Vormischbrenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder Feuerungsanlage

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder Feuerungsanlage und ein dazugehörendes Verfahren, welche zur Verbrennung von Brennstoffen mit stark unterschiedlichen Eigenschaften geeignet sind.

Stand der Technik

[0002] Vormischbrenner, also Brenner, bei denen die Vormischzone ein integrierter Bestandteil des Brenners selbst ist und die sich durch geringe NO_x-Emissionen auszeichnen, sind bekannt (EP-A1 0 321 809, 0 521 325 und US-A-3 982 392).

[0003] Bei diesen Brennern wird sichergestellt, dass die Zündung des Brennstoff-/Luftgemisches an einem Ort vonstatten geht, an dem keine zu grosse Strömungsgeschwindigkeit des Mediums vorherrscht. Zugleich wird dafür gesorgt, dass die Fortpflanzung der Flammenfont in Richtung des Brennerausganges, wo sich die Flammenfront einstellt, definiert erfolgt.

[0004] Bei den bekannten Vormischbrennern ergeben sich Probleme, wenn Brennstoffe mit stark unterschiedlichen Eigenschaften verbrannt werden sollen. Dann muss das Strömungsfeld so gestaltet sein, dass bei allen Brennstoffen sichergestellt ist, dass die Mischung vor dem Erreichen der Flammenzone abgeschlossen ist und die Flammen unter keinen Umständen an den Ort der Einmischung zurückschlagen. Zusätzlich dürfen in den Gebieten, die von der Flamme unter bestimmten Betriebsbedingungen erreicht werden, d.h. überall dort, wo ein Brennstoff-Luftgemisch vorhanden ist, keine ungekühlten Einbauten, wie Drallerzeuger oder Flammenhalter, vorhanden sein. Wenn z.B. im Gemischstrom Drallerzeuger angeordnet sind, ergeben sich die bekannten Nachteile, wie z.B. Belagsbildung oder Zerstörung der Drallschaufel durch Überhitzung.

[0005] Ein weiterer Nachteil der bekannten Vormischbrenner besteht darin, dass ihr Betrieb ausserhalb des Auslegungspunktes und bei Teilversagen, z.B. bei Leckagen im Kühlluftsystem, problematisch ist. Versucht man nämlich, bei Teillastbetrieb magerer zu fahren, verschlechtert sich bei den bekannten Brennern der Ausbrand und die CO/UHC-Emissionen steigen stark an (CO/UHC-NO_x-Schere).

Darstellung der Erfindung

[0006] Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vormischbrenner für den Betrieb einer Brennkraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder einer Feuerungsanlage und ein dazugehörendes Verfahren zu schaffen, die niedrige NO_x-Emissionen aufweisen, bei denen Brennstoffe mit stark unterschiedlichen Eigenschaften problemlos verbrannt werden können und die Funktion des Brenners auch ausserhalb des Auslegungspunktes bzw. bei Teilversagen sichergestellt ist.

[0007] Erfindungsgemäss wird dies bei einem Vormischbrenner, bestehend aus einem Drallerzeuger für die Verbrennungsluft, einem sich daran anschliessenden konvergenten Teil, einer Engstelle für die Zugabe von flüssigem Brennstoff mittels einer zentralen Lanze und einem stromabwärts angeordneten Diffusor dadurch erreicht, dass der Drallerzeuger ein Doppelkegelbrenner mit angepasster Schlitzweite und fehlender Brennstoffeindüsung ist, und dass in der Engstelle Zufuhröffnungen für weitere Brennstoffe angeordnet sind, wobei ein Teil dieser Zufuhröffnungen radial ausgerichtet und für die Zufuhr von gasförmigem, staubförmigem oder flüssigem Brennstoff vorgesehen ist und mindestens ein weiterer Teil der Zufuhröffnungen tangential ausgerichtet und für die Zufuhr von mindestens einem weiteren gasförmigen Brennstoff vorgesehen ist.

