Brenner

Abstract

 Bei einem Brenner der Doppelkegelbauart ist in der Frontplatte (18) örtlich zwischen den Bereichen unterschiedlicher axialer Dehnungen mindestens ein Entlastungsschlitz (30) angeordnet. Die flexible verbleibende Verbindung zwischen den beiden Austrittsbereichen kann integral innerhalb des gleichen Gussteiles erfolgen oder über ein weiteres angeschweisstes Teil. Dadurch werden vorteilhaft zu hohe Thermospannungen vermieden.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft einen Brenner der Doppelkegelbauart, welcher beispielsweise aus der Druckschrift EP 0 321 809 B1 bekannt ist.

Stand der Technik

[0002] In der EP 0 321 809 B1 ist der prinzipielle Aufbau eines Vormischbrenners der Doppelkegelbauart beschrieben. Dieser Brenner besteht im wesentlichen aus mindestens zwei 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.

[0003] Brennraumseitig weist der Vormischbrenner eine als Verankerung für die Teilkegelkörper dienende Frontplatte auf.

[0004] Wie viele andere Bauteile thermischer Maschinen weist auch der Brenner der Doppelkegelbauart aufgrund der Beaufschlagung mit Medien unterschiedlichster Temperaturen grosse thermische Spannungen auf.

[0005] So entstehen in diesem Vormischbrenner sehr unterschiedliche thermische Beanspruchungen dadurch, dass die aussenliegenden Partien der Teilkegelkörper tiefere Temperaturen aufweisen als die innenliegenden Partien, da die äusseren Teile weniger stark strahlungsbeaufschlagt sind und durch die einströmende Luft sowie durch den im gleichen Bereich über Kanäle zugeführten kalten gasförmigen Brennstoff stärker gekühlt werden. Das verursacht vor allem unterschiedliche thermischen Dehnungen der Teilkegelkörper und der mit ihnen verbundenen Gas-Zuführungskanäle, die vor allem die sie verbindende Frontplatte zyklisch belasten, was nachteilig dazu führt, dass Ermüdungsrisse entstehen, was die Lebensdauer des Brenners reduziert.

[0006] Diese thermische Beaufschlagung ist systembedingt und kann in Hinblick auf die thermischen Differenzdehnungen in Richtung der Brennerachse nur in unzureichendem Masse verändert werden.

Darstellung der Erfindung

[0007] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Brenner der Doppelkegelbauart mit einfachen konstruktiven Mitteln so zu verändern, dass er von thermischen Spannungen weitgehend entlastet ist.

[0008] Erfindungsgemäss wird dies bei einem Brenner zum Verbrennen von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen, im wesentlichen bestehend aus mindestens zwei hohlen, sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelkörpern, mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen und mit Zuführungen für gasförmige und flüssige Brennstoffe, bei welchem die Mittelachsen der hohen Teilkegelkörper eine in Strömungsrichtung sich erweiternde Kegelneigung aufweisen und in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen, wobei im von den Teilkegelkörpern gebildeten kegelförmigen Innenraum am Brennerkopf eine Brennstoffdüse für den flüssigen Brennstoff plaziert ist und die Zuführungen für den gasförmigen Brennstoff mit Brennstoffinjektoren versehen sind, und brennraumseitig eine Frontplatte als Verankerung für die Teilkegelkörper angeordnet ist, wobei besagte Teilkegelkörper infolge unterschiedlicher thermischer Beanspruchung unterschiedlichen thermischen Dehnungen in Richtung der Brennerachse unterliegen, wobei insbesondere die Frontplatte am Brenneraustritt zyklisch beansprucht wird, dadurch erreicht, dass in der Frontplatte örtlich zwischen den Bereichen unterschiedlicher axialer Dehnung mindestens ein Entlastungsschlitz zwecks Flexibilitätserhöhung so angeordnet ist, dass die Teilkegelkörper nicht völlig voneinander getrennt werden, sondern noch eine Materialbrücke zwischen ihnen verbleibt.

[0009] Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass durch die flexible Gestaltung der Verbindung der Bereiche unterschiedlicher axialer Dehnungen am Brenneraustritt zu hohe Thermospannungen vermieden werden und somit die Lebensdauer des Brenners erhöht wird.

