Brenner zum Betrieb einer Brennkammer

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder Feuerungsanlage, gemäss dem Oberbegriff des Auspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Ein Brenner der vorstehend genannten Gattung geht beispielsweise aus der EP 0321 809 B1 hervor und wird mit großem Erfolg zur Befeuerung von Gasturbinenanlagen eingesetzt. Diese Brennerart gilt als erfolgreicher Ausgangstyp von Brennem, die zur Befeuerung mit hochreaktiven, gasförmigen und flüssigen Brennstoffen mit einem hohen Heizwert von etwa 35 bis 50 MJ/kg ausgelegt worden sind. Hebei wird der flüssige Brennstoff in das Innere der Brennkammer mittels einer mittig zum Kegelhohlraum angebrachten Düsenanordnung in Form eines sich kegelförmig ausbildenden Brennstoffsprays eingebracht. Das kegelförmige Brennstoffspray wird von einem tangential in den Kegelhohlraum einströmenden rotierenden Verbrennungsluftstrom umschlossen und dadurch stabilisiert. Erst im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der sogenannten Rückströmzone, wird die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht, so daß in diesem Bereich die Zündung des Brennstoffgemisches erfolgt. Gasförmiger Brennstoff wird aus zwei Rohren, die den Lufteintrittsschlitzen des Brenners entlang angeordnet sind, durch Bohrungsreihen quer zur eintretenden Luftströmung eingedüst.

[0003] Die durch die Doppelkegelstruktur vorgegebene innere und äußere Form des Brenners kann als Endprodukt eines umfangreichen Optimierungsprozesses angesehen werden, bei dem der Brenner unter dem Gesichtspunkt der Verbrennung flüssiger Brennstoffes mit hohem Heizwert optimiert worden ist.

[0004] Basierend auf dem erfolgreichen Konzept der Brennerform aufbauend, die in der EP 0 321 809 B1 beschrieben ist, gilt es nach erfolgversprechenden Lösungen zu suchen, die die zusätzliche Verbrennung von nieder- und mittelkalorischen Brennstoffen ermöglichen.

[0005] Die Europäische Patentanmeldung EP-A1-0 433 790 offenbart einen Brenner, mit einer in Strömungsrichtung sich öffnenden Kegelform. Dieser Brenner setzt sich auch zwei auseinander positionierten Teilkegelkörpern, deren Mittelachse in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen, zusammen. Aus dieser Versetzung bildet sich über die Länge des Brenners je ein tangentialer Eintrittsschlitz zum Innenraum des Brenners. Die Brennstoffzufuhr geschieht zentral über eine Düse und tangential im Bereich der Eintrittsschlitze über je eine Brennstoffleitung, welche mit Brennstofföffnungen versehen ist, die dort die Eindüsung des Brennstoffs übernehmen. Oberhalb jedes Eintrittsschlitzes ist ein Kanal gebildet, der mit einem Injektor bestückt ist. Durch diesen Injektor wird ein weiterer Brennstoff herangeführt. Die Luft/Brennstoff-Mischung mit Brennstoff aus dem Injektor und/oder Brennstoff aus der Brennstoffleitung strömt allgemein als Luft/Brennstoffgemisch durch die tangentialen Eintrittsschlitze in den Innenraum des Brenners. Dort findet eine weitere Mischung mit dem Brennstoff aus der Düse statt.

[0006] Das Patent FR 1.535.610 offenbart einen Brenner für gasförmige Brennstoffe mit einer Mehrfachinjektion und einem integrierten Mischer.

