeitsmittelmengen,
so dass das in den um die Brenner herumgeführten Wandrohren strömende.Arbeitsmittel
eine andere Wärmeaufnahme aufweist als das in den geradlinig geführten Wandrohren
strömende-Arbeitsmittel. Als Folge davon weist das Arbeitsmittel am Austritt der Brennkammer
sehr verschiedene Zustände auf. Ein Vergleichmässigen dieser Zustandsunterschiede
kann nur mit aufwendigen konstruktiven Massnahmen erreicht werden.
[0003] Es ist Aufgabe der Erfindung, die Brennkammer der eingangs genannten Art so zu verbessern,
dass eine gute Mittelung der Zustände des Arbeitsmittels am Austritt der Brennkammer
auf konstruktiv einfache Art und ohne Benachteiligung der übrigen Funktionen der Brennkammer
erreicht wird.
[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass - ausgehend vom einen Ende
der Brennkammer - die in einer Brennerlage angeordneten Brenner zu den in der nächstfolgenden
Brennerlage angeordneten Brennern versetzt sind und zwischen der Strahlachse eines
Brenners der erstgenannten Brennerlage und der Strahlachse des diesem Brenner benachbarten
Brenners in der nächstfolgenden Brennerlage - in der Projektion parallel zur Brennerkammerlängsachse
gesehen - ein Winkel/3 gebildet ist, der kleiner als der Winkele ist. Durch die von
Brennerlage zu Brennerlage versetzte Anordnung der Brenner muss eine grössere Anzahl
als in der bekannten Brennerkammer von auf den Brennkammerumfang verteilten Wandrohren
um einen Brenner herumgeführt werden, dafür aber um weniger Brenner herum, so dass
die Grösse der Störung in der Wärmeaufnahme der von dem Herumführen betroffenen Wandrohre
kleiner wird. Dadurch sind die Unterschiede in den Arbeitsmittelzuständen am Austritt
der Wandrohre aus der Brennkammer wesentlich geringer und ein Mischen des Arbeitsmittels
nach dem Verlassen der Brennkammer ist auf einfache, kostengünstige Art möglich.
[0005] Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in einer Verbesserung der Verbrennungsbedingungen
in der Brennkammer. Es ist bekannt, dass die Wärmeübertragung an den Wänden einer
solchen Brennkammer vorzugsweise durch Strahlung erfolgen sollte, um die Nutzung der
verfügbaren hohen Temperaturen ohne Beschädigung des Materials der Wandrohre zu gewährleisten.
Es ist ferner bekannt, dass die Anordnung der Brenner - derart, dass die Strahl achsen
der aus den Brennern austretenden Flammen tangential an zur Brennkammerlängsachse
konzentrischen Kreisen gerichtet sind - einen sich drehenden Flammenwirbel entstehen
lässt, der die heissesten Gase im zentralen Bereich der Brennkammer konzentriert und
diesen Bereich zu einem eigentlichen Brenner macht. Es entstehen dadurch folgende
Vorteile:
- Gleichmässige Verbrennung infolge guter Durchmischung der Verbrennungsgase, so dass
auch aus den Brennern bzw. deren Flammen noch austretende, unverbrannte Teile des
Luft-Brennstoff-Gemisches im Flammenwirbel vollkommen verbrennen.
- Keine ausgeprägten warmen und kalten Zonen.
- Gute, gleichmässige Beheizung der Wände der Brennkammer durch Strahlung, wobei die
Verbrennungsgase diese Wände nur streifen und nicht direkt auf sie aufprallen.
- Das Mengenverhältnis von Luft und Brennstoff muss nicht absolut perfekt bei jedem
Brenner eingestellt sein, da es infolge der Durchmischung im Flammenwirbel vergleichmässigt
wird, wobei eine gute Verbrennung, trotz evtl. geringem Luftüberschuss bei einzelnen
Brennern, erreicht wird.
- Tendenz zu geringer NO x -Bildung.
