Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäss Oberbegriff des Anspruchs
1.
Stand der Technik
[0002] Aus EP-0 704 657 ist ein Brenner bekanntgeworden, der anströmungsseitig aus einem
Drallerzeuger besteht, wobei die hierin gebildete Strömung nahtlos in eine Mischstrecke
übergeführt wird. Dies geschieht anhand einer am Anfang der Mischstrecke zu diesem
Zweck gebildeten Uebergangsgeometrie, welche aus Uebergangskanälen besteht, die sektoriell,
entsprechend der Zahl der wirkenden Teilkörper des Drallerzeugers, die Stirnfläche
der Mischstrecke erfassen und in Strömungsrichtung drallförmig verlaufen. Abströmungsseitig
dieser Uebergangskanäle weist die Mischstrecke eine Anzahl Filmlegungsbohrungen auf,
welche eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Rohrwand gewährleisten.
Anschliessend folgt eine Brennkammer, wobei der Uebergang zwischen der Mischstrecke
und der Brennkammer durch einen Querschnittssprung gebildet wird, in dessen Ebene
sich eine Rückströmzone oder Rückströmblase bildet.
[0003] Die Drallstärke im Drallerzeuger wird denmach so gewählt, dass das Aufplatzen des
Wirbels nicht innerhalb der Mischstrecke, sondern weiter stromab erfolgt, wie oben
ausgeführt im Bereich des Querschnittssprunges. Die Länge der Mischstrecke ist so
dimensioniert, dass eine ausreichende Mischungsgüte für alle Brennstoffarten gewährleistet
ist.
[0004] Obschon dieser Brenner gegenüber denjenigen aus dem vorangegangenen Stand der Technik
eine signifikante Verbesserung hinsichtlich Stärkung der Flammenstabilität, tieferer
Schadstoff-Emissionen, geringerer Pulsationen, vollständigen Ausbrandes, grossen Betriebsbereichs,
guter Querzündung zwischen den verschiedenen Brennern, kompakter Bauweise, verbesserter
Mischung, etc., gebracht hat, zeigt es sich, dass eine weitere Stärkung der Flammenstabilität
sowie eine verbesserte Anpassung der Flamme an die vorgegebene Brennkammergeometrie
für einen reibungslosen Betrieb auf höchster Ebene bei der Vormischverbrennung der
neueren Generation vonnöten geworden ist.
Darstellung der Erfindung
[0005] 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 eine Stärkung der Flammenstabilität und eine
Anpassung der Flamme an die vorgegebene Brennkammergeometrie bewirken, ohne die übrigen
Vorteile dieses Brenners in irgendeiner Weise zu mindern.
[0006] Zu diesem Zweck wird die Brennerfront am Ende der Mischstrecke in der Ebene des Querschnittssprunges
brennkammerseitig mit einem Torus oder torusähnlicher Einkerbung ausgebildet. Diese
Ausgestaltung bewirkt, dass die sich durch die Mischstrecke strömende Verbrennungsluft
an die im Torus bildende Strömung anlegt, womit die Drallzahl der Hauptströmung stark
ansteigt. Gegenüber einer Strömung ohne Torus vergrössert sich die sich im Bereich
des Querschnittssprunges bildende Rückströmblase gewaltig. Diese Vergrösserung ist
durch eine radiale Ausdehnung und eine axiale Kompaktheit charaktersiert. Dies bewirkt
eine Stärkung der Flammenstabilität und die Möglichkeit, durch eine entsprechende
Ausbildung des Toruses eine gezielte Anpassung der Flamme an die vorgegebene Brennkammergeometrie
vorzunehmen.
[0007] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Zurückversetzung der kopfseitigen
Brennstoffdüse gegenüber der Einströmung der Verbrennungsluft in einen kegelförmigen
ausgebildeten Drallerzeuger mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen. Durch diese Versetzung
kommt die Mündung der Brennstoffdüse stromauf des Einströmungsbereichs zu liegen,
so dass das Brennstoffspray aus der Brennstoffdüse mit einem grösseren Sprayradius
in die Hauptströmung eingedüst werden kann. Mit dieser Vorkehrung wird erreicht, dass
das Brennstoffspray bei erstmaligem Kontakt mit der Verbrennungsluft von einem Film
zu Tropfen zerfallen ist, und sich die Kegelmantelfläche dieses Brennstoffsprays in
diesem Bereich um einen Faktor vergrössert hat, was eine Ausbreitung des Brennstoffsprays
verbessert und die Zuströmung der Verbrennungsluft nicht behindert.