Darstellung der Erfindung

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Brenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dessen räumliche Ausgestaltung an die gezielte Verbrennung gasförmigen und flüssigen Brennstoffes eines hohen Heizwertes optimiert ist, derart weiterzubilden, daß die Verbrennung von mittel- und/oder niederkalorischen Brennstoffen ohne Beeinträchtigung von Form und Ausgestaltung des Brenners und ohne Verschlechterung der Emissionswerte möglich ist. Die hierfür zu treffenden Maßnahmen sollen für bestehende Brenner nachrüstbar sein und eine einfache Ausgestaltung aufweisen. Notwendige Modifikationen am Brenner selbst sollen so gering wie nur möglich gehalten werden, damit mit Hilfe eines einzigen Brennertyps niedrig-, mittel- sowie hochkalorische Brennstoffe verbrannt werden können. Ausserdem soll es möglich sein, Brennstoffe mit hohem Wasserstoffgehalt problemlos verbrennen zu können.

[0008] Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben, der einen erfindungsgemäßen Brenner zum Gegenstand hat. Erfindungsgemäss sind die Eindüsungsvorrichtungen über ein Rahmengestell miteinander fest verbunden und können über entsprechende Verbindungselemente fest am Brenner abnehmbar angebracht werden. Der Rahmen kann nachträglich am Brenner aufgesetzt und befestigt werden.

[0009] Erfindungsgemäß kann eine Eindüsungsvorrichtung jeweils in Strömungsrichtung vor den Lufteintrittsschlitzen angeordnet sein, daß der in den Verbrennungszuluftstrom einzubringende Brennstoff parallel zur Strömungsrichtung des Verbrennungszuluftstromes in die Lufteintrittsschlitze eingedüst wird. Durch die parallele Brennstoffeinspeisung werden jegliche Turbulenzen innerhalb des Verbrennungszuluftstromes vermieden, wodurch keine irritierende Wirbelbildungen entstehen, die zu lokalen Brennstoffansammlungen führen und Ursache für unkontrollierte Zündereignisse sind.

[0010] Die Düsenanordnung ist insbesondere derart ausgelegt, daß die Austrittsgeschwindigkeit des Brennstoffes aus der Düsenanordnung etwa die gleiche Strömungsgeschwindigkeit aufweist, mit der der Verbrennungszuluftstrom in die Lufteintrittsschlitze eingeleitet wird. Durch das isokinetische Eintrittsverhalten bei Masseströmen werden zudem jegliche dynamische Druckunterschiede vermieden, wodurch ebenso störende Wirbelbildungen ausgeschlossen werden können.

[0011] Die erfindungsgemäße Düsenanordnung weist im Falle des beschriebenen Brennersystems, das über zwei Lufteintrittsschlitze verfügt, zwei Eindüsungsvorrichtungen auf, die jeweils in Strömungsrichtung vor den Lufteintrittsschlitzen positioniert sind. Jede der jeweils vorgesehenen Eindüsungsvorrichtungen erstrecken sich längs über die gesamte Länge des Lufteintrittsschlitzes und weisen im Inneren jeweils eine vorzugsweise geradlinig verlaufende Brennstoffzuleitung auf, die über eine verengten Zuleitungskanal mit dem Düsenauslaßbereich verbunden ist.

[0012] Der verengte Zuleitungskanal kann sowohl aus einer Vielzahl einzelner Bohrungen, die längs zum Brennstoffzuleitungskanal verteilt angeordnet sind, als auch als durchgehender Zuleitungsschlitz, der sich über die gesamte Länge der Eindüsungsvorrichtung erstreckt, ausgebildet sein. Der Düsenauslaßbereich ist vorzugsweise als durchgehender Schlitzkanal, der sich über die gesamte Länge der Eindüsungsvorrichtung erstreckt, ausgebildet und weist ein Kanal-Länge-Breite-Verhältnis auf, das zu einem gerichteten, nahezu parallel verlaufenden Brennstoffstrahl führt, der zudem, wie bereits vorstehend erwähnt, eine an die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungszuluft angepaßte Strömungsgeschwindigkeit aufweist.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0013] Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

schematischer Querschnitt durch eine Eindüsungsvorrichtung, die vor einem Lufteintrittsschlitz angeordnet ist, sowie

Fig. 2

schematische Seitendarstellung eines Brenners mit der erfindungsgemäßen Eindüsungsvorrichtung.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

[0014] Figur 1 stellt eine schematisierte Querschnittsdarstellung durch den Lufteintrittsschlitz 1 eines nicht weiter im Detail dargestellten Brenners dar. Der Lufteintrittsschlitz 1 wird zum einen begrenzt durch die Außenwandung eines ersten Teilkegelkörpers 2 sowie durch die Innenwandung eines zweiten Teilkegelkörpers 3. In Strömungsrichtung des Brennstoffzuluftstromes 6 ist vor dem Lufteintrittsschlitz 1 eine Eindüsungsvorrichtung 7 vorgesehen, die parallel zu ihrer Längsachse eine Brennstoffzuleitung 8 vorsieht, die über einen verengten Zuleitungskanal 9 mit dem Düsenauslaßbereich 10 der Eindüsungsvorrichtung 7 verbunden ist. Der verengte Zuleitungskanal 9 kann sowohl als eine Vielzahl nebeneinander liegender Einzelbohrungen ausgeführt sein, als auch als durchgehende Schlitzöffnung ausgebildet sein, die sich über die gesamte Länge der Eindüsungsvorrichtung 7 erstreckt. Der verengte Zuleitungskanal 9 hat zum einen die Aufgabe, mögliche auftretende akustische Schwingungen innerhalb der Brennstoffzuleitung 8 vom Düsenauslaßbereich 10 zu entkoppeln. Zum anderen bewirkt der verengte Zuleitungskanal 9 eine Drosselung des im Inneren der Brennstoffzuleitung 8 vorherrschenden Arbeitsdruckes in Richtung des Düsenauslaßbereiches. Der Düsenauslaßbereich weist eine an die Druck- und Strömungsverhältnisse des Brennstoffes angepaßte Länge sowie Breite auf, wodurch gezielt ein Brennstoffströmungsfeld 13 erzeugt wird, das weitgehend als zweidimensionales Strömungsfeld mit gleicher Geschwindigkeit zum Brennstoffzuluftstrom 6 in den Lufteintrittsschlitz 1 eingebracht werden kann. Zusätzlich wird ein gasförmiger Brennstoff aus einem Rohr 4, welches entlang der Lufteintrittsschlitze 1 angeordnet ist, durch Bohrungsreihe 5 quer zur eintretenden Luftströmung beigedüst.

[0015] In Figur 2 ist eine Seitendarstellung des erfindungsgemäß erweiterten Brenners dargestellt, der aus dem ersten Teilkegelkörpers 2 sowie dem zweiten Teilkegelkörper 3 zusammengesetzt ist. Beide Teilkegelkörper schließen zwei Lufteintrittsschlitze ein, von denen in Figur 2 der Lufteintrittsschlitz 1 dargestellt ist. In Strömungsrichtung vor dem Lufteintrittsschlitz 1 ist eine Eindüsungsvorrichtung 7 vorgesehen, die wenigstens einseitig mit einer Basisplatte 10 des Brenners fest lösbar verbunden ist. Über einen vorzugsweise ringförmig ausgebildeten Rahmen 12 ist die Eindüsungsvorrichtung 7 mit der ihr am Brenner gegenüberliegenden (in der Figur 2 hinteren) Eindüsungsvorrichtung verbunden. Der Brenner weist eine vordere Basisplatte 11 auf, an der der Rahmen befestigt ist.

[0016] Die erfindungsgemäße Eindüsungsvorrichtung kann zur Montage über bestehende Brennersysteme geführt werden und geeigneter Weise fest am Brenner verbunden werden. Auf diese Weise ist die Eindüsungsvorrichtung als Zusatzmodul anzusehen, das beliebig nachrüstbar ist.

Bezugszeichenliste

[0017] 

1

Lufteintrittsschlitz

2

erster Teilkegelkörper

3

zweiter Teilkegelkörper

4

Rohr für gasförmigen Brennstoff, entlang des Brenners angeordnet

5

Bohrungsreihen, quer zur eintretenden Luftströmung (6)

6

Verbrennungszuluftströmung

7

Eindüsungsvorrichtung

8

Brennstoffzuleitung

9

verengter Zuleitungskanal

10

Düsenauslaßbereich

11

Basisplatte

12

Rahmen

13

Brennstoffströmungsfeld

Ansprüche

1. Brenner zum Betrieb einer Brennkammer,

- mit wenigstens zwei halben, hohlen Teilkegelkörpern (2, 3), die derart ineinander gefügt sind, dass deren Längssymmetrieachsen zueinander radial versetzt verlaufen und die mindestens zwei tangentiale Lufteintrittsschlitze (1) für einen Verbrennungszuluftstrom (6) sowie einen Kegelhohlraum einschließen,

- einer Düsenanordnung zum Eindüsen flüssigen, hochreaktiven Brennstoffes in den Kegelhohlraum, die im Bereich des engsten Innendurchmessers des Kegelhohlraumes angeordnet ist,

- wobei in Richtung des Verbrennungszuluftstromes (6) jeweils eine Eindüsungsvorrichtung (7) für Brennstoff vorgesehen ist, durch die der Brennstoff in paralleler Strömungsrichtung zum Verbrennungszuluftstrom (6) in die Lufteintrittsschlitz (1) eindüsbar ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die einzelnen Eindüsungsvorrichtungen (7) pro Lufteintrittsschlitz (1) über einem zusammenhängenden Rahmen (12) miteinander verbunden sind und als einheitliches Modul ausgebildet ist, das am Brenner befestigbar ist.

2. Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Modul am Brenner nachträglich aufsetzbar und befestigbar ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Eindüsungsvorrichtung (7) für den Brennstoff in Richtung des Verbrennungszuluftstromes (6) vor den tangentialen Lufteintrittsschlitzen (1) vorgesehen ist.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
die Eindüsungsvorrichtung (7) den Brennstoff isokinetisch relativ zur Verbrennungszuluft (6) eindüst.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Eindüsungsvorrichtung (7) eine linear verlaufende Brennstoffzuleitung (8) aufweist, die über einen relativ zu einem Düsenaulaßbereich (10) verengten Zuleitungskanal (9) mit diesem verbunden ist.

6. Brenner nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Düsenauslaßbereich (10) als Schlitzdüse ausgebildet ist, der sich längs über die gesamte Länge des Lufteintrittsschlitz (1) erstreckt.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Eindüsungsvorrichtung (7) eine Vielzahl von Einzelstrahldüsen aufweist, die einen über die Länge des Lufteintrittsschlitzes (1) weitgehend homogenen Brennstoffstrahl (13) erzeugen.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Eindüsungsvorrichtung (7) für mittel- und niederkalorische Brennstoffe vorgesehen ist.

9. Brenner nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brennstoff Heizwerte zwischen 5 und 50 MJ/kg aufweist.

10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zusammenhängende Rahmen (12) ringförmig ist.

11. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brenner eine vordere Basisplatte (11) aufweist, an dem der zusammenhängende Rahmen (12) befestigt ist.

12. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brenner ein Brenner zum Betrieb einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder einer Feuerungsanlage ist.

Claims

1. Burner for operating a combustion chamber,

- having at least two hollow, half truncated-cone shaped bodies (2, 3) which are assembled within one another in such a way that their longitudinal axes of symmetry extend so that they are mutually radially offset and which enclose at least two tangential air inlet slots (1) for a combustion inlet airflow (6) and also enclose a hollow conical space,

- having a nozzle arrangement for injecting liquid, highly reactive fuel into the hollow conical space, which nozzle arrangement is located in the region of the narrowest internal diameter of the hollow conical space,

- in each case one injection appliance (7) for fuel being provided in the direction of the combustion inlet airflow (6), through which injection appliance (7) the fuel can be injected into the air inlet slots (1) with a flow direction parallel to the combustion inlet airflow (6),

characterized in that the individual injection appliances (7) are connected together by means of one integral frame (12) per air inlet slot (1) and is [sic] configured as a uniform module which can be fastened to the burner.

2. Burner according to Claim 1, characterized in that the module can be subsequently placed and fastened on the burner.

3. Burner according to Claim 1 or 2, characterized in that the injection appliance (7) for the fuel is provided, in the direction of the combustion inlet airflow (6), upstream of the tangential air inlet slots (1).

4. Burner according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the injection appliance (7) injects the fuel isokinetically relative to the combustion inlet air (6).

5. Burner according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the injection appliance (7) has a linearly extending fuel supply line (8) which is connected to the nozzle outlet region (10) by means of a supply duct (9) which is restricted relative to the nozzle outlet region (10).

6. Burner according to Claim 5, characterized in that the nozzle outlet region (10) is configured as a slot nozzle which extends along the complete length of the air inlet slot (1).

7. Burner according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the injection appliance (7) has a plurality of individual jet nozzles which generate a substantially homogeneous fuel jet (13) over the length of the air inlet slot (1).

8. Burner according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the injection appliance (7) is provided for medium and low calorific value fuels.

9. Burner according to Claim 8, characterized in that the fuel exhibits calorific values between 5 and 50 MJ/kg.

10. Burner according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the integral frame (12) is annular.

11. Burner according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the burner has a front baseplate (11) on which the integral frame (12) is fastened.

12. Burner according to one of Claims 1 to 11, characterized in that the burner is a burner for operating a combustion chamber of a gas turbine group or a firing installation.

Revendications

1. Brûleur destiné au fonctionnement d'une chambre de combustion,

- avec au moins deux demi-corps coniques partiels creux (2, 3) qui sont joints l'un à l'autre de manière telle que leurs axes de symétrie longitudinale s'étendent de manière décalée radialement l'un par rapport à l'autre et qui comprennent au moins deux fentes d'entrée d'air tangentielles (1) pour un flux d'air de combustion (6) ainsi qu'un espace creux conique,

- une disposition de buse d'injection pour combustible liquide fortement réactif dans l'espace creux conique qui est disposé dans la zone du plus petit diamètre intérieur de l'espace creux conique,

- où, dans le sens du flux d'air de combustion (6), on a prévu à chaque fois un dispositif d'injection (7) de combustible, par lequel le combustible peut être injecté dans un sens d'écoulement parallèle au flux d'air de combustion (6) dans la fente d'entrée d'air (1),

caractérisé en ce que

- les différents dispositifs d'injection (7) par fente d'entrée d'air (1) sont reliés entre eux via un cadre (12) continu et en ce qu'il est réalisé en tant que module unitaire qui peut être fixé sur le brûleur.

2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module peut être monté et fixé ultérieurement sur le brûleur.

3. Brûleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif d'injection (7) du combustible est prévu dans le sens du flux d'air de combustion (6) en amont des fentes d'entrée d'air tangentielles (1).

4. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif d'injection (7) injecte le combustible de manière isocinétique par rapport à l'air de combustion (6).

5. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif d'injection (7) présente une conduite d'arrivée de combustible (8) s'étendant en ligne droite, lequel dispositif est relié à celle-ci via un canal d'arrivée (9) relativement rétréci par rapport à une zone de sortie de buse (10).

6. Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la zone de sortie de buse (10) est conçue en tant que buse à fente qui s'étend sur toute la longueur de la fente d'entrée d'air (1).

7. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif d'injection (7) présente un grand nombre de buses d'injection individuelles qui génèrent un jet de combustible (13) quasiment homogène sur la longueur de la fente d'entrée d'air (1).

8. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'injection (7) est prévu pour des combustibles faiblement et moyennement caloriques.

9. Brûleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le pouvoir calorifique du combustible se situe entre 5 et 50 MJ/kg.

10. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le cadre continu (12) est de forme annulaire.

11. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le brûleur présente une plaque de base avant (11) sur laquelle le cadre continu (12) est fixé.

12. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le brûleur est un brûleur destiné à faire fonctionner une chambre de combustion d'un turbogroupe à turbine à gaz ou d'un équipement de chauffe.

Zeichnung