[0006] Die vorher erwähnte Verbesserung der Verbrennungsbedingungen dieser bekannten Bauart
der Feuerung, auch Tangentialfeuerung genannt, durch die erfindungsgemässe Anordnung
der Brenner besteht darin, dass sowohl die Drehbewegung des Flammenwirbels und die
daraus resultierende Durchmischung als auch die Einhaltung der Form des Flammenwirbels
besser unterstützt werden, weil durch die von Brennerlage zu Brennerlage versetzte
Anordnung der Brenner die aus diesen austretenden Flammen auf mehrere Stellen des
Umfanges des Flammenwirbels verteilt in diesem Wirbel eintreten. Je mehr sich die
Brennkammer der zylindrischen Form nähert, desto bedeutender wird diese verbessernde
Wirkung der Erfindung.
[0007] Weiter hat die erfindungsgemässe Brennkammer noch den Vorteil, dass sich ihre Gesamtlänge
verkürzt, indem der effektive Abstand zweier benachbarter Brenner in zwei aufeinanderfolgenden
Brennerlagen schräg zur Brennkammerlängsrichtung gemessen wird, so dass die in Brennkammerlängsrichtung
gemessene Entfernung kleiner ist als der effektive Abstand. Dies führt zu beträchtlichen
Einsparungen an Material-, Herstellungs-, Transport- und Montagekosten.
[0008] Durch die Anordnung weiterer Brenner in mindestens einer Brennerlage gemäss Anspruch
2 wird die Wirksamkeit der Erfindung vergrössert und/oder der Einbau von Reservebrennern
ermöglicht.
[0009] Die Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 3 zeigt, wie in der Brennkammer verschiedene
Brennstoffe verbrannt werden können.
[0010] Der Anspruch 4 kennzeichnet eine Weiterbildung der erfindungsgemässen Brennkammer,
die bezüglich der Führung der Verbrennungsgase und der Wärmeverteilung auf die Wandrohre
optimal ist.
[0011] Eine diesbezüglich gute Brennkammer, die auch in Bezug auf ihre Herstellbarkeit,
insbesondere für grosse Dampferzeuger-Einheiten, sehr vorteilhaft ist, ist in Anspruch
5 charakterisiert. Bevorzugt wird in diesem Fall ein Vieleck mit einer Anzahl Seiten,
die durch möglichst viele andere Zahlen teilbar ist, wie beispielsweise 6, 8, 12,
20 oder 24, weil dadurch die Gesamtzahl der Brenner sowie die Anzahl Brenner je Brennerlage
besonders einfach optimiert werden können. Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch
die Merkmale des Anspruchs 6, während der Anspruch 7 eine optimale Ausgestaltung der
Brennkammer aufzeigt, bei der sämtliche Vorteile der Erfindung bei gleichzeitig besonders
günstiger Herstellbarkeit ausgenützt sind.
[0012] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Brennkammer nach der Erfindung
und
Fig. 2 eine Draufsicht der Brennkammer nach Figur l.
[0013] Gemäss Fig. 1 und 2 weist die Brennkammer 1 mit vertikaler Längsachse den Umriss
eines gleichseitigen Vielecks mit 24 Ecken auf. Die Brennkammer 1, an deren oberen
Ende sich ein nichtgezeichneter Gaszug anschliesst, ist für einen Dampferzeuger bestimmt,
der für ca. 600 MW Leistung ausgelegt ist. In ihr können wahlweise Dieselöl und Kohlenstaub
verbrannt werden. Die 24 Brennkammerwände, von denen in Fig. l und 2 vier mit 11,
12, 13 und 14 bezeichnet sind, bestehen aus Rohren 3, die sich im wesentlichen parallel
zur Brennkammerlängsachse erstrecken und in ihrer Längsrichtung - vorzugsweise unter
Zwischenschaltung von Stegen - miteinander gasdicht verschweisst sind.