[0008] Kommt die Brennstoffdüse durch ihre Zurückversetzung im Bereich einer festen Ummantelung
zu stehen, lassen sich dann um die Mündung der Brennstoffdüse Oeffnungen vorsehen,
durch welche Spülluft in den von Brennstoffdüse induzierten Querschnitt einströmt.
Der Durchflussquerschnitt dieser Spülluft-Oeffnungen sowie die Zürückversetzung der
Brennstoffdüse werden so gewählt, dass im Gasbetrieb die durch diese Oeffnungen strömende
Spülluft nicht ausreicht, um die oben bereits genannte Rückströmblase weiter stromab
zu verschieben. Im Flüssigbrennstoffbetrieb wirkt das Brennstoffspray praktisch als
Strahlpumpe, womit sich der Spülluftstrom durch die genannten Oeffnungen erhöht, dergestalt,
dass ein grösserer axialer Impuls entsteht, der die Rückströmblase weiter stromab
verschiebt.
[0009] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Spülluft durch die
Oeffnungen im Bereich der Mündung der Brennstoffdüse eine Benetzung der Innenwand
des kegelförmigen Drallerzeugers verhindert.
[0010] Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung
sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
[0011] Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale
sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den
gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen
angegeben.
Kurze Bezeichnung der Zeichnungen
[0012] Es zeigt:
- Fig. 1
- einen als Vormischbrenner ausgelegten Brenner mit einer Mischstrecke stromab eines
Drallerzeugers,
- Fig. 2
- einen aus mehreren Schalen bestehenden Drallerzeuger in perspektivischer Darstellung,
entsprechend aufgeschnitten,
- Fig. 3
- einen Querschnitt durch einen zweischaligen Drallerzeuger,
- Fig. 4
- einen Querschnitt durch einen vierschaligen Drallerzeuger,
- Fig. 5
- eine Ansicht durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind,
- Fig. 6
- eine Ausgestaltung der Uebergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und Mischstrecke,
- Fig. 7
- eine schematische Darstellung des Drallerzeugers nach Fig. 2 mit zurückversetzter
Brennstoffdüse,
- Fig. 8-11
- verschiedene torusähnliche Ausgestaltungen in der Brennerfront zur Stabilisierung
der Rückströmblase.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
[0013] Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100
wirksam, dessen Ausgestaltung in den nachfolgenden Fig. 2-5 noch näher gezeigt und
beschrieben wird. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100 um ein kegelförmiges
Gebilde, das tangential mehrfach von einem tangential einströmenden Verbrennungsluftstromes
115 beaufschlagt wird. Die sich hierein bildende Strömung wird anhand einer stromab
des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Uebergangsgeometrie nahtlos in ein Uebergangsstück
200 übergeleitet, dergestalt, dass dort keine Ablösungsgebiete auftreten können. Die
Konfiguration dieser Uebergangsgeometrie wird unter Fig. 6 näher beschrieben. Dieses
Uebergangsstück 200 ist abströmungsseitig der Uebergangsgeometrie durch ein Mischrohr
20 verlängert, wobei beide Teile die eigentliche Mischstrecke 220 bilden. Selbstverständlich
kann die Mischstrecke 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d.h. dann, dass das Uebergangsstück
200 und das Mischrohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmelzen,
wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Uebergangsstück
200 und Mischrohr 20 aus zwei Teilen erstellt, so sind diese durch einen Buchsenring
10 verbunden, wobei der gleiche Buchsenring 10 kopfseitig als Verankerungsfläche für
den Drallerzeuger 100 dient. Ein solcher Buchsenring 10 hat darüber hinaus den Vorteil,
dass verschiedene Mischrohre eingesetzt werden können. Abströmungsseitig des Mischrohres
20 befindet sich die eigentliche Brennkammer 30, welche hier lediglich durch ein Flammrohr
versinnbildlicht ist. Die Mischstrecke 220 erfüllt weitgehend die Aufgabe, dass stromab
des Drallerzeugers 100 eine definierte Strecke bereitgestellt wird, in welcher eine
perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt werden kann. Diese
Mischstrecke, also vordergründig das Mischrohr 20, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie
Strömungsführung, so dass sich auch in Wirkverbindung mit der Uebergangsgeometrie
zunächst keine Rückströmzone oder Rückströmblase bilden kann, womit über die Länge
der Mischstrecke 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluss ausgeübt
werden kann. Diese Mischstrecke 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche
darin besteht, dass in ihr selbst das Axialgeschwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes
Maximum auf der Achse besitzt, so dass eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer
nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, dass bei einer solchen Konfiguration
diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich
zu unterbinden, wird das Mischrohr 20 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer
Anzahl regelmässig oder unregelmässig verteilter Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte
und Richtungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres
20 strömt, und entlang der Wand im Sinne einer Filmlegung eine Erhöhung der Geschwindigkeit