[0008] Erfindungsgemäss wird dies bei dem Verfahren zum Betrieb des Vormischbrenners dadurch erreicht, dass beim Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen, welche eine hohe Flammengeschwindigkeit haben, die Brennstoffe über die Öffnungen in der Engstelle gegensinnig zur Drallrichtung der Verbrennungsluft eingedüst werden, dass beim Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen, welche eine geringe Flammengeschwindigkeit und einen geringen Heizwert haben, die Brennstoffe über die Öffnungen in der Engstelle gleichsinnig zur Drallrichtung der Verbrennungsluft eingedüst werden, und dass beim Betrieb mit flüssigem oder staubförmigem Brennstoff der Brennstoff in der Engstelle senkrecht zur Strömungsrichtung oder kurz vor der Engstelle mit einer zentralen Lanze in die verdrallte Verbrennungsluft eingedüst wird.

[0009] Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass bei der Verbrennung von Brennstoffen mit stark unterschiedlichen Eigenschaften die Mischung vor dem Erreichen der Flammenfront abgeschlossen ist und die Flamme nicht an den Ort der Einmischung zurückschlagen kann. Die Hauptreaktionszone wird rein aerodynamisch, ohne die Brennerwand zu berühren, stabilisiert. Ausserdem gibt es keine Rückströmzonen, Stufen oder plötzliche Erweiterungen in der Flammenzone. Die Funktion des Brenners ist auch ausserhalb des Auslegungspunktes und bei Teilversagen gesichert. Weiterhin ist der Brenner in einem luft- oder brennstoffgestuften Verbrennungsprozess einsetzbar.

[0010] Es ist besonders zweckmässig, wenn der konvergente Teil, die Engstelle und der Diffusor rotationssymmetrisch ausgebildet sind, weil dann Sekundärströmungen vermieden werden und vor dem Vortex Breakdown nur kleine Turbulenzen vorhanden sind.

[0011] Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Querschnittsverlauf so angepasst ist, dass keine Strömungsablösung an der Wand möglich ist.

[0012] Weiterhin ist vorteilhaft, wenn der Vormischbrenner, insbesondere der Diffusor, konvektiv kühlbar ist. Dadurch ist selbst bei einem Anlegen der Flamme im Endbereich des Diffusors ein sicherer Brennerbetrieb gewährleistet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0013] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

[0014] Es zeigen:

Fig. 1

einen Längsschnitt des Vormischbrenners;

Fig. 2

einen Schnitt durch den engsten Querschnitt (Eindüsungsstelle) des Vormischbrenners.

[0015] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0016] Der in Fig. 1 dargestellte Vormischbrenner, welcher zur Verbrennung von Brennnstoffen mit stark unterschiedlichen Eigenschaften eingesetzt wird, besteht aus einem Drallerzeuger 1 für die Verbrennungsluft 10, einem sich daran anschliessenden konvergenten Teil 2, einer Engstelle 3 und einem Diffusor 4. Im Drallerzeuger 1 wird ein Strömungfeld mit einem möglichst konstanten Totaldruck erzeugt. Aufgrund der erzeugten Wirbel kann man den erfindungsgemässen Vormischbrenner auch als Wirbeldiffusor-Brenner bezeichnen. Der konvergente Teil 2, die Engstelle 3 und der Diffusor 4 sind zur Vermeidung von Sekundärströmungen rotationssymmetrisch ausgebildet und in ihrem Querschnittsverlauf so angepasst, dass die Erweiterung gerade so stark ist, dass keine Strömungsablösung von der Wand erfolgt. Um die Reibungsverluste und die gegebenenfalls zu kühlende Oberfläche klein zu halten, ist die Länge der rotationssymmetrischen Teile möglichst kurz. Damit ergeben sich kleine Mischlängen.

[0017] Die Baugrösse des Brenners kann unter der Bedingung einer genügend hohen Reynoldszahl im Brenner und unter den Randbedingungen der gewünschten thermischen Leistung und der gewünschten Gesamtlänge beliebig gewählt werden.

