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EP0777081B1 - Vormischbrenner - Google Patents

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Publication number
EP0777081B1
EP0777081B1 EP96810738A EP96810738A EP0777081B1 EP 0777081 B1 EP0777081 B1 EP 0777081B1 EP 96810738 A EP96810738 A EP 96810738A EP 96810738 A EP96810738 A EP 96810738A EP 0777081 B1 EP0777081 B1 EP 0777081B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
premix burner
burner according
interior space
air
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP96810738A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0777081A3 (de
EP0777081A2 (de
Inventor
Klaus Dr. Döbbeling
Adnan Dr. Eroglu
Hans Peter Knöpfel
Wolfgang Dr. Polifke
Dieter Winkler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Schweiz AG
Publication of EP0777081A2 publication Critical patent/EP0777081A2/de
Publication of EP0777081A3 publication Critical patent/EP0777081A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0777081B1 publication Critical patent/EP0777081B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads
    • F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Definitions

  • the present invention relates to a premix burner according to the preamble of claim 1.
  • Document EP-A-0 629 817 discloses a premix burner a perforated plate for introducing fresh air into the combustion chamber with the effect over the entire axial length of the perforated Plate to achieve an even ranch gas admixture.
  • a burner which essentially consists of a cylindrical chamber, which in turn has several tangentially arranged slots, through which the combustion air inside the chamber flows.
  • these slots at the transition to the interior the chamber, act in the axial direction a number of Fuel nozzles, through which preferably a gaseous one Fuel mixed with the combustion air flowing through there becomes.
  • the interior of the chamber is also with provided a conical body, which is in the direction of flow tapered, being conical in the area of the tip Body more fuel nozzles for one preferably liquid fuel are provided. Downstream from the top of the cone the combustion air becomes ignition for this body brought.
  • the flow in the chamber must itself be subcritical, i.e. the twist count must be here be so small that there is no vortex burst.
  • the critical swirl number can be corrected by three parameters Reaching the place: By changing the width of the tangential slots, and on the other hand by an adjustment the angle of the conical body inside the chamber and by adding a central supporting air, it is swirled or untwisted. Due to the fuel injection in the area of the slots, these are severely limited in their design.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention how it is characterized in the claims, the task lies the basis for a premix burner of the type mentioned Way to improve the quality of the mixture and the risk of reignition to eliminate during the whole operation.
  • the main advantage of the invention is that that the improvement in all spin-stabilized premix burners, especially among those who avail themselves the critical swirl number to form a backflow zone work, lets apply that on the principle two or more staggered partial shells are constructed, the offset partial shells air inlet slots form the parallel, opening or closing to the burner axis run.
  • FIG. 2 or 3 In order to better understand the structure of the premix burner 1 it is advantageous if also FIG. 2 or 3 can be used. Furthermore, not unnecessary to Fig. 1 The supply channels 11c are confusing and 12c according to FIG. 2 or 3 have not been shown in more detail. in the the following will be as needed in the description of FIG. 1 referred to the remaining FIGS. 2 and 3.
  • the premix burner according to FIG. 1 consists of two hollow partial shells 11, 12 which are nested in one another offset from one another (cf. FIG. 2).
  • the offset of the respective central axis or longitudinal axis of symmetry 11b, 12b (see FIG. 2) to one another creates a tangential air inlet slot 11a, 12a on both sides, in a mirror-image arrangement, through which a combustion mixture 15 is formed in one of the partial shells 11, 12 Interior 20 of the premix burner 1 flows.
  • the configuration of these air inlet slots 11a, 12a is discussed in more detail below.
  • the shells 11, 12 mentioned are cylindrical in the direction of flow.
  • the flow cross section formed by the interior 20 can, however, be designed to decrease or increase in the flow direction, depending on the application, regularly or irregularly.
  • a flow cross-section of the interior 20 designed as a venturi tube in the flow direction is to serve as an example here.
  • the design options mentioned are not shown in any more detail, since they are readily apparent to the person skilled in the art.