[0014] Die Brennkammer 1 ist quer zu ihrer Längsrichtung in vier Brennerlagen 4, 5, 6 und
7 unterteilt. In der untersten Brennerlage 4 sind in der Wand 11 zwei Anschlüsse 8,4
und 9,4 für nichtdargestellte Dieseloelbrenner vorgesehen. Die Anschlussöffnung 8,4
liegt in einer Ebene 2, die in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet ist und rechtwinklig
zur Brennkammerlängsachse steht. Die Anschlussöffnung 9,4 liegt oberhalb der Ebene
2 in einer ebenfalls rechtwinklig zur Brennkammerlängsachse sich erstreckenden Ebene
2'. Oberhalb der Anschlussöffnung 8,4 ist in der Wand 11 eine rechteckige Anschlussöffnung
15,4 für einen nichtdargestellten Kohlenstaubbrenner vorgesehen. Ein gleicher Anschluss
16,4 befindet sich in der Wand 11 unterhalb der Anschlussöffnung 9,4 ,während zwischen
den Anschlussöffnungen 15,4 und 16,4 eine Anschlussöffnung 17,4 vorgesehen ist, die
der Zufuhr von sogenannter Zwischenluft für die Kohlenstaubbrenner dient.
[0015] Die beschriebene Anordnung der Anschlussöffnungen 8,4; 9,4; 15,4; 16,4 und 17,4 wiederholt
sich in der Brennerlage 4 - ausgehend von der Wand 11 - in jeder vierten Wand, so
dass die Brennerlage 4 insgesamt sechsmal die genannten fünf Oeffnungen aufweist.
Dabei liegen alle sechs Oeffnungen 8,4 in derselben Ebene 2, alle Oeffnungen 9,4 in
derselben Ebene 2'. Sinngemäss das gleiche gilt auch fürdie Oeffnungen 15,4; 16,4
und 17,4 , die jeweils in zu den Ebenen 2 und 2' parallelen Ebenen liegen.
[0016] Die für die Brennerlage 4 beschriebene Anordnung der Anschlussöffnungen ist auch
in der Brennerlage 5 vorgesehen, jedoch nicht in der Wand 11, sondern in Fig. 1 nach
rechts versetzt in der Wand 12. Die Oeffnungen in der Brennerlage 5 sind mit 8,5;
15,5; 17,5; 16,5 bzw. 9,5 bezeichnet. Auch in der Brennerlage 5 sind - ausgehend von
der Wand 12 - in jeder vierten Brennkammerwand die Anschlussöffnungen in der gleichen
Anordnung vorgesehen.
[0017] Wiederum um eine Wand in Fig. 1 nach rechts versetzt, sind in der Brennerlage 6 in
der Reihenfolge von unten nach oben die Anschlussöffnungen 8,6; 15,6; 17,6; 16,6 und
9,6 vorhanden,und auch diese Anordnung wiederholt sich sechsmal über den Brennkammerumfang
gleichmässig verteilt. Schliesslich weist die oberste Brennerlage 7 die fünf Anschlussöffnungen
8,7; 15,7; 17,7; 16,7 und 9,7 auf, welche Anordnung sich ebenfalls sechsmal in der
Brennerlage 7 wiederholt.
[0018] Insgesamt enthält also die Brennkammer 1 achtundvierzig zylindrische Anschlussöffnungen
für je einen Dieseloelbrenner, achtundvierzig rechteckige Anschlussöffnungen für Kohlstaubbrenner
und vierundzwanzig rechteckige Anschlussöffnungen für Zwischenluft.
[0019] Sämtliche Anschlussöffnungen 8,4; 15,4; 17,4; 16,4; 9,4; 8,5; 15,5; 17,5 usw. sind
so angeordnet, dass - wie Fig. 2 zeigt - die Strahlachsen 27 der aus den Brennern
austretenden Flammen tangential an zur Längsachse der Brennkammer 1 konzentrische
Kreise 18 gerichtet sind,die in der jeweiligen Brennerebene liegen und in vertikaler
Richtung eine Zylinderfläche begrenzen. Sämtliche Strahlachsen 27 wirken im gleichen
Drehsinn, in Fig. 2 im Uhrzeigersinn, auf die Kreise 18. In derselben horizontalen
Brennerebene liegende, benachbarte Strahlachsen 27 schliessen einen Winkel ein, der
für zwei Dieseloelbrenneranschlüsse 9,5 in Fig. 2 eingezeichnet ist. Die Strahlachsen
27 zweier benachbarter, in aufeinanderfolgenden Brennerlagen befindlicher Brenner
schliessen - in der Projektion parallel zur Brennkammerlängsachse gesehen - einen
Winkel (3 ein, der kleiner ist als der Winkel α und in Fig. 2 für die Brenneranschlussöffnungen
9,4 und 8,5 eingezeichnet ist.
[0020] Wie Fig. 1 gut erkennen lässt, liegen die Anschlussöffnungen 9,4; 9,5; 9,6 und 9,7
infolge ihrer Versetzung im wesentlichen auf einer Schraubenlinie; dazu parallele
Schraubenlinien ergeben sich für die Oeffnungen 8,4; 8,5; 8,6 und 8,7 wie auch die
übrigen Brenneranschlussöffnungen 15,4 bis 15,7 bzw. 16,4 bis 16,7 usw. Jede dieser
Schraubenlinien ist auf dem Brennkammermantel sechsmal vorhanden. Die Berührungspunkte
der Strahlachsen 27 mit der von den Kreisen 18 gebildeten Zylinderfläche sind Projektionen
der Mittelpunkte der Anschlussöffnungen und - entsprechend den zuvor beschriebenen
Schraubenlinien auf dem Brennkammermantel - ergeben sich auch für die Berührungspunkte
auf der Zylinderfläche parallele Schraubenlinien.
[0021] Da die Brennkammer 1 in vier Brennerlagen 4 bis 7 unterteilt ist, enthält jede der
vierundzwanzig Wände nur eine Reihe von fünf Anschlussöffnungen, z.B. die Wand 11
die Reihe der Oeffnungen 8,4; 15,4; 17,4; 16,4 und 9,4.im mittleren Bereich ihrer
Breite Wandrohre 3 auf, die nur um diese Reihe von Oeffnungen herumgeführt sind, während
die übrigen Wandrohre 3 jeder Wand geradlinig durchlaufen. Sämtliche Wände unterliegen
also in Bezug auf die Wärmeaufnahme praktisch den gleichen Bedingungen. Da die um
jeweils eine Reihe von Anschlussöffnungen herumgeführten Wandrohre 3 und die geradlinig
durchlaufenden Wandrohre 3
* Demzufolge weist jede Wand
[0022] gleichmässig über den Umfang der Brennkammer 1 verteilt sind, ist es relativ einfach,
bei Bedarf, das durch sie fliessende Arbeitsmittel am Austritt der Brennkammer 1,
beispielsweise in Kollektoren, zu mischen und damit eine vollständige Vergleichmässigung
des Austrittzustandes des Arbeitsmittels zu erreichen.
[0023] In der Brennkammer 1 kann entweder Dieseloel oder Kohlenstaub verbrannt werden. Beim
Betrieb mit Dieseloel werden die an den entsprechenden Oeffnungen 8,4 bis 8,7 und
9,4 bis 9,7 angeschlossenen Dieseloelbrenner gezündet, wobei bei kleinen Lasten nur
die oberen oder die unteren Brenner in den Brennerlagen 4 bis 7 oder eventuell sogar
nur ein Teil der oberen bzw. der unteren Brenner benützt werden. Bei Betrieb mit der
Kohlenstaubfeuerung wird durch die Anschlussöffnungen 15,4; 16,4; 15,5; 16,5 usw.
Kohlenstaub zusammenmit Tragluft, durch die Anschlussöffnungen 17,4; 17,5; 17,6 und
17,7 Zwischenluft und durch die Anschlussöffnungen 8,4; 8,5; 8,6 und 8,7 sowie 9,4;
9,5; 9,6 und 9,7 ebenfalls Luft,die sogenannte Ober- bzw. Unterluft in die Brennkammer
1 eingeblasen, wobei die anfängliche Zündung dieses Gemisches mit Hilfe der Oelbrenner
stattfindet. Für den Betrieb mit Kohlenstaub funktioniert also jede Reihe von fünf
Anschlussöffnungen als ein Brenner.
[0024] Die die einzelnen Brenner verlassenden Flammen reichen bis zum mittleren Bereich
der Brennkammer 1, wo sie im wesentlichen tangential auf dem von den Kreisen 18 gebildeten
Zylinder zusammentreffen, sich gegenseitig verwirbeln und in die Form eines sich durchmischenden,
sich im Uhrzeigersinn drehenden Flammenwirbels übergehen, der sich von unten nach
oben in der Brennkammer 1 erstreckt. Entsprechend der Anordnung der Brenner im Brennkammermantel
liegen die Auftreffstellen der einzelnen Flammen auf dem Flammenwirbel auf Schraubenlinien.
[0025] Gerade diese Anordnung ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung. Nach der bekannten
Bauart sind nämlich mehrere Brenner auf derselben Mantellinie der Brennkammer, also
direkt übereinander angeordnet, so dass entlang dem Umfang des Flammenwirbels, zwischen
den übereinandergereihten Auftreffstellen der einzelnen Flammen, vertikale Räume entstehen,
von denen aus Verbrennungsgase unter der Wirkung der Zentrifugalkraft zu den Brennkammerwänden
hin bewegt werden. Erfindungsgemäss verlaufen diese Räume jedoch schraubenlinienförmig
und fallen dementsprechend viel schmäler aus, was ein Zusammenhalten der Verbrennungsgase
im Flammenwirbel begünstigt.
[0026] Bekanntlich kann durch Einstellen der Brennerneigung gegenüber der Horizontalen die
vertikale Geschwindigkeit der Verbrennungsgase längs der Brennkammer 1 und damit die
Güte der Durchmischung der Gase massgeblich beeinflusst werden.
[0027] Während der Beheizung der Brennkammer 1 wird diese von dem in den Wandrohren 3 fliessendenArbeitsmittel
gekühlt, das - z.B. von einem Economiser kommend - am unteren Ende der Brennkammer
zugeführt wird. Die Wandrohre 3 können sich oben als Rohre eines Gaszuges fortsetzen.
[0028] Die Art der Befestigung der Brenner an der Brennkammer 1 entspricht dem bekannten
Stand der Technik. Auch der Anschluss der Brennkammer 1 an die zu ihr benachbarten
Teile des Dampferzeugers geschieht in bekannter Weise.
[0029] Statt im Uhrzeigersinn können die Strahlachsen 27 auch so gerichtet sein., dass der
Flammenwirbel sich im Gegenuhrzeigersinn dreht.
1. Brennkammer eines Dampferzeuger, die aus im wesentlichen parallel zu deren Längsachse
sich erstreckenden, arbeitsmitte-lführenden Wandrohren besteht und die quer zu ihrer
Längsachse in mindestens zwei Brennerlagen unterteilt ist, wobei in jeder Brennerlage
mindestens zwei Brenner angeordnet sind, die im wesentlichen in derselben quer zur
Brennkammerlängsachse verlaufenden Ebene liegen, wobei die Strahlachse der aus jedem
Brenner austretenden Flamme tangential an einen zur Brennkammerlängsachse im wesentlichen
konzentrischen Kreis gerichtet ist und die Flammen aller Brenner auf die Kreise im
gleichen Drehsinn wirken und wobei die Strahlachsen der Brenner in einer Brennerlage
einen Winkel d einschliessen, der auch für die Brenner für die übrigen Brennerlagen
gleich gross ist, dadurch gekennzeichnet, dass - ausgehend vom einen Ende der Brennkammer
- die in einer Brennerlage angeordneten Brenner zu den in der nächstfolgenden Brennerlage
angeordneten Brennern versetzt sind und zwischen der Strahlachse eines Brenners der
erstgenannten Brennerlage und der Strahlachse des diesem Brenner beachbarten Brenners
in der nächstfolgenden Brennerlage - in der Projektion parallel zur Brennkammerlängsachse
gesehen - ein Winkel β gebildet ist, der kleiner als der Winkel d, ist.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in einer Brennerlage
jedem Brenner ein weiterer, auf derselben Mantellinie der Brennkammer angeordneter
Brenner zugeordnet ist.
3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der selben Mantellinie
angeordneten Brenner einer Brennerlage für die Verbrennung verschiedener Brennstoffe
ausgebildet sind.
4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennkammer ein Zylinder ist.
5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennkammer ein gleichseitiges Vieleck begrenzt.
6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenner jeweils in
der Mitte der Breite einer Seite der vieleckigen Brennkammer angeordnet sind.
7. Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus Anzahl
Brenner je Brennerlage mal Anzahl Brennerlagen mindestens gleich der Anzahl Seiten
des Vielecks ist.
8. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wandrohre zur Bildung einer gasdichten Wand miteinander verschweisst sind.