[0010] Der mindestens eine Entlastungsschlitz pro Teilkegelkörper kann dabei entweder integral innerhalb der aus einem einzigen Teil bestehenden Frontplatte angeordnet sein, wobei die notwendige Materialbrücke durch aussenliegende Bereiche der Frontplatte selbst oder mittels eines zusätzlichen, mit der Frontplatte verschweissten Teiles gebildet werden.

[0011] Es ist vorteilhaft, wenn der Entlastungsschlitz in der Frontplatte im Bereich des Zusammentreffens der Teilkegelkörper beginnt, im wesentlichen parallel zu dem jeweiligen Teilkegelkörper verläuft und der Abschluss des Entlastungsschlitzes in Richtung der Teilkegelkörper gekrümmt ist.

[0012] Weiterhin ist es bei einem integral innerhalb der Frontplatte angeordneten Entlastungsschlitz zweckmässig, wenn die Spitze des Entlastungsschlitzes bezüglich der Haupterstreckungsrichtung des Entlastungsschlitzes in ihrer Richtung um mindestens etwa 180° umgelenkt ist, wobei die Umlenkung in einer nach Kerb- und Bruchmechanik-Gesichtspunkten grosszügig bemessenen Krümmung erfolgt, der grösste Krümmungsradius an der Stelle der grössten Spannung in der Frontplatte gelegt wird und das Wandstück im Inneren des Krümmungsbogens über eine ausreichend bemessene Materialbrücke (nicht zu verwechseln mit der Materialbrücke zwischen den Teilkegelkörpern) mit dem Rest der Wand verbunden ist. Dann führt der Schlitz nicht zu einem ungewollten Risswachstum.

[0013] Schliesslich ist es vorteilhaft, wenn die Krümmung des Entlastungsschlitzabschlusses die Form eines Halb- bis Dreiviertelkreises, einer -ellipse, -spirale oder ähnlicher Kurve aufweist, weil diese Formen besonders gut geeignet sind, ein Risswachstum zu unterbinden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0014] In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines Brenners der Doppelkegelbauart, der z.B. zum Betrieb einer Gasturbine eingesetzt wird, dargestellt.

[0015] Es zeigen:

Fig. 1

eine perspektivische Darstellung des Doppelkegelbrenners;

Fig. 2

einen Querschnitt des Brenners gemäss Fig. 1 entlang der Ebene II-II;

Fig. 3

eine perspektivische Darstellung des Brenners im Bereich des Brenneraustrittes in einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung;

Fig. 4

eine perspektivische Darstellung des Brenners im Bereich des Brenneraustrittes in einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung;

Fig. 5

eine perspektivische Darstellung des Brenners im Bereich des Brenneraustrittes in einer dritten Ausführungsvariante der Erfindung.

[0016] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der verschiedenen Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0017] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren 1 bis 5 näher erläutert.

[0018] Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Vormischbrenner der Doppelkegelbauart. Zum besseren Verständnis ist es vorteilhaft, wenn gleichzeitig zu Fig. 1 der Schnitt in Fig. 2 herangezogen wird.

[0019] Der Brenner besteht aus zwei hohlen Teilkegelkörpern 1, 2, die versetzt zueinander aufeinander liegen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachsen 3, 4 der Teilkegelkörper 1, 2 zueinander und zur Brennerachse 22 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.

[0020] Brennraumseitig 17 weist der Brenner eine als Verankerung für die Teilkegelkörper 1, 2 dienende Frontplatte 18 auf.

[0021] 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 8 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 Verbrennungsluft 7 verringert. Die optimale Brennstoffkonzentration über den Querschnitt wird erst im Bereich des Wirbelaufplatzens, d.h. im Bereich der inneren Rezirkulationszone 24 erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der inneren Rezirkulationszone 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 unter normalen Betriebsbedingungen nicht auf.

[0022] Wird gasförmiger Brennstoff 16 verbrannt, so geschieht die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 7 in den Lufteintrittsschlitzen 5, 6, also vor Eintritt in den Brennerinnenraum 8.

[0023] Insoweit sind Brenner der Doppelkegelbauart bekannt. Typisch für diese Brenner ist das Auftreten von thermischen Spannungen am Brenneraustritt, weil dort Bereiche unterschiedlicher axialer thermischer Dehnung aufeinandertreffen, denn die aussenliegenden Partien der Teilkegelkörper 1, 2 sind erstens weniger stark strahlungsbeaufschlagt und zweitens durch die einströmende Luft 7 und das im gleichen Bereich zugeführte Brennstoffgas 16 stärker gekühlt als die innenliegenden Partien, welche eine höhere Betriebstemperatur aufweisen.