  • Arranged in the interior 20 is a conical inner body 13, which tapers in the direction of flow, extends far into the interior 20 and largely tapers out.
  • the conical configuration of this inner body 13 is not limited to the shape shown: An outer shape of this inner body 13 as a diffuser or confuser is also possible.
  • the inner body 13 is traversed by at least one bore 14, through which a liquid fuel 16 is preferably directed into the front area.
  • the injection of the liquid fuel 16 in the area of the tip of the inner body 13 forms the head stage of the premix burner 1.
  • the inner body 13 can easily be supplemented with a swirl generator, not shown in the figure, which supports the mixing of the injected fuel 16.
  • the flow cross-section of the interior 20 experiences a cross-sectional jump via a front wall 17, the cross-section of which then forms the flow cross-section of the flame tube 21.
  • the front wall 17 itself has a number of bores through which dilution air or cooling air 19 is fed to the front area of the combustion chamber 22 as required.
  • the combustion mixture 15 consists of air and fuel (see FIG. 2).
  • the combustion mixture 15 can also contain portions of a recirculated exhaust gas or an amount of steam. It generally applies that within the cross-sectional jump in the area of the front wall 17 a flow-like edge zone is formed, in which vortex detachments occur due to the negative pressure prevailing there, which in turn support flame stabilization.
  • the previously mentioned dilution air or cold air 19 is admixed.
  • the combustion mixture 15 flowing tangentially into the interior 20 creates a swirl of the medium around the inner body 13.
  • a vortex burst occurs, a homogeneous fuel concentration depending on the formation of the tangential air inlet slots or on the installation of vortex generators in the area of the air inlet slots.
  • the ignition takes place at the top of the return flow zone 18: only at this point can a stable flame front arise.
  • a backlash of the flame into the interior 20 of the premix burner 1, as is always latent in the case of the premixing sections which have become known, while remedial action is sought there with complicated flame holders is not to be feared here for the reasons mentioned.
  • combustion air is additionally preheated or enriched with one of the media mentioned, this supports the evaporation of the liquid fuel 16 brought in through the inner body 13.
  • the inner body 13 With designing the inner body 13 with regard to the conical configuration and the width of the tangential air inlet slots 11a, 12a, there are narrow limits to be observed so that the desired flow field, ie the critical swirl number, of the combustion mixture 15 can be set at the outlet of the interior 20.
  • the axial speed of the combustion mixture 15 within the interior 20 of the premix burner 1 can be changed by supplying an axial combustion air flow (not shown in more detail).
  • the design of the premix burner 1 is furthermore excellently suitable for changing the size of the tangential air inlet slots 11a, 12a, so that a relatively large operating bandwidth can be recorded without changing the overall length of the premix burner 1.
  • Fig. 2 shows the configuration of the nested Partial shells 11, 12.
  • the partial shells 11, 12 can also be moved relative to one another via this plane, i.e. it is readily possible to overlap them in the Area of the tangential air inlet slots 11a, 12a accomplish.
  • the tangential Air inlet slots 11a, 12a each form the outlet opening a feed channel 11c, 12c, in which detached from the interior 20, the combustion mixture 15 is formed before it flows into this interior 20.
  • the feed channels 11c, 12c In enough Distance upstream of the tangential air inlet slots 11a, 12a, the feed channels 11c, 12c have vortex generators 11d, 12d on the air flowing in there 23 swirl integrally. At a reasonable distance downstream this vortex generator 11d, 12d, the injection of one is preferred gaseous fuel 24 made, with what then along the remaining route of the feed channels 11c, 12c can form the desired air / fuel mixture before this as a combustion mixture 15 in integrally the same Consistency over the entire length of the tangential air inlet slots 11a, 12a flows into the interior 20.
  • the feed channels 11c, 12c shown have a largely cylindrical shape, its length and flow cross-section designed for optimal air / fuel premixing are.