[0018] Der Drallerzeuger 1 ist erfindunggemäss ein Doppelkegelbrenner mit angepasster Schlitzweite der Lufteintrittsschlitze 12 ohne die sonst übliche Brennstoffeindüsung vorgesehen.

[0019] Im konvergenten Teil 2 erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit, bis sie an der Engstelle 3 ihren höchsten Wert hat. Dort an der Engstelle 3, dem Ort der höchsten Strömungsgeschwindigkeit, erfolgt die Einmischung des Brennstoffes 9. Damit wird erreicht, dass sich der Brennstoff 9 schnell mit der Verbrennungsluft 10 mischt, die Mischung vor dem Erreichen der Flammenzone abgeschlossen ist und die Flamme unter keinen Umständen an den Ort der Brennstoffeinmischung zurückschlagen kann. Der zur Mischung erforderliche Brennstoffvordruck ist nur gering. Öffnungnen 13 dienen dabei der Zufuhr von gasförmigem Brennstoff 9, während eine zentral angeordnete Lanze 11 zur Zufuhr von staubförmigem oder flüssigem Brennstoff 9 vorgesehen ist. Die Zuführöffnungen 13 sind radial oder tangential ausgerichtet.

[0020] In der Mischzone, also dort, wo das Brennstoff-Luftgemisch vorhanden ist (Vormischstrecke 6, Hauptreaktionszone 7) sind keine Einbauten, wie z.B. Drallerzeuger oder Flammenhalter, vorhanden. Drallzahländerungen sind in Abhängigkeit vom Brennstoff 9 möglich ohne bewegliche Teile im Brenner. Es sind auch keine Rückströmzonen, Stufen oder plötzliche Erweiterungen der Flammenzone vorhanden, so dass eine gute Flammenstabilität (geringe Pulsationen) erreicht wird.

[0021] Wegen der axialsymmetrischen Geometrie sind vor dem Vortex Breakdown 5 nur kleine Turbulenzen vorhanden.

[0022] Die Hauptreaktionszone 7 wird durch die aufplatzende Drallströmung (Vortex Breakdown 5) rein aerodynamisch, ohne die Brennerwand zu berühren, stabilisiert.

[0023] In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der divergente Teil der Brenners konvektiv gekühlt. Durch die kombinierte Brenner- und Brennkammerkühlung 8 wird erreicht, dass selbst bei einem Anlegen der Flamme im Endbereich des Diffusors 4 noch ein sicherer Brennerbetrieb gewährleistet wird. Selbstverständlich kann in einem anderen Ausführungsbeispiel der gesamte Brenner durch konvektive Kühlung relativ einfach vollständig gekühlt sein, deshalb ist er auch für den Betrieb als Stufenbrenner in einem luft- oder brennstoffgestuften System, z.B. als erste, zweite oder dritte Stufe geeignet.

[0024] Wird der Vormischbrenner mit gasförmigen Brennstoffen betrieben, welche eine hohe Flammengeschwindigkeit (kurze Zündverzugszeiten) haben, so müssen die Brennstoffe gegensinnig zur Drallrichtung der Verbrennungsluft 10 in der Engstelle 3 eingedüst werden (Fig. 2). Dadurch wird der Vortex Breakdown 5 stark abgeschwächt. Werden dagegen gasförmige Brennstoffe mit geringer Flammengeschwindigkeit und geringem Heizwert verwendet, wird die Flammenstabilisierung durch gleichsinniges Eindüsen in Bezug auf die Drallrichtung der Verbrennungsluft und damit durch Verstärkung des Vortex Breakdowns 5 verbessert.

[0025] Beim Betrieb des Brenners mit flüssigem oder staubförmigen Brennstoff wird dieser im engsten Querschnitt, also an der Engstelle 3, senkrecht zur Strömungsrichtung bzw. kurz vor dem engsten Querschnitt mittels der zentralen Lanze 11 eingedüst.