induzieren. Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin,
dass der Durchflussquerschnitt des Mischrohres 20 abströmungsseitig der Uebergangskanäle
201, welche die bereits genannten Uebergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt,
wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 20 angehoben
wird. In der Figur verlaufen diese Bohrungen 21 unter einem spitzen Winkel gegenüber
der Brennerachse 60. Des weiteren entspricht der Auslauf der Uebergangskanäle 201
dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 20. Die genannten Uebergangskanäle
201 überbrükken demnach den jeweiligen Querschnittsunterschied, ohne dabei die gebildete
Strömung negativ zu beeinflussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der
Rohrströmung 40 entlang des Mischrohres 20 einen nicht tolerierbaren Druckverlust
auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende dieses Mischrohres
ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres
20 schliesst sich sodann eine Brennkammer 30 an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten
ein durch eine Brennerfront 70 gebildeter Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier
bildet sich eine zentrale Rückströmzone 50, 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 50. Stirnseitig weist die Brennkammer 30 eine Anzahl Oeffnungen
31 auf, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung strömt, und dort
unteren anderen dazu beiträgt, dass die Ringstabilisation der Rückströmzone 50 gestärkt
wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, dass die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone
50 auch eine ausreichend hohe Drallzahl in einem Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst
unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter
Luftströmungen am Rohrende, beispielsweise durch tangentiale Oeffnungen, erzeugt werden.
Dabei geht man hier davon aus, dass die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der
Gesamtluftmenge beträgt. Was die Ausgestaltung der Brennerfront 70 am Ende des Mischrohres
20 zur Stabilisierung der Rückströmzone oder Rückströmblase 50 betrifft, wird auf
die Beschreibung unter Fig. 8-11 verwiesen.
[0014] Um den Aufbau des Drallerzeugers 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn
gleichzeitig zu Fig. 2 mindestens Fig. 3 herangezogen wird. Des weiteren, um diese
Fig. 2 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Figur
3 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden.
Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 2 nach Bedarf auf die genannten Figuren
hingewiesen.
[0015] Der erste Teil des Brenners nach Fig. 1 bildet den nach Fig. 2 gezeigten Drallerzeuger
100. Dieser besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt
zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Anzahl der kegelförmigen Teilkörper kann
selbstverständlich grösser als zwei sein, wie die Figuren 4 und 5 zeigen; dies hängt
jeweils, wie weiter unten noch näher zur Erläuterung kommen wird, von der Betreibungsart
des ganzen Brenners ab. Es ist bei bestimmten Betriebskonstellationen nicht ausgeschlossen,
einen aus einer einzigen Spirale bestehenden Drallerzeuger vorzusehen. Die Versetzung
der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 201b, 202b der kegeligen Teilkörper
101, 102 zueinander schafft bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher Anordnung,
jeweils einen tangentialen Kanal, d.h. einen Lufteintrittsschlitz 119, 120 (Fig. 3),
durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Drallerzeugers 100, d.h. in
den Kegelhohlraum 114 desselben strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101,
102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich,
je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine
zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Trompete resp. Tulpe.
Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann
ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen
je einen zylindrischen Anfangsteil 101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegeligen
Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze
119, 120 über die ganze Länge des Drallerzeugers 100 vorhanden sind. Im Bereich des
zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 vorzugsweise für einen flüssigen Brennstoff
112 untergebracht, deren Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt des durch
die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraumes 114 zusammenfällt. Die
Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen
Parametern des jeweiligen Brenners. Selbstverständlich kann der Drallerzeuger 100
rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, ausgeführt sein. Die
kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109
auf, welche entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und
mit Eindüsungsöffnungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger
Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie
dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind
vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den
Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten.
Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff 112 handelt es sich, wie erwähnt,
im Normalfall um einen flüssigen Brennstoff, wobei eine Gemischbildung mit einem anderen
Medium ohne weiteres möglich ist. Dieser Brennstoff 112 wird unter einem spitzen Winkel
in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich sonach ein kegeliges
Brennstoffspray 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft
115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes
112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer Vermischung
Richtung Verdampfung abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 113 über die Oeffnungsdüsen
117 eingebracht, geschieht die Bildung des Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende
der Lufteintrittsschlitze 119, 120. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt,
oder beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas oder Abgas angereichert, so unterstützt
dies nachhaltig die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112, bevor dieses Gemisch
in die nachgeschaltete Stufe strömt. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn
über die Leitungen 108, 109 flüssige Brennstoffe zugeführt werden sollten. Bei der
Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich des Kegelwinkels und der
Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind an sich enge Grenzen einzuhalten,
damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 am Ausgang des Drallerzeugers
100 einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen
Lufteintrittsschlitze 119, 120 die schnellere Bildung einer Rückströmzone bereits
im Bereich des Drallerzeugers begünstigt. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Drallerzeugers
100 lässt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes
verändern. Eine entsprechende Drallerzeugung verhindert die Bildung von Strömungsablösungen
innerhalb des dem Drallerzeuger 100 nachgeschalteten Mischrohr. Die Konstruktion des
Drallerzeugers 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen
Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des
Drallerzeugers 100 eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann.
Selbstverständlich sind die Teilkörper 101, 102 auch in einer anderen Ebene zueinander
verschiebbar, wodurch sogar eine Ueberlappung derselben vorgesehen werden kann. Es
ist des weiteren möglich, die Teilkörper 101, 102 durch eine gegenläufig drehende
Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln. Somit ist es möglich, die Form,
die Grösse und die Konfiguration der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 beliebig
zu variieren, womit der Drallerzeuger 100 ohne Veränderung seiner Baulänge universell
einsetzbar ist.
[0016] Aus Fig. 3 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b
hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge,
das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungsrichtung gegenüber
der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in
den Kegelhohlraum 114 kann durch Oeffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 121a, 121b
um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten
Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche
Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 dynamisch verändert werden
soll. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen
werden, indem bedarfsmässige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen
Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Drallerzeuger 100 auch ohne Leitbleche
betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vogesehen werden.
[0017] Fig. 4 zeigt gegenüber Fig. 3, dass der Drallerzeuger 100 nunmehr aus vier Teilkörpern
130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen zu jedem
Teilkörper sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Konfiguration ist zu
sagen, dass sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringeren Drallstärke und im Zusammenwirken
mit einer entsprechend vergrösserten Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen
der Wirbelströmung abströmungsseitig des Drallerzeugers im Mischrohr zu verhindern,
womit das Mischrohr die ihm zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.
[0018] Fig. 5 unterscheidet sich gegenüber Fig. 4 insoweit, als hier die Teilkörper 140,
141, 142, 143 eine Schaufelprofilform haben, welche zur Bereitstellung einer gewissen
Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Drallerzeugers die
gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Verbrennungsluftstromes
115 geschieht aus dem Innern der Schaufelprofile heraus, d.h. die Brennstoffleitung
108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert. Auch hier sind die Längssymmetrieachsen
zu den einzelnen Teilkörpern mit der Buchstabe a gekennzeichnet.
[0019] Fig. 6 zeigt das Uebergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Uebergangsgeometrie
ist für einen Drallerzeuger 100 mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 4 oder
5, aufgebaut. Dementsprechend weist die Uebergangsgeometrie als natürliche Verlängerung
der stromauf wirkenden Teilkörper vier Uebergangskanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche
der genannten Teilkörper verlängert wird, bis sie die Wand des Mischrohres schneidet.
Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip,
als den unter Fig. 2 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung
verlaufende Fläche der einzelnen Uebergangskanäle 201 weist eine in Strömungsrichtung
spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt,
entsprechend der Tatsache, dass sich vorliegend der Durchflussquerschnitt des Uebergangsstückes
200 in Strömungsrichtung konisch erweitert. Der Drallwinkel der Uebergangskanäle 201
in Strömungsrichtung ist so gewählt, dass der Rohrströmung anschliessend bis zum Querschnittssprung
am Brennkammereintritt noch eine genügend grosse Strecke verbleibt, um eine perfekte
Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerkstelligen. Ferner erhöht sich
durch die oben genannten Massnahmen auch die Axialgeschwindigkeit an der Mischrohrwand
stromab des Drallerzeugers. Die Uebergangsgeometrie und die Massnahmen im Bereich
des Mischrohres bewirken eine deutliche Steigerung des Axialgeschwindigkeitsprofils
zum Mittelpunkt des Mischrohres hin, so dass der Gefahr einer Frühzündung entscheidend
entgegengewirkt wird.
[0020] Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Drallerzeugers 100a, der unter den
vorangehenden Fig. 2-5 näher beschrieben worden ist. Wesentlich an Fig. 7 ist die
Darstellung der mittig plazierten Brennstoffdüse 103a, welche gegenüber dem Anfang
125 des kegeligen Durchflussquerschnittes stromauf zurückversetzt ist, wobei die Strecke
126 von dem gewählten Spraywinkel 105 abhängt, und sie ist ca. so lang wie der Durchmesser
des dortigen Querschnittes. Durch diese Versetzung kömmt die Mündung 104 der Brennstoffdüse
103a im Bereich der kopfseitigen festen Ummantelung 101a, 102a zu stehen. Das durch
die Rückversetzung der Brennstoffdüse 103a entstehende Brennstoffspray 105 tritt mit
einem grösseren Kegelradius in den von der Hauptströmung der Verbrennungsluft in den
Innenraum 114 des Brenners abgedeckten Bereich ein, so dass sich das Brennstoffspray
105 in diesem Bereich nicht mehr als einen festen kompakten Körper verhält, sondern
bereits zu Tropfen zerfallen ist und demnach leicht durchdringbar ist. Die Zuströmung
der Verbrennungsluft 115 in das Brennstoffspray 105 wird nicht mehr behindert, was
sich auf die Mischungsqualität im positiven Sinne niederschlägt, dadurch, dass das
Brennstoffspray 105 leichter durch die Verbrennungsluft durchdrungen werden kann.
Darüber hinaus, im Bereich der Ebene der Brennstoffspray-Mündung 104 sind radial oder
quasi-radial angeordnete Oeffnungen 124 vorgesehen, durch welche eine Spülluft in
den von der Grösse der Brennstoffdüse 103a induzierten Querschnitt einströmt. Der
Durchflussquerschnitt dieser Oeffnungen 124 wird so gewählt, dass im Gasbetrieb der
durch diese Oeffnungen strömenden Luftmassenstrom nicht ausreicht, um die Rückströmzone
(Vgl. Fig. 1) weiter stromab zu verschieben. Im Flüssigbrennstoffbetrieb wirkt das
Brennstoffspray 105 praktisch als Strahlpumpe, womit sich der Luftmassenstrom durch
die genannten Oeffnungen 124 erhöht. Dies bewirkt einen grösseren axialen Impuls,
der die Rückströmzone weiter stromab verschiebt, was als gute Massnahme gegen eine
Rückzündung der Flamme wirkt. Auf die schematisch dargestellten kegelförmigen Teilkörper
101, 102 wird in Fig. 2-5 näher eingegangen. Dort werden auch Konfiguration und Wirkungsweise
der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 näher behandelt.
[0021] Fig. 8 zeigt, wie am Ende des Mischrohres 20, entlang der radialen Abschlusskante,
welche die Brennerfront 70 bildet, brennkammerseitig ein Torus 71 ausgespart ist.
Grundsätzlich hängt die Grösse dieses Toruses von der Hauptströmung 40 innerhalb der
zur Mischstrecke gehörenden Mischrohres 20: Der Torus 71 wird so gewählt, dass sich
die Hauptströmung 40 an eine von ihr gebildete Torusströmung 72 anlegt, womit die
Drallzahl stark ansteigt. Gleichzeitig resultiert aus dieser Anlegung eine gegenüber
der Brennerachse 60 schrägverlaufende umgelenkte Hauptströmung 73, welche sich tangential
zu der Torusströmung 72 entwickelt. Diese ursächlich von dem Torus 71 induzierte Strömungsdynamik
ist dafür verantwortlich, dass sich die Rückströmblase 50 gegenüber einer Strömung
ohne Torus gewaltig vergrössert, wie dies in Fig. 1 bildlich angedeutet ist, und daraus
eine Verstärkung der Flammenstabilisierung in diesem Bereich induziert. Der aus dieser
Fig. 8 ersichtliche Torus 71 beschreibt einen Halbkreis, beginnend an der Innenkante
des Mischrohres 20. Die verbleibende Abschlusskante 70 in radialer Richtung bleibt
über den Verlauf des halbkreisförmigen Toruses 71 unverändert.
[0022] Fig. 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Toruses. Dieser ist nun von viertelkreisförmigem
Verlauf 74 und geht dann in eine radiale Abschlusskante 75 über, welche von der ursprünglichen
Brennerfront 70 gemäss Fig. 8 abgesetzt ist. Auch hier entsteht eine starke Steigerung
der Drallzahl, und aus oben dargelegten Gründen eine Stärkung der Rückströmblase 50.
[0023] Bereits aus diesen zwei Beispielen ist ersichtlich, dass die Ausbildung der Torusse
verschiedentlich sein kann. Wichtig dabei ist, dass die Torusströmung 72 durch die
Hauptströmung 40 angetrieben wird, und die letztgenannte dann im Sinne der Abbildungen
umgelenkt wird.
[0024] Fig. 10 entspricht, was den Verlauf des Toruses 71 betrifft, die Gestaltung gemäss
Fig. 8. Die Weiterentwicklung betrifft hier die Torusströmung 72, welche zusätzlich
zu der Hauptströmung 40 noch durch eine Sekundärströmung 76 angetrieben wird. Diese
Sekundärströmung 76 bildet zugleich eine Kühlluftströmung für die die Brennerfront
bildende Abschlusskante 70.
[0025] Fig. 11 ist eine weitere Ausgestaltung von Fig. 10, wobei hier eine grundsätzliche
Möglichkeit gezeigt wird, wie im Zusammenhang mit der Bildung der Torusströmung 72
eine Pilotstufe 77 mitintegriert werden kann. Ein zur Pilotstufe 77 gehöriger und
axial verlaufender Kanal bringt Brennstoff in die Torusströmung 72 ein, und sorgt
für eine Brennstoffpilotierung, wobei dieser Kanal in etwa an höchste Stelle des Toruses
71 einmündet.
Bezugszeichenliste
[0026]
- 10
- Buchenring
- 20
- Mischrohr, Teil der Mischstrecke 220
- 21
- Bohrungen, Oeffnungen
- 30
- Brennkammer
- 31
- Oeffnungen
- 40
- Strömung, Rohrströmung im Mischrohr, Hauptströmung
- 50
- Rückströmzone, Rückströmblase
- 60
- Brennerachse
- 70
- Abschlusskante, Brennerfront
- 71
- Verlauf des Toruses
- 72
- Torusströmung
- 73
- Umgelenkte Haupströmung
- 74
- Verlauf des Toruses
- 75
- Zurückversetzte Abschlusskante
- 76
- Sekundärströmung, Kühlluft
- 77
- Brennstoffpilotierung, Pilotstufe
- 100
- Drallerzeuger
- 100a
- Drallerzeuger
- 101, 102
- Teilkörper
- 101a, 102b
- Zylindrische Anfangsteile
- 101b, 102b
- Längssymmetrieachsen
- 103
- Brennstoffdüse
- 103a
- Brennstoffdüse
- 104
- Brennstoffeindüsung
- 105
- Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)
- 108, 109
- Brennstoffleitungen
- 112
- Flüssiger Brennstoff
- 113
- Gasförmiger Brennstoff
- 114
- Kegelhohlraum
- 115
- Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)
- 116
- Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen 108, 109
- 117
- Brennstoffdüsen
- 119, 120
- Tangentiale Lufteintrittsschlitze
- 121a, 121b
- Leitbleche
- 123
- Drehpunkt der Leitbleche
- 124
- Oeffnungen
- 125
- Kegelinnenspitze
- 126
- Versetzung der Brennstoffdüse 103a gegenüber 125
- 130, 131, 132, 133
- Teilkörper
- 131a, 131a, 132a, 133a
- Längssymmetrieachsen
- 140, 141, 142, 143
- Schaufelprofilförmige Teilkörper
- 140a, 141a, 142a, 143a
- Längssymmetrieachsen
- 200
- Uebergangsstück, Teil der Mischstrecke 220
- 201
- Uebergangskanäle
- 220
- Mischstrecke
1. Brenner zum Betrieb einer Brennkammer, im wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger
für einen Verbrennungsluftstrom, aus Mitteln zur Eindüsung eines Brennstoffes in den
Verbrennungsluftstrom, wobei stromab des Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet
ist, welche innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung eine Anzahl
Uebergangskanäle zur Ueberführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in ein
stromab dieser Uebergangskanäle nachgeschaltetes in eine Brennerfront übergehendes
Mischrohr aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerfront (70) brennkammerseitig
mit mindestens einer torusähnlichen Einkerbung (71, 74) ausgebildet ist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die torusähnliche Einkerbung
(71) in der Brennerfront (70) einen Halbkreis beschreibt.