  • the one to be formed within the feed channels 11c, 12c Flow must be designed so that from the interior 20, if the flame front becomes unstable, There is no risk of reignition: due to the arrangement shown the vortex generator 11d, 12d opposite the fuel injection 24 there is no risk of reignition. On the transfer the central axes 11b, 12b have already been shown in FIG. 1 discussed in more detail.
  • FIG. 3 shows, in contrast to FIG. 2, feed channels, which are at a reasonable distance from the tangential air inlet slots 11a, 12a have a venturi mixer 25a, 25b.
  • the fuel injection 24 is at the narrowest point performed. There is also the greatest speed which ensures the best possible mixture formation is, again with the exclusion of a risk of reignition. Otherwise, the structure of FIG. 3 corresponds to that of Fig. 2.
  • Fig. 4 largely corresponds to Fig. 1, here the inner body 13 expanded centrally with a stream of supporting air 26 which is a further measure to create the critical Swirl number in the right place.
  • the number of shells are not on two limited. A larger number can be used without further ado. Becomes a spiral inlet of the combustion mixture 15 sought in the interior 20, this can be done easily through a single tangential air inlet slot to reach.
  • Consists of the premix burner to be formed by the shells a connected pipe, so the tangential Injection into the interior through duct-like bushings through the wall thickness of this pipe.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Gas Burners (AREA)
  • Combustion Of Fluid Fuel (AREA)

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Magere vorgemischte Verbrennung ist ein verbreitetes Verfahren zum Erreichen niedriger Schadstoff-Emissionen, insbesondere Stickoxid-Emissionen, bei der Verbrennung von Brennstoffen mit geringem Gehalt an Stickstoffverbindungen. Aus Publikationen ist bekanntgeworden, dass mit Experimentalbrennern durch Verbesserung der Mischungsgüte von Luft und Brennstoff eine weitere Verringerung der Stickoxid-Emissionen, insbesondere bei der Verbrennung unter hohem Druck, wie dies bei Gasturbinen der Fall ist, möglich ist. Eine Uebertragung solcher Experimentalbrenner auf die Maschinentechnologie ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, da hier hohe Anforderungen bezüglich Flammenstabilisierung und Rückzündsicherheit bestehen. Herkömmliche drallstabilisierte und maschinentaugliche Vormischbrenner mischen den Brennstoff erst kurz vor der Flammenzone in die Verbrennungsluft ein. Untersuchungen in diesem Zusammenhang haben ergeben, dass hiermit noch keine homogene Vermischung von Luft und Brennstoff bis zur Flammenzone erreicht werden kann. Eine Verlegung der Brennstoffeindüsung stromauf zur Verlängerung der Mischungszeit und damit Verbesserung der Mischungsgüte ist wegen der damit verbundenen Rückzündungsgefahr in einem maschinentauglichen Brenner nicht zugelassen.
Dokument EP-A-0 629 817 offenbart einen Vormischbrenner mit einer Lochplatte zur Einbringung von Frischluft in den Brennraum mit dem Effekt über die ganze axialen Länge der perforierten Platte eine gleichmäßige Ranchgas- Zumischung zu erreichen.
