Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft einen Brenner der Doppelkegelbauart, bei welchem dem Verbrennungsluftstrom vor seiner Einströmung in den Brennerinnenraum gasförmiger Brennstoff zugeführt wird.
Aus EP 0 321 809 B1 ist der prinzipielle Aufbau eines Brenners der Doppelkegelbauart bekannt, auf den sich die Erfindung bezieht. Dieser Brenner besteht im wesentlichen aus hohlen, sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelkörpern, mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen und Zuführungen für gasförmige und flüssige Brennstoffe, bei dem die Mittelachsen der hohlen Teilkegelkörper eine in Strömungsrichtung sich erweiternde Kegelneigung aufweisen und in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen. Im von den Teilkegelkörpern gebildeten kegelförmigen Innenraum ist am Brennerkopf eine Brennstoffdüse plaziert. Der gasförmige Brennstoff wird dem Verbrennungsluftstrom vorgängig seiner Einströmung in den Brennerinnenraum über entlang der Eintrittsschlitze angeordneten Gasinjektoren zugeführt. Die Bildung des Brennstoff/Luft-Gemisches geschieht somit direkt am Ende der tangentialen Lufteintrittsschlitze. Die Lufteintrittsebene und die Gaseintrittsebene (Belochungsebene) fallen somit bei diesem bekannten Stand der Technik zusammen.
Die Zunahme des Dralles entlang der Kegelachse, verbunden mit der plötzlichen Querschnittserweiterung am Brenneraustritt, führt dazu, dass sich stromab des Brenneraustrittes auf der Brennerachse eine Rückströmzone bildet, die die Flamme stabilisiert. Erst im Staupunkt der Rückströmzone wird die Zündung der Flamme eingeleitet.
Die letzten Gasinjektoren entlang der Lufteintrittsschlitze liegen bei diesem bekannten Stand der Technik sehr nahe am Brenneraustritt und somit auch in der Nähe der Flamme. Die Länge der Vormischstrecke ist somit an diesen Stellen sehr kurz, so dass sich der Brennstoff, der aus diesen stromabwärts gelegenen letzten Düsen eingedüst wird, nur schlecht mit der Luft vermischen kann. Durch die schlechte Vormischung des Brennstoffes mit Luft entstehen örtlich Gebiete mit einem fetten Brennstoff/Luft-Gemisch, welches zu höheren Flammentemperaturen und damit auch zu höheren NOx-Werten führt. Ausserdem wird die zusätzliche Belastung für die Brennfront in diesen Regionen so hoch, dass es zu Überhitzungen kommt und das Material dort durch eine teure Zirkonbeschichtung geschützt werden muss.
Will man die Vormischstrecke entlang der Brennerachse verlängern, um die NOx-Emissionen zu reduzieren, so ist dazu ein kompliziertes Übergangsstück zwischen dem Brenner und dem nachfolgenden Teil, beispielsweise einem vor der Brennkammer angeordneten Rohr, notwendig. Durch das Strömungsfeld, das der Brenner stromab erzeugt, ergeben sich in dem nachgeschalteten Teil entweder am Rand oder im Zentrum Probleme mit der axialen Geschwindigkeit. Das führt zu Rückzündungen, so dass der Brenner auf diese Weise nicht betrieben werden kann.
Ein Brennen, der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht ist aus der EP 0 641 971 A2 bekannt
Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der Doppelkegelbauart zu schaffen, welcher einfach aufgebaut und damit preiswert zu fertigen ist und bei welchem eine verbesserte Vormischung des gasförmigen Brennstoffes aus den stromabwärts gelegenen letzten Gasinjektionsdüsen mit der Verbrennungsluft stattfindet, so dass gegenüber dem bekannten Stand der Technik die NOx-Emissionen reduziert werden und die Brennerfront thermisch geringer beansprucht wird, so dass auf teure Spezialbeschichtungen der Brennerfront verzichtet werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass sich bei einem Brenner gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der Überlappungswinkel in Strömungsrichtung des Brenners zunimmt und gleichzeitig mit Zunahme des Überlappungswinkels der Abstand der Brennstoffinjektoren von der Lufteintrittsebene in den Brenner zunimmt. Die Brennstoffinjektionsebene und die Lufteintrittsebene fallen somit nicht mehr zusammen, sondern die Brennstoffinjektionsebene verändert sich entlang des Brenners in der Position zur Lufteintrittsebene.
Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem darin, dass im Bereich der stromab gelegenen Brennstoffinjektoren auf Grund der vergrösserten Vormischstrecke die Vormischung des gasförmigen Brennstoffes mit der Verbrennungsluft verbessert wird, so dass die NOx-Emissionen und die thermische Belastung der Brennerfront verringert werden. Der Brenner zeichnet sich durch eine stabilere Flammenposition und geringere Pulsationen aus.
Es ist besonders zweckmässig, wenn der Überlappungswinkel in der Kegelspitze 0° beträgt und stetig bis zur Brennerfront zunimmt, wobei der maximale Überlappungswinkel 90° beträgt.
Wenn in der Kegelspitze keine Überlappung der Teilkegelkörper vorgesehen ist, dann kann weiterhin wie beim bekannten Stand der Technik eine hohe Axialgeschwindigkeit innerhalb des Brenners auf der Symmetrieachse erreicht werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Brenners, welcher aus zwei Teilkegelkörpern aufgebaut ist, dargestellt.
Es zeigen:
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtungen der verschiedenen Medien sind mit Pfeilen bezeichnet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung den erfindungsgemässen Brenner. Zum besseren Verständnis ist es vorteilhaft, wenn gleichzeitig zu Fig. 1 die Schnitte in den Fig. 2 bis 4 herangezogen werden.
Der Brenner gemäss Fig. 1 besteht aus zwei hohlen Teilkegelkörpern 1, 2, die versetzt zueinander aufeinander liegen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachsen 3, 4 der Teilkegelkörper 1, 2 zueinander schafft auf beiden Seiten in spiegelbildlicher Anordnung jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 5, 6, durch welche die Verbrennungsluft 7 in den Innenraum 8 des Brenners gelangt. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 haben jeweils einen zylindrischen Anfangsteil 9, 10, die ebenfalls versetzt zueinander verlaufen, so dass auch in diesem Bereich die tangentiale Lufteintrittsschlitze 5, 6 vorhanden sind. In diesem zylindrischen Anfangsteil 9, 10 ist eine Düse 11 zur Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes 12 untergebracht. Der Brenner kann auch ohne die zylindrischen Anfangsteile 9, 10 ausgeführt sein, so dass er rein kegelig ausgebildet ist. Dann ist die Brennstoffdüse 11 direkt in der Kegelspitze untergebracht. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 weisen je eine Brennstoffleitung 13, 14 auf, die mit Öffnungen 15 versehen sind, welche Brennstoffinjektoren darstellen. Durch die Brennstoffinjektoren 15 wird gasförmiger Brennstoff 16 der durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 5, 6 strömenden Verbrennungsluft 7 zugemischt.
Brennraumseitig 17 weist der Brenner eine als Verankerung für die Teilkegelkörper 1, 2 dienende Frontplatte 18 mit einer Anzahl Bohrungen 19 auf, durch welche nötigenfalls Verdünnungs- bzw. Kühlluft 20 dem vorderen Teil des Brennraumes 17 bzw. dessen Wand zugeführt werden kann.
Wird zum Betrieb des Brenners flüssiger Brennstoff 12 verwendet, so strömt dieser durch die Düse 11 und wird in einem spitzen Winkel in den Brennerinnenraum 17 eingedüst, wobei sich ein homogener Brennstoffspray einstellt. Das kegelige Flüssigbrennstoffprofil 23 wird von einem tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluftstrom 7 umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des Flüssigbrennstoffes 12 fortlaufend durch die eingemischte Verbrennungluft 7 verringert. Die optimale Brennstoffkonzentration über den Querschnitt wird erst im Bereich des Wirbelaufplatzens, d.h. im Bereich der Rückströmzone 24 erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 24. Erst an dieser Stelle entsteht eine stabile Flammenfront 25. Die Flammenstabilisation ergibt sich durch Zunahme der Drallzahl in Strömungsrichtung entlang der Kegelachse. Ein Rückschlagen der Flamme in das Innere des Brenners tritt nunmehr nicht auf.
Wird gasförmiger Brennstoff 16 verbrannt, so geschieht die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 7 in den Lufteintrittsschlitzen 5, 6. Erfindungsgemäss überlappen sich die beiden Teilkegelkörper 1, 2 teilweise, wobei der Überlappungswinkel δ in der Kegelspitze 0° beträgt (d.h. dort liegt keine Überlappung vor) und δ dann in Strömungsrichtung bis zum Brennerausgang, also bis zur Frontplatte 18, stetig zunimmt. Als maximaler Überlappungswinkel δ können 90° angegeben werden.
Wenn in der Kegelspitze bzw. im zylindrischen Anfangsteil 9, 10 der beiden Teilkegelkörper 1, 2 der Überlappungswinkel 0° beträgt, also die beiden Teilkegelkörper 1, 2 sich in diesem Bereich nicht überlappen, dann hat das den Vorteil, dass dadurch weiterhin eine hohe Axialgeschwindigkeit innerhalb des Brenners auf der Symmetrieachse erreicht wird.
Durch die überlappten Wände der Teilkegelkörper 1, 2 wird die Luftströmung 7 kanalisiert.
Im gleichen Masse, wie sich der Überlappungswinkel δ ändert, sind die Brennstoffinjektoren 15 weiter stromauf versetzt. Damit fallen die Lufteintrittsebene 21 und die Brennstoffinjektionsebene 22 nicht mehr zusammen. Die Brennstoffinjektionsebene 22 ändert entlang des Doppelkegelbrenners in Richtung Brennerfront ihre Position zur Lufteintrittsebene 21 dermassen, dass immer grössere Vormischstrecken von der jeweiligen Brennstoffeindüsung des gasförmigen Brennstoffes 16 bis zur Lufteintrittsebene 21 erreicht werden.
Dadurch wird eine homogenere Mischung des gasförmigen Brennstoffes 16 und der Verbrennungsluft 7 erzielt, was zu tieferen Flammentemperaturen und damit zu tieferen Nox-Emissionen führt. Diese tieferen Flammentemperaturen im Bereich des Brenneraustrittes reduzieren auch die thermischen Belastungen für das Material an der Brennerfront und machen eine sonst notwendige Zirkonbeschichtung des Materials hinfällig.
Ausserdem hat die Flamme im Vergleich zum bisher bekannten Stand der Technik, bei dem sich die Teilkegelkörper 1, 2 nicht überlappen und die Brennstoffinjektionsebene 22 der Lufteintrittsebene 21 entspricht, eine stabilere Position. Zusätzlich ergibt sich als Vorteil, dass der erfindungsgemässe Brenner auch weniger zu Pulsationen neigt. Er ist konstruktiv recht einfach gestaltet (z.B. ohne komplizierte Übergangsstücke zur Verlängerung der Vormischstrecke) und daher kostengünstig zu fertigen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das eben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die erfindungsgemässe Lösung kann ebenso auch für Brenner verwendet werden, die aus mehr als zwei Teilkegelkörpern bestehen, z.B. für sogenannte Vierschlitzbrenner.