[0026] Der Brenner ist ein multifuelfähiges System, denn wie aus Fig. 2 hervorgeht, können beispielsweise niederkalorige Brennstoffe 9a, Erdgas 9b und wasserstoffhaltige Gase 9c verwendet werden.

[0027] Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass er auch ausserhalb des Auslegungspunktes und bei Teilversagen, wenn beispielsweise im Kühlluftsystem Leckagen vorhanden sind, voll funktionsfähig ist. Schliesslich sind noch die geringen NO_x-Emissionen hervorzuheben.

Bezugszeichenliste

[0028] 

1

Drallerzeuger

2

konvergenter Teil

3

Engstelle

4

Diffusor

5

Vortex Breakdown

6

Vormischstrecke

7

Hauptreaktionszone

8

kombinierte Brenner- und Brennkammerkühlung

9

Brennstoff

9a

niederkaloriger Brennstoff

9b

Erdgas

9c

wasserstoffhaltige Gase

10

Verbrennungsluft

11

zentrale Brennstofflanze

12

Lufteintrittsschlitze

13

Zufuhröffnungen für Brennstoff

Ansprüche

1. Vormischbrenner für den Betrieb einer Brennkraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder Feuerungsanlage, bestehend aus einem Drallerzeuger (1) für Verbrennungsluft (10), einem sich daran anschliessenden konvergenten Teil (2), einer Engstelle (3) für die Zugabe von flüssigem Brennstoff (9) mittels einer zentralen Lanze (11) und einem stromabwärts angeordneten Diffusor (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (1) ein Doppelkegelbrenner mit angepasster Schlitzweite und fehlender Brennstoffeindüsung ist, und dass in der Engstelle (3) Zufuhröffnungen (13) für weitere Brennstoffe (9) angeordnet sind, wobei ein Teil dieser Zufuhröffnungen (13) radial ausgerichtet und für die Zufuhr von gasförmigem, staubförmigem oder flüssigem Brennstoff (9) vorgesehen ist und mindestens ein weiterer Teil der Zufuhröffnungen (13) tangential ausgerichtet und für die Zufuhr von mindestens einem weiteren gasförmigen Brennstoff (9) vorgesehen ist.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konvergente Teil (2), die Engstelle (3) und der Diffusor (4) rotationssymmetrisch ausgebildet sind.

3. Vormischbrenner nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnittsverlauf so angepasst ist, dass keine Strömungsablösung an der Wand möglich ist.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner vollständig konvektiv kühlbar ist.

5. Vormischbrenner nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass vorrangig der Diffusor (4) konvektiv kühlbar ist.

6. Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen, welche eine hohe Flammengeschwindigkeit haben, die Brennstoffe über die Öffnungen (13) in der Engstelle (3) gegensinnig zur Drallrichtung der Verbrennungsluft (10) eingedüst werden, dass beim Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen, welche eine geringe Flammengeschwindigkeit und einen geringen Heizwert haben, die Brennstoffe über die Öffnungen (13) in der Engstelle (3) gleichsinnig zur Drallrichtung der Verbrennungsluft (10) eingedüst werden, und dass beim Betrieb mit flüssigem oder staubförmigem Brennstoff der Brennstoff in der Engstelle (3) senkrecht zur Strömungsrichtung oder kurz vor der Engstelle (3) mit der zentralen Lanze (11) in die verdrallte Verbrennungsluft (10) eingedüst wird.

Claims

1. Premixing burner for the operation of an internal combustion engine, a combustion chamber of a gas turbine group or a firing system, comprising a swirl generator (1) for combustion air (10), a convergent part (2) adjoining it, a throat (3) for the supply of liquid fuel (9) by means of a central lance (11) and a diffuser (4) arranged downstream, in that the swirl generator (1) is a double-cone burner with an adapted slot width and with the injection of fuel missing, and in that supply openings (13) for further fuels (9) are arranged in the throat (3), some of the supply openings (13) being radially aligned and intended for the supply of gaseous, pulverized or liquid fuel (9) and at least some of the supply openings (13) being tangentially aligned and intended for the supply of at least one further gaseous fuel (9).

2. Premixing burner according to Claim 1, characterized in that the convergent part (2), the throat (3) and the diffuser (4) have a rotationally symmetrical configuration.

3. Premixing burner according to Claim 1 and 2, characterized in that the variation in cross section is adapted in such a way that no flow separation is possible at the wall.

4. Premixing burner according to Claim 1 and 2, characterized in that the premixing burner can be completely cooled convectively.

5. Premixing burner according to Claim 1 and 2, characterized in that it is mainly the diffuser (4) which can be cooled convectively.

6. Method for operating a premixing burner according to Claim 1, characterized in that, when operating with gaseous fuels which have a high flame speed, the fuels are introduced via the openings (13) in the throat (3) in the opposite direction to the swirl direction of the combustion air (10), in that when operating with gaseous fuels which have a low flame speed and a low calorific value, the fuels are introduced via the openings (13) in the throat (3) in the same direction as the swirl direction of the combustion air (10) and in that, when operating with liquid or pulverized fuel, the fuel is introduced into the swirled combustion air (10) in the throat at right angles to the flow direction or shortly before the throat (3) by means of the central lance (11).

Revendications

1. Brûleur à prémélange pour la conduite d'un moteur à combustion interne, d'une chambre de combustion d'un turbogroupe à gaz ou d'une installation de chauffe, se composant d'un générateur de tourbillon (1) pour l'air de combustion (10), d'une partie convergente (2) se raccordant à celui-ci, d'un col (3) pour l'introduction de combustible liquide (9) au moyen d'une lance centrale (11), et d'un diffuseur (4) disposé en aval, caractérisé en ce que le générateur de tourbillon (1) est un brûleur à double cône avec une largeur de fente adaptée et sans injection de combustible, et en ce que des ouvertures (13) pour l'introduction d'autres combustibles (9) sont disposées dans le col (3), une partie de ces ouvertures d'introduction (13) étant orientée radialement et étant prévue pour l'introduction d'un combustible gazeux, pulvérulent ou liquide (9), et au moins une autre partie des ouvertures d'introduction (13) étant orientée tangentiellement et étant prévue pour l'introduction d'au moins un autre combustible gazeux (9).

2. Brûleur à prémélange suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie convergente (2), le col (3) et le diffuseur (4) sont réalisés avec une symétrie de révolution.

3. Brûleur à prémélange suivant la revendication 1 et 2, caractérisé en ce que l'évolution de la section transversale est adaptée de telle façon qu'aucun décollement de l'écoulement à la paroi ne soit possible.

4. Brûleur à prémélange suivant la revendication 1 et 2, caractérisé en ce que le brûleur à prémélange peut être refroidi entièrement par convection.

5. Brûleur à prémélange suivant la revendication 1 et 2, caractérisé en ce que le diffuseur (4) peut en priorité être refroidi par convection.

6. Procédé de conduite d'un brûleur à prémélange suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lors du fonctionnement avec des combustibles gazeux, qui possèdent une vitesse de flamme élevée, les combustibles sont injectés par les ouvertures (13) dans le col (3), à contre-sens par rapport à la direction du tourbillon de l'air de combustion (10), en ce que, lors du fonctionnement avec des combustibles gazeux, qui possèdent une faible vitesse de flamme et un bas pouvoir calorifique, les combustibles sont injectés par les ouvertures (13) dans le col (3), dans le même sens que la direction du tourbillon de l'air de combustion (10), et en ce que, lors du fonctionnement avec un combustible liquide ou pulvérulent, le combustible est injecté dans le col (3) perpendiculairement à la direction d'écoulement ou peu avant le col (3), avec une lance centrale (11), dans l'air de combustion tourbillonnant (10).

Zeichnung