[0024] Erfindungsgemäss wird nun vorgeschlagen, zwischen den Bereichen unterschiedlicher Axialdehnung am Brenneraustritt mindestens einen Entlastungsschlitz 30 anzuordnen. Dabei kann der Entlastungsschlitz 30 z. B. integral innerhalb der aus einem einzigen Teil bestehenden Frontplatte 18 angeordnet sein (siehe Fig. 3 und 4), wodurch die aussenliegenden Bereiche der Frontplatte die die beide Teile verbindende Materialbrücke bilden, oder er verläuft auf einem relativ kurzen Weg radial bis zum Rand der Frontplatte und die die beide Teile verbindende Materialbrücke wird mittels eines zusätzlichen an die Frontplatte angeschweissten Teiles 31 gebildet (siehe Fig. 5).

[0025] Aus der perspektivischen Darstellung eines Teils des Brenneraustrittsbereiches in Fig. 3 bzw. Fig. 4 geht hervor, dass der gezielt in die aus einem Teil bestehende Frontplatte 18 eingebrachte Entlastungsschlitz 30 im Bereich des Zusammentreffens der Teilkegelkörper 1, 2 beginnt, im wesentlichen parallel zu dem jeweiligen Teilkegelkörper 1, 2 verläuft und sein Abschluss (Endstück) in Richtung der Teilkegelkörper 1, 2 gekrümmt ist.

[0026] Die Spitze 32 des Entlastungsschlitzes 30 ist dabei bezüglich der Hauptausbreitungsrichtung des Entlastungsschlitzes 30 in ihrer Richtung um mindestens etwa 180 ° umgelenkt, wobei die Umlenkung in einer nach Kerb- und Bruchmechanik-Gesichtspunkten grosszügig bemessenen Krümmung 33 erfolgt, der grösste Krümmungsradius r an der Stelle der grössten Spannung in der Frontplatte 18 gelegt wird und das Wandstück im Inneren des Krümmungsbogens 33 über einen ausreichend bemessenen Materialquerschnitt 36 mit dem Rest der Wand verbunden ist. Die Krümmung 33 kann dabei die Form eines Halb- bis Dreiviertelkreises (siehe Fig. 3), einer Halb- bis Dreiviertelellipse (siehe Fig. 4) oder einer -spirale oder ähnlicher Kurve (nicht dargestellt) haben.

[0027] Anders sieht es bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsvariante aus. Der Schlitz 30 beginnt ebenfalls im Bereich des Zusammentreffens der Teilkegelkörper 1, 2. Hier führt der Entlastungsschlitz 30 in einem leichten Bogen auf relativ direktem Weg zum Rand der Frontplatte, wodurch die Teilkegelkörper sowie jeweils die Hälfte der Frontplatte voneinander freigeschnitten sind. Die Verbindung zwischen diesen Teilen wird in diesem Beispiel gebildet durch einen von vorn übergestülpten Ring 31, der mit dem partiell vorhandenen "Kragen" 37 der Frontplatte verschweisst wird.

[0028] Der Abschluss des Schlitzes in diesem Beispiel ist völlig unbelastet, deshalb spielt die Form hier keine Rolle. Demgegenüber wären die Enden der Schweissnähte 34 zwischen dem "Kragen" 37 der Frontplatte 18 sowie dem übergestülpten Ring 31 bei zu hohen Beanspruchungen risswachstumsgefährdet, dem man aber mit einer günstigen Gestaltung der Zonen um die Schweissnahtenden 35 herum leicht begegnen kann.

[0029] Durch die Erfindung wird die direkte Verbindung der Bereiche unterschiedlicher thermisch verursachter Axialdehnung am Brenneraustritt flexibler gestaltet. Dadurch werden zu hohe Thermospannungen vermieden und der Vormischbrenner kann somit über einen längeren Zeitraum eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

[0030] 

1

Teilkegelkörper

2

Teilkegelkörper

3

Mittelachse von Pos. 1

4

Mittelachse von Pos. 2

5

tangentialer Lufteintrittsschlitz

6

tangentialer Lufteintrittsschlitz

7

Verbrennungsluft

8

Brennerinnenraum

9

zylindrischer Anfangsteil von Pos. 1

10

zylindrischer Anfangsteil von Pos. 2

11

Brennstoffdüse

12

flüssiger Brennstoff

13

Brennstoffleitung für Pos. 16

14

Brennstoffleitung für Pos. 16

15

Brennstoffinjektor für Pos. 16

16

gasförmiger Brennstoff

17

Brennraum

18

Frontplatte

22

Brennerachse

23

Flüssigbrennstoffprofil

24

innere Rezirkulationszone

25

Flammenfront

30

Entlastungsschlitz

31

angeschweisstes Teil an Pos. 18 (Ring)

32

Spitze von Pos. 30

33

Krümmung von Pos. 30

34

Schweissnaht

35

Schweissnahtende

36

Materialbrücke

37

Kragen von Pos. 18

r

maximaler Krümmungsradius

Ansprüche

1. Brenner zum Verbrennen von flüssigen (12) und gasförmigen Brennstoffen (16), im wesentlichen bestehend aus mindestens zwei hohlen, sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelkörpern (1, 2), mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen (5, 6) und mit Zuführungen (13, 14) für gasförmige (16) und flüssige Brennstoffe (12), bei welchem die Mittelachsen (3, 4) der hohlen Teilkegelkörper (1, 2) eine in Strömungsrichtung sich erweiternde Kegelneigung aufweisen und in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen, wobei im von den Teilkegelkörpern (1, 2) gebildeten kegelförmigen Innenraum (8) am Brennerkopf eine Brennstoffdüse (11) für den flüssigen Brennstoff (12) plaziert ist und die Zuführungen (13, 14) für den gasförmigen Brennstoff (16) mit Brennstoffinjektoren (15) versehen sind, und brennraumseitig eine Frontplatte (18) als Verankerung für die Teilkegelkörper (1, 2) angeordnet ist, wobei besagte Teilkegelkörper (1, 2) infolge unterschiedlicher thermischer Beanspruchung unterschiedliche thermische Dehnungen in Richtung der Brennerachse (22) aufweisen, und insbesondere die Frontplatte (18) am Brenneraustritt zyklisch beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Frontplatte (18) örtlich zwischen den Bereichen unterschiedlicher axialer Dehnung mindestens ein Entlastungsschlitz (30) zwecks Flexibilitätserhöhung angeordnet ist, wobei der Entlastungsschlitz (30) die Teilkegelkörper (1, 2) nicht vollständig voneinander trennt, sondern noch eine Materialbrücke zwischen ihnen verbleibt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Entlastungsschlitz (30) integral innerhalb der aus einem einzigen Teil bestehenden Frontplatte (18) angeordnet ist.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Entlastungsschlitz (30) die Frontplatte ganz durchschneidet, wobei besagter Entlastungsschlitz (30) in einem leichten Bogen zum Rand der Frontplatte (18) verläuft, und die die Teile verbindende Materialbrücke durch ein zusätzliches, mit der Frontplatte verschweisstes Teil (31) gebildet ist.

4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Entlastungsschlitz (30) in der Frontplatte (18) im Bereich des Zusammentreffens der Teilkegelkörper (1, 2) beginnt, im wesentlichen parallel zu dem jeweiligen Teilkegelkörper (1, 2) verläuft und der Abschluss des Entlastungsschlitzes in Richtung der Teilkegelkörper (1, 2) gekrümmt ist.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (32) des Entlastungsschlitzes (30) bezüglich der Haupterstreckungsrichtung des Entlastungsschlitzes (30) in ihrer Richtung um mindestens etwa 180 ° umgelenkt ist, wobei die Umlenkung in einer nach Kerb- und Bruchmechanik-Gesichtspunkten grosszügig bemessenen Krümmung (33) erfolgt, der grösste Krümmungsradius (r) an der Stelle der grössten Spannung in der Frontplatte (18) gelegt wird und das Wandstück im Inneren des Krümmungsbogens (33) über eine ausreichend bemessene Materialbrücke (36) mit dem Rest der Wand verbunden ist.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung (33) des Entlastungsschlitzes (30) die Form eines Halb- bis Dreiviertelkreises aufweist.

7. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung (33) des Entlastungsschlitzes (30) die Form einer Halb- bis Dreiviertelellipse oder ähnlicher Kurven aufweist.

8. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung (33) des Entlastungsschlitzes (30) die Form einer Spirale aufweist.

Zeichnung