Aus WO 93/17279 ist ein Brenner bekanntgeworden, der im wesentlichen aus einer zylindrischen Kammer besteht, welche ihrerseits mehrere tangential angeordnete Schlitze auf weist, durch welche die Verbrennungsluft ins Innere der Kammer strömt. Im Bereich dieser Schlitze, am Uebergang zum Innenraum der Kammer, wirken in axialer Richtung eine Reihe von Brennstoffdüsen, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff der dort durchströmenden Verbrennungsluft beigemischt wird. Der Innenraum der Kammer ist des weiteren mit einem kegelförmigen Körper versehen, der sich in Strömungsrichtung verjüngt, wobei im Bereich der Spitze dieses kegelförmigen Körpers weitere Brennstoffdüsen für einen vorzugsweise flüssigen Brennstoff vorgesehen sind. Stromab der Kegelspitze dieses Körpers wird die Verbrennungsluft zur Zündung gebracht. Um die Flamme ausserhalb der Vormischstrecke des Brenners stabil zu halten, muss die Strömung in der Kammer selbst unterkritisch sein, d.h., die Drallzahl muss hier so klein sein, dass es zu keinem Wirbelaufplatzen kommt. Die kritische Drallzahl lässt sich durch drei Parameter am richtigen Ort erreichen: Durch eine Veränderung der Breite der tangentialen Schlitze, und andererseits durch eine Anpassung des Winkels des kegeligen Körpers im Innenraum der Kammer und durch Zugabe einer zentralen Stützluft, sei sie verdrallt oder unverdrallt. Durch die Brennstoffeindüsung im Bereich der Schlitze sind diese in ihrer Auslegung aber stark eingeschränkt. Darüber hinaus lässt sich eine optimale homogene Vermischung von Luft und Brennstoff nicht unmittelbar erreichen, dies gilt insbesondere für jene Brennstoffeindüsungen, die sich am Ende des Brenners befinden, und die sich demnach im unmittelbaren Bereich der Ebene der Flammenfront befinden, womit durch diese Nähe überdies eine latente Rückzündungsgefahr besteht.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vormischbrenner der eingangs genannten Art die Mischungsgüte zu verbessern, und die Rückzündungsgefahr während des ganzen Betriebes zu eliminieren.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass sich die Verbesserung bei allen drallstabilisierten Vormischbrennern, insbesondere bei denjenigen, die unter Inanspruchnahme der kritischen Drallzahl zur Bildung einer Rückströmzone funktionieren, anwenden lässt, die nach dem Prinzip zweier oder mehrerer versetzter Teilschalen aufgebaut sind, wobei die versetzten Teilschalen Lufteinströmungsschlitze bilden, die parallel, öffnend oder schliessend zur Brennerachse verlaufen.
Dasselbe gilt auch für jene Brenner, bei welchen die Aussenschale aus einem einheitlichen Körper in Form eines Rohres besteht, und die Lufteinströmung ins Innere durch eine Anzahl von tangential angeordneten Kanälen geschieht.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen 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
Es zeigt:
Fig. 1
eine schematische Darstellung eines Vormischbrenners, mit versetzten Teilschalen und einem kegelförmigen Innenkörper,
Fig. 2
einen Schnitt durch den Vormischbrenner längs Ebene II.-II. aus Fig. 1, wobei der Vormischbrenner verlängernde Kanäle mit Wirbelerzeugern stromauf der Lufteintrittsschlitze aufweist,
Fig. 3
eine weitere Darstellung gemäss Fig. 2, wobei die verlängernden Kanäle mit einem Venturimischer ausgestattet sind und
Fig. 4
einen weiteren Vormischbrenner, im wesentlichen nach Fig. 1, jedoch mit einer zentralen Stützluft.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Um den Aufbau des Vormischbrenners 1 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 1 auch Fig. 2 oder 3 herangezogen werden. Des weiteren, um Fig. 1 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind die Zuführungskanäle 11c und 12c gemäss Fig. 2 oder 3 nicht näher gezeigt worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 1 nach Bedarf auf die restlichen Fig. 2 und 3 hingewiesen.
Der Vormischbrenner nach Fig. 1 besteht aus zwei hohlen Teilschalen 11, 12, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind (Vgl. hierzu Fig. 2). Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachse 11b, 12b (Vgl. Fig. 2) zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, je einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 11a, 12a frei, durch welche ein Verbrennungsgemisch 15 in einen von den Teilschalen 11, 12 gebildeten Innenraum 20 des Vormischbrenners 1 strömt. Auf die Ausgestaltung dieser Lufteintrittsschlitze 11a, 12a wird unten näher eingegangen. Die genannten Schalen 11, 12 verlaufen in Strömungsrichtung zylindrisch.
Der vom Innenraum 20 gebildeten Durchflussquerschnitt kann indessen in Strömungsrichtung, je nach Einsatz, regelmässig oder unregelmässig abnehmend oder zunehmend ausgestaltet sein. Als Beispiel soll hier ein in Strömungsrichtung als Venturirohr ausgebildeter Durchflussquerschnitt des Innenraumes 20 dienen. Die genannten Ausführungsmöglichkeiten sind nicht näher gezeigt, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. In dem Innenraum 20 ist ein kegelförmiger Innenkörper 13 angeordnet, der sich in Strömungsrichtung verjüngt, bis weit in den Innenraum 20 reicht und weitgehend spitzenförmig ausläuft. Die kegelige Ausgestaltung dieses Innenkörpers 13 ist nicht auf die dargestellte Form beschränkt: Eine äussere Form dieses Innenkörpers 13 als Diffusor oder Konfusor ist auch möglich. Der Innenkörper 13 ist mindestens von einer Bohrung 14 durchzogen, durch welche vorzugsweise ein flüssiger Brennstoff 16 in den vorderen Bereich geleitet wird. Die Eindüsung des flüssigen Brennstoffes 16 im Bereich der Spitze des Innenkörpers 13 bildet die Kopfstufe des Vormischbrenners 1. In diesem Bereich lässt sich der Innenkörper 13 ohne weiteres mit einem in der Figur nicht gezeigten Drallerzeuger ergänzen, der die Vermischung des eingedüsten Brennstoffes 16 unterstützt. Brennraumseitig 22 erfährt der Durchflussquerschnitt des Innenraumes 20 über eine Frontwand 17 einen Querschnittssprung, dessen Querschnitt dann den Durchflussquerschnitt des Flammenrohres 21 bildet. In dieser Ebene bildet sich auch die Rückströmzone oder Rückströmblase 18, welche die Flammenstabilisierung induziert. Die Frontwand 17 selbst weist eine Anzahl Bohrungen auf, durch welche nach Bedarf Verdünnungsluft oder Kühlluft 19 dem vorderen Bereich des Brennraumes 22 zugeführt wird. Die Flammenstabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht, die Kompaktheit der Flamme infolge einer radialen Verflachung zu stützen, was auch im Hinblick auf die Brennstoffeindüsung durch die Kopfstufe wichtig ist. Das Verbrennungsgemisch 15 besteht aus Luft und Brennstoff (Vgl. Fig. 2). Selbstverständlich kann das Verbrennungsgemisch 15 auch Anteile eines rückgeführten Abgases oder eine Dampfmenge enthalten. Allgemein gilt, dass sich innerhalb des Querschnittssprunges im Bereich der Frontwand 17 eine strömungsmässige Randzone bildet, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, welche dann ihrerseits die Flammenstabilisierung unterstützen. Je nach Grad der Unterstützung wird die bereits erwähnte Verdünnungsluft oder Kaltluft 19 zugemischt. Durch das tangential in den Innenraum 20 einströmende Verbrennungsgemisch 15 entsteht um den Innenkörper 13 herum eine Verdrallung des Mediums. Im Bereich der Ebene der Frontwand 17 bildet sich aufgrund der dort entstehenden überkritischen Drallströmung ein Wirbelaufplatzen, wobei eine homogene Brennstoffkonzentration von der Ausbildung der tangentialen Lufteintrittsschlitze oder vom Einbau von Wirbelerzeugern im Bereich der Lufteintrittsschlitze abhängt. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 18: Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront entstehen. Ein Rückschlag der Flamme in den Innenraum 20 des Vormischbrenners 1, wie dies bei den bekanntgewordenen Vormischstrecken stets latent gegeben ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier aus genannten Gründen nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft zusätzlich vorgeheizt oder mit einem der erwähnten Medien angereichert, so unterstützt dies die Verdampfung des durch den Innenkörper 13 herangeführten flüssigen Brennstoff 16. Bei der Gestaltung des Innenkörpers 13 hinsichtlich der kegeligen Konfiguration und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld, d.h. die kritische Drallzahl, des Verbrennungsgemisches 15 am Ausgang des Innenraumes 20 einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung des Durchflussquerschnittes der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a die Rückströmzone 18 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann das Gemisch früher zur Zündung kommt, was hier die Gefahr einer Kollision mit der Spitze des Innenkörpers 13 auslösen kann, wenn dieser zu weit in den Innenraum 20 reicht. Immerhin kann festgehalten werden, dass die einmal fixierte Rückströmzone 18 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Kegelform des Innenkörpers 13 zu. Selbstverständlich kann der Durchflussquerschnitt der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a in Strömungsrichtung veränderbar gestaltet werden, beispielsweise in Strömungsrichtung abnehmend, dies um die Rückströmzone 18 am Ausgang des Innenraumes 20 stabiler zu gestalten. Die Axialgeschwindigkeit des Verbrennungsgemisches 15 innerhalb des Innenraumes 20 des Vormischbrenners 1 lässt sich durch eine nicht näher gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Die Konstruktion des Vormischbrenners 1 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Vormischbrenners 1 eine relativ grosse Betriebsbandbreite erfasst werden kann.
Fig. 2 zeigt die Konfiguration der ineinandergeschachtelten Teilschalen 11, 12. Selbstverständlich sind die Teilschalen 11, 12 auch über diese Ebene zueinander verschiebbar, d.h., es ist ohne weiteres möglich, eine Ueberlappung derselben im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a zu bewerkstelligen. Es ist des weiteren auch möglich, die Teilschalen 11, 12 durch eine gegenläufige drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln. Somit lassen sich Form und Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a so varieren, dass die Drallerzeugung im Vormischbrenner 1 den jeweiligen Verhältnissen angepasst werden kann. Die tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a bilden jeweils die Austrittsöffnung eines Zuführungskanals 11c, 12c, in welchem weit losgelöst vom Innenraum 20 das Verbrennungsgemisch 15 gebildet wird, bevor es in diesen Innenraum 20 strömt. In genügendem Abstand stromauf der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a weisen die Zuführungskanäle 11c, 12c Wirbelerzeuger 11d, 12d auf, welche die dort einströmende Luft 23 integral verdrallen. In angemessenem Abstand stromabwärts dieser Wirbelerzeuger 11d, 12d wird die Eindüsung eines vorzugsweise gasförmigen Brennstoffes 24 vorgenommen, womit sich dann entlang der restlichen Strecke der Zuführungskanäle 11c, 12c das angestrebte Luft/Brennstoff-Gemisch bilden kann, bevor dieses als Verbrennungsgemisch 15 in integral gleicher Konsistenz über die ganze Länge der tangentialen Lufteintrittsschlitze 11a, 12a in den Innenraum 20 strömt. Die hier gezeigten Zuführungskanäle 11c, 12c weisen eine weitgehend zylindrische Form auf, deren Länge und Durchflussquerschnitt auf eine optimale Luft/Brennstoff-Vorvermischung ausgelegt sind. Die innerhalb der Zuführungskanäle 11c, 12c zu bildende Strömung muss so ausgelegt sein, dass vom Innenraum 20 her, falls eine Unstabilität der Flammenfront entstehen sollte, keine Rückzündungsgefahr aufkommt: Durch die gezeigte Anordnung der Wirbelerzeuger 11d, 12d gegenüber der Brennstoffeindüsung 24 besteht keine Rückzündungsgefahr. Auf die Versetzung der Mittelachsen 11b, 12b wurde bereits unter Fig. 1 näher eingegangen.
Fig. 3 zeigt, im Unterschied zu Fig. 2, Zuführungskanäle, welche in angemessenem Abstand zu den tangentialen Lufteintrittsschlitzen 11a, 12a ein Venturimischer 25a, 25b aufweisen. Die Brennstoffeindüsung 24 wird an der engsten Stelle vorgenommen. Dort herrscht auch die grösste Geschwindigkeit vor, womit eine bestmögliche Gemischbildung sichergestellt ist, wiederum unter Ausschaltung einer Rückzündungsgefahr. Ansonsten entspricht der Aufbau von Fig. 3 demjenigen von Fig. 2.
Fig. 4 entspricht weitgehend Fig. 1, wobei hier der Innenkörper 13 zentral mit einem Strom von Stützluft 26 erweitert ist, welche als weitere Massnahme zur Erstellung der kritischen Drallzahl am richtigen Ort dient.
Was die Anzahl Schalen betrifft, so sind sie nicht auf zwei beschränkt. Eine grössere Anzahl ist ohne weiteres einsetzbar. Wird ein spiralförmiger Einlauf des Verbrennungsgemisches 15 in den Innenraum 20 angestrebt, so lässt sich dies ohne weiteres über einen einzigen tangentialen Lufteintrittsschlitz erreichen.
Besteht der von den Schalen zu bildende Vormischbrenner aus einem zusammenhängenden Rohr, so lassen sich die tangentialen Eindüsungen in den Innenraum durch kanalartige Durchführungen durch die Wanddicke ebendieses Rohres erreichen.
Bezugszeichenliste
1
Vormischbrenner
11
Schale
11a
Tangentialer Lufteintrittsschlitz
11b
Mittelachse, Längssymmetrieachse
11c
Zuführungskanal
11d
Wirbelerzeuger
12
Schale
12a
Tangentialer Lufteintrittsschlitz
12b
Mittelachse, Längssymmetrieachse
12c
Zuführungskanal
12d
Wirbelerzeuger
13
Innenkörper
14
Leitung für Brennstoffzuführung durch Innenkörper 13
15
Verbrennungsgemisch aus Luft und Brennstoff
16
Brennstoff, flüssiger Brennstoff
17
Frontwand
18
Rückströmzone, Rückströmblase
19
Verdünnungsluft, Kaltluft
20
Innenraum des Vormischbrenners
21
Flammrohr, Durchflussquerschnitt des Brennraumes 22
22
Brennraum
23
Luft
24
Brennstoff, gasförmiger Brennstoff
25a
Venturimischer
25b
Venturimischer
26
Zentrale Stützluft

Claims (13)

  1. Vormischbrenner mit einem drallstabilisierenden Innenraum (20), der mit einem in Strömungsrichtung des Innenraumes (20) kegelförmig verlaufenden Innenkörper (13) bestückt ist, wobei die Ummantelung des Innenraumes (20) durch mindestens einen in Längserstreckung tangential angeordneten Lufteintrittsschlitz (11a, 12a) für die Durchströmung eines Verbrennungsmediums (15) in den Innenraum (20) durchbrochen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromauf des tangentialen Lufteintrittsschlitzes (11a, 12a) ein Zuführungskanal (11c, 12c) erstreckt, der mindestens mit Mitteln zur Verwirbelung eines Luftstromes (23) und zur Einbringung eines Brennstoffes (24) bestückt ist.
  2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Ummantelung des Innenraumes (20) gebildete Durchflussquerschnitt in Strömungsrichtung zylindrisch verläuft.
  3. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Ummantelung des Innenraumes (20) gebildete Durchflussquerschnitt in Strömungsrichtung die Form einer Venturistrecke aufweist.
  4. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung des Innenraumes (20) aus mindestens zwei versetzt zueinander ineinandergeschachtelten Teilschalen (11, 12) besteht, und dass die benachbarten Wandungen der Teilschalen in deren Längserstreckung tangentiale Lufteintrittsschlitze (11a, 12a) für die Durchströmung des Verbrennungsmediums (15) in den Innenraum bilden.
  5. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Optimierung der Mischungsgüte zwischen Luft (23) und Brennstoff (24) innerhalb des Zuführungskanals (11c, 12c) Wirbelerzeuger (11d, 12d) sind, und dass die Einbringung des Brennstoffes (24) stromab dieser Wirbelerzeuger (11d, 12d) stattfindet.
  6. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (24) an engster Stelle eines im Zuführungskanal (11c, 12c) gebildeten Venturimischers (25a, 25b) einführbar ist.
  7. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Innenraumes (20) