Brenner

Abstract

 Bei einem Brenner für einen Wärmeerzeuger sind Mittel vorgesehen, welche der Erzeugung eines verdrallten Verbrennungsluftstromes (9) dienen. Der Brenner wird von einem Innenteil (2) und von einer Aussenschale (3) gebildet, wobei zwischen den beiden ein Ringspalt (4) gegeben ist, worin sich die genannten Mittel erstrecken. Diese Mittel bestehen aus einer Anzahl von schräg, um den Umfang des Ringspaltes (4) angeordneten und in Strömungsrichtung verlaufenden Ebenen (5), welche die Form von Helixen einnehmen. Abströmungsseitig dieser schräg verlaufenden Ebenen (5) wirkt eine Mischzone (7).

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Aus EP-0 321 809 ist ein aus mehreren Schalen bestehender kegelförmiger Brenner, sogenannter Doppelkegelbrenner, zur Erzeugung einer geschlossenen Drallströmung im Kegelkopf bekanntgeworden, welche aufgrund des zunehmenden Dralls entlang der Kegelspitze instabil wird und in eine annulare Drallströmung mit einer Rückströmzone im Kern übergeht. Gasförmige Brennstoffe werden vorzugsweise entlang der durch die einzelnen benachbarten Schalen gebildeten Kanäle, auch Lufteintrittsschlitze genannt, eingedüst, wodurch sich der Brennstoff homogen mit der dort einströmenden Verbrennungsluft vermischt, bevor die Verbrennung durch Zündung des so gebildeten Gemisches am Staupunkt der Rückströmzone, welche die Funktion eines körperlosen Flammenhalters erfüllt, eingeleitet wird. Flüssige Brennstoffe werden demgegenüber vorzugsweise über eine zentrale Düse am Brennerkopf eingebracht, wobei die Verdampfung ebendieser Brennstoffe innerhalb des Kegelhohlraumes des Brenners geschieht. Unter gasturbinentypischen Bedingungen findet die letztgenannte Zündung indessen schon früh, also in der Nähe der zentralen Düse statt, womit nicht zu umgehen ist, dass die NOx-Emissionen gerade aufgrund dieser mangelnden Vormischung hohe Werte aufweisen, was beispielsweise dann das Einspritzen von Wasser notwendig macht. Ein weiteres Problem, das eine Interdependenz mit dem Ort der Zündung aufweist, betrifft die immanente Gefahr eines Flammenrückschlages aufgrund der unstabilen Rückströmzone wegen örtlich nicht optimaler Lage. Darüber hinaus gilt zu bedenken, dass die Verschiebung der Rückströmzone im Bereich der weiteren Düsen entlang der Lufteintrittsschlitze eine Ueberhitzung des ganzen Brenners nach sich zieht, womit dann auch die Gefahr zunimmt, dass der gasförmige Brennstoff durch diese Düsen früh zündet und soweit eine unkrontollierbare Kettenreaktion auslöst.

Darstellung der Erfindung

[0003] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der eingangs genannten Art Vorkehrungen vorzuschlagen, welche nebst einer perfekten Vormischung der eingesetzten Brennstoffe, mit sich daraus einstellender Minimierung der Schadstoff-Emissionen, eine örtliche Stabilisierung der Flammenfront gewährleistet.

[0004] Grundsätzlich besteht der Brenner aus einer Strecke, die der Drallerzeugung und Brennstoffeindüsung dient, und aus einer nachgeschalteten Mischzone, deren Ende in die eigentliche Brennkammer übergeht. Die Strömung aus der Drallerzeugungsstrecke wird nahtlos in die Mischzone übergeleitet. Die Uebergangsgeometrie zwischen den beiden Strömungszonen ist dadurch gegeben, dass der Brenner im wesentlichen aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten Körpern besteht, wobei der Innenteil in einem konisch verlaufenden Auslauf endet. Der Ringspalt zwischen Innenteil und Aussenschale ist vorzugsweise mit mehreren entlang des Umfanges verteilten spiralförmig, also schräg verlaufenden Ebenen bestückt, welche als Helixe den Ringspalt überbrücken, und welche als Drallerzeuger mit einem bestimmten Drallwinkel, der aus dem Verhältnis zwischen Achsrichtung und Strömungsrichtung ermittelt wird, dienen. Der Uebergang zwischen diesem annularen Drallerzeuger und der nachgeschalteten Mischzone wird so gestaltet, dass sich eine stetige Beschleunigung der Strömung ergibt, um die Wandgrenzschichten und damit die Rückschlagsgefahr der Flamme zu minimieren.