3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die torusähnliche Einkerbung
(74) in der Brennerfront (70) einen Viertelkreis beschreibt, der anschliessend in
eine von der Brennerfront (70) abgesetzte Abschlusskante (75) übergeht.
4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der torusähnlichen
Einkerbung (71, 74) am Uebergang zwischen Innenwand des Mischrohres (20) und der Brennerfront
(70) beginnt.
5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die torusähnliche Einkerbung
(71, 74) mindestens mit einem in eine dort gebildeten Torusströmung (72) einmündenden
Kanal zur Einströmung einer Sekundärluft (76) und/oder eines Brennstoffes (77) versehen
ist.
6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Uebergangskanäle
(201) in der Mischstrecke (220) der Anzahl der vom Drallerzeuger (100, 100a) gebildeten
Teilströme entspricht.
7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Uebergangskanälen (201)
nachgeschaltete Mischrohr (20) in Strömungs- und Umfangsrichtung mit Oeffnungen (21)
zur Eindüsung eines Luftstromes ins Innere des Mischrohres (20) versehen ist.
8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen (21) unter einem
spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse (60) des Mischrohres (20) verlaufen.
9. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt des
Mischrohres (20) stromab der Uebergangskanäle (201) kleiner, gleich gross oder grösser
als der Querschnitt der im Drallerzeuger (100, 100a) gebildeten Strömung (40) ist.
10. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Mischstrecke (220)
eine Brennkammer (30) angeordnet ist, dass zwischen der Mischstrecke (220) und der
Brennkammer (30) ein Querschnittssprung vorhanden ist, der den anfänglichen Strömungsquerschnitt
der Brennkammer (30) induziert, und dass im Bereich dieses Querschnittssprunges eine
Rückströmzone (50) wirkbar ist.
11. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Brennerfront (70)
ein Diffusor und/oder eine Venturistrecke vorhanden ist.
12. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (100, 100a)
aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten
Teilkörpern (101, 102; 130, 131, 132, 133; 140, 141, 142, 143) besteht, dass die jeweiligen
Längssymmetrieachsen (101b, 102b; 130a, 131a, 132a, 133a; 140a, 141a, 142a, 143a)
dieser Teilkörper gegeneinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten
Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für
einen Verbrennungsluftstromes (115) bilden, und dass im von den Teilkörpern gebildeten
Innenraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103, 103a) angeordnet ist.
13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentialen
Kanäle (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet
sind.
14. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (140, 141, 142,
143) im Querschnitt eine schaufelförmige Profilierung aufweisen.
15. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper in Strömungsrichtung
einen festen Kegelwinkel, oder eine zunehmende Kegelneigung, oder eine abnehmende
Kegelneigung aufweisen.
16. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper spiralförmig
ineinandergeschachtelt sind.
17. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (103) gegenüber
dem Anfang der tangentialen Kanäle (119, 120) um eine Strecke (126) zurückversetzt
ist.
18. Brenner nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strecke (126) radiale oder
quasi-radiale Kanäle (124) zur Einströmung einer Sekundärluft aufweist.