[0005] Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Verlauf des Drallwinkels innerhalb der annularen Strecke und des Betrages der Axialgeschwindigkeit über den Radius des Ringspaltes und über die Querschnittsfläche unabhängig voneinander so angepasst werden kann, dass einerseits am Brenneraustritt ein Wirbelaufplatzen zur sicheren Flammenstabilisierung erzeugt wird, und andererseits in der Mischzone der Drall sehr niedrig gehalten wird, um Flammenrückschlag sicher zu vermeiden.

[0006] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass sich hier eine perfekte Vormischung des eingebrachten Brennstoffes erzielen lässt, sei es, dass ein gasförmiger Brennstoff im Bereich des Ringspaltes, oder kurz stromab des Drallerzeugers radial nach innen, oder über den Innenteil und dessen Spitze radial nach aussen eingedüst wird, sei es, dass ein flüssiger Brennstoff entweder an der konischen Spitze des Innenteils oder nach dem Drallerzeuger in tangentialer Richtung in den Ringspalt eingedüst wird.

[0007] Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

[0008] Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher dargestellt und erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Merkmale sind weggelassen worden. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0009] Es zeigt:

Fig. 1

einen Brenner in seiner Gesamtheit, entsprechend aufgeschnitten,

Fig. 2

einen Teil der Mischzone des Brenners stromab des konischen Auslaufes des Innenteils, mit Eindüsung eines flüssigen Brennstoffes,

Fig. 3

dieselbe Mischzone gemäss Fig. 2 mit einer veränderten Eindüsung eines flüssigen Brennstoffes,

Fig. 4

dieselbe Mischzone gemäss Fig. 2 mit einer Eindüsung eines gasförmigen Brennstoffes von der Aussenschale in die Mischzone und

Fig. 5

eine weitere Darstellung des Brenners gemäss Fig. 1 mit einer zentralen Pilotstufe.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

[0010] Fig. 1 zeigt einen Brenner 1, der aus einem Innenteil 2 und einer hierzu konzentrisch verlaufenden Aussenschale 3, wobei die beiden genannten Teile zueinander durch einen zylindrischen Ringspalt 4 beabstandet sind. In Strömungsrichtung bildet der Innenteil 2, in Wirkverbindung mit der Aussenschale 3, soweit sie den Innenteil 2 abdeckt, die eigentliche Drallerzeugungsstrecke, deren Betrieb durch eine Reihe von in Strömungsrichtung spiralförmig, also schräg verlaufenden Strömungsebenen, also Helixen 5, aufrechterhalten wird. Diese Helixen 5 wickeln sich in Umfangsrichtung des Innenteils 2 ab, und füllen den ganzen Ringspalt 4 in radialer Richtung. Diese Helixen 5 haben demnach die Aufgabe, den kopfseitig des Brenners 1 einströmenden Verbrennungsluftstrom 9 entlang des vorgegebenen Weges bis zur Mischzone 7 zu verdrallen. Der hierzu vorgesehene Drallwinkel, also den Winkel zwischen Achsrichtung und Strömungsrichtung, beträgt vorzugsweise um die 30°. Wichtig ist des weiteren, dass der Uebergang zwischen der Strecke, in welcher die Drallerzeugung entsteht, und der nachgeschalteten Mischzone 7 eine stetige Beschleunigung der Verbrennungsluft 9 ergibt, dies um die Wandgrenzschichten und damit die Gefahr eines Rückschlages der Flamme zu minimieren. Diesbezüglich endet der Innenteil 2 im Bereich des genannten Ueberganges, bei ca. 60% der Gesamtlänge der Aussenschale, in einer konisch verlaufenden Spitze 6, wobei in diesem Bereich die Strömung aus dem Drallerzeuger, also aus den Helixen 5, nahtlos in die Mischzone 7 übergeleitet wird. Diese Strömungsüberleitung ist an sich verlustfrei, dergestalt, dass zwischen Drallerzeuger und nachgeschalteter Mischzone 7 die unmittelbare Bildung einer Rückströmzone am Ausgang des Drallerzeugers verhindert wird. Die Drallstärke im Drallerzeuger, die unter anderen von der geometrischen Ausbildung der Helixen 5, der konischen Spitze 6 und der die Mischzone 7 umschliessenden Wand ausgeht, wird so gewählt, dass das Aufplatzen des Wirbels nicht in der Mischzone 7 erfolgt, sondern weiter stromab am Austritt derselben, wobei die Länge der Mischzone 7 so dimensioniert ist, dass sich eine ausreichende Mischungsgüte für alle zum Einsatz gelangenden Brennstoffarten ergibt. In der Mischzone 7 besitzt der Axialgeschwindigkeitsprofil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse und verhindert dadurch Rückzündungen in diesen Bereich, indessen fällt aber diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin ab. Um Rückzündungen auch im letztgenannten Bereich zu verhindern, wird vorgekehrt, die Geschwindigkeit im Aussenbereich der Mischzone 7 zu erhöhen, indem der Strömungsquerschnitt der Mischzone 7 beispielsweise venturiförmig ausgebildet wird, oder allgemein eine Verengung resp. eine Einschnürung (Vgl. Fig. 2, Pos. 18) erfährt. Eine andere Möglichkeit um Rückzündung der Flamme in diesem Bereich zu unterbinden, besteht darin, die Mischzone 7 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl von regelmässig oder unregelmässig verteilten in der Figur nicht ersichtlichen Bohrungen verschiedenster Querschnitte und Einströmrichtungen zu versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere der Mischstrecke 7 strömt, und entlang deren Wand eine Erhöhung der Geschwindigkeit indiziert. Selbstverständlich kann zur Unterbindung der Gefahr einer Rückzündung der Flamme in die Mischzone 7 eine Kombination obengenannter Massnahmen vorgesehen werden. Am Ende der Mischzone 7 schliesst sich eine Frontwand 8, welche Ausgangsebene einer nicht ersichtlichen Brennkammer ist, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst an dieser Stelle bildet sich eine zentrale Rückströmzone, welche die Eigenschaften eines körperlosen Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmässige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone. Stirnseitig kann die Frontwand 8 mit nicht ersichtlichen Oeffnungen erweitert sein, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung strömt, und dort unter anderen dazu beiträgt, dass die Ringstabilisation der Rückströmzone damit gestärkt wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, dass die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone auch eine ausreichende hohe Drallzahl, d.h. die kritische Drallzahl über den entsprechenden Querschnitt, innerhalb der Mischzone 7 erfordert. Die Aussenschale 3 ist an geigneter Stelle mit Düsen 10 versehen, durch welche ein Brennstoff, vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff, in die entlang der Helixen 5 strömende Verbrennungsluft 9 eingebracht wird. Diese Brennstoffeinbringung bildet im Normalfall die Hauptstufe des Brenners 1. Die hier stattfindende Verdrallung der Verbrennungsluft 9 bildet zugleich eine erste Vermischung des Brennstoffes; die endgültige Gemischbildung findet dann in der Mischzone 7 statt.

[0011] Fig. 2 zeigt einen Auschnitt des Brenners im Bereich der konisch verlaufenden Spitze 6 des Innenteils 2. Die Spitze selbst dient als Düse 11 zur Eindüsung eines Brennstoffes 12, der vorzugsweise ein flüssiger Brennstoff ist. Diese Eindüsung wird so gehalten, dass sie zwar kegelig ausfällt, die Wand der Mischzone 7 und einer dort vorgesehenen Einschnürung 18 sollen aber dadurch nicht benetzt werden. Die verdrallte in die Mischzone 7 einströmende Verbrennungsluft ummantelt den eingedüsten Brennstoff 12: In Strömungsrichtung in der Mischzone 7 wird die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 12 fortlaufend zu einer Vermischung im Sinne einer Verdampfung desselben abgebaut. Ist die Verbrennungsluft zusätzlich vorgeheizt, oder beispielsweise mit einem rückgeführten Rauch- oder Abgas angereichert, so unterstützt diese Vorkehrung nachhaltig die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes, bevor das Gemisch in die nachgeschaltete Stufe strömt.

[0012] Fig. 3 zeigt eine weitere Eindüsung eines Brennstoffes 14 im Bereich der konisch verlaufenden Spitze 6 des Innenteils 2. Auch bei diesem Brennstoff handelt es sich vorzugsweise um einen flüssigen Brennstoff, der in bekannter Weise entlang der Mischzone 7 verdampft werden soll. Die Eindüsung geschieht über Düsen 13, welche nach der Drallerzeugung der Verbrennungsluft entlang des Innenteils 2 in tangentialer Richtung gegenüber dem Ringspalt (Vgl. Fig. 1) wirken. Damit wird durch die tangentiale Eindüsung des Brennstoffes 14 in die verdrallte Verbrennungsluft eine Steigerung der Verdampfung des Brennstoffes innerhalb der Mischzone 7 erreicht.

[0013] Fig. 4 zeigt eine weitere Variante einer Eindüsung eines Brennstoffes in den Brenner. Der hier zum Einsatz kommende Brennstoff ist gasförmig und wird zunächst innerhalb des Ringspaltes und/oder kurz stromab der Drallerzeugung (Vgl. Fig. 1) radial nach innen in die Verbrennungsluft eingedüst. Diese Eindüsungsart ist durch die Pfeile 15 versinnbildlicht. In Kombination mit dieser Eindüsung kann eine zusätzliche Brennstoffeinbringung vorgesehen werden, welche im Bereich der konisch verlaufenden Spitze 6 des Innenteils 2 radial nach aussen wirkt, wie der Pfeil 16 andeutet.

[0014] Fig. 5 zeigt im wesentlichen den gleichen Brenner 1, wie er in Fig. 1 bereits zur Beschreibung gekommen ist. Im Zentrum, d.h. im Inneren des Innenteils 2, ist eine Pilotstufe 17 mit einem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff angebracht. Diese Pilotstufe wirkt dann von der konisch verlaufenden Spitze 6 aus, dergestalt, dass der Brenner auch bei kleiner Brennerlast, beispielsweise bei ca. 10%, ohne Eindüsung eines weiteren Brennstoffes, beispielsweise wie dies gemäss Fig. 1 vorgesehen ist, betrieben werden kann. Zusätzlich kann diese Pilotstufe 17 im Mischbetrieb, ausserhalb des selbststabilen Bereiches der durch den Ringspalt 4 indizierten Hauptstufe, als Stabilisierungshilfe verwendet werden. Die kalorisch belasteten Partien der Pilotstufe 17 werden dabei konvektiv oder durch Prall- resp. Effusionskühlung durch einen Teil der Verbrennungsluft 9 gekühlt.

Bezugszeichenliste

[0015] 

1

Brenner

2

Innenteil

3

Aussenschale

4

Ringspalt

5

Schräge Strömungsebenen, Helixen

6

Konisch verlaufende Spitze des Innenteils 2

7

Mischzone

8

Frontwand

9

Verbrennungsluft, Verbrennungsluftstrom

10

Brennstoffdüsen

11

Brennstoffdüsen

12

Brennstoffeindüsung

13

Brennstoffdüsen

14

Brennstoffeindüsung

15

Radial nach innen gerichtete Brennstoffdüsen

16

Radial nach aussen gerichtete Brennstoffdüsen

17

Pilotstufe

18

Einschnürung

Ansprüche

1. Brenner für einen Wärmeerzeuger, im wesentlichen bestehend aus Mitteln zur Erzeugung einer verdrallten Verbrennungsluft und aus Mitteln zur Eindüsung eines Brennstoffes in die Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der verdrallten Verbrennungsluft (9) im von einem Innenteil (2) und einer Aussenschale (3) gebildeten Ringspalt (4) angeordnet sind, dass diese Mittel aus mindestens einer in Strömungsrichtung des Ringspaltes (4) und darin um den Umfang des Innenteils (2) schräg verlaufenden Ebene (5) besteht, und dass abströmungsseitig der schräg verlaufenden Ebene (5) eine Mischzone (7) angeordnet ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenteil (2) im Bereich des Anfangs der Mischzone (7) in einer konisch verlaufenden Spitze (6) endet.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die konisch verlaufende Spitze (6) des Innenteils (2) eine Pilotstufe (17) des Brenners (1) bildet.

4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die konisch verlaufende Spitze (6) des Innenteils (2) eine Brennstoffdüse (11) bildet.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischzone (7) in Strömungsrichtung eine venturiförmige Ausbildung aufweist.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischzone (7) in Strömungsrichtung eine intermediäre Einschnürung aufweist, welche gegenüber dem übrigen Durchfluss der Mischzone (7) den kleinsten Querschnitt bildet.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Aussenschale (3) im Bereich der schräg verlaufenden Ebene (5) Brennstoffdüsen (10) angeordnet sind.

8. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Ueberganges zwischen Innenteil (2) und Mischzone (7) radial oder tangential wirkende Brennstoffdüsen (13, 14, 16) vorhanden sind.

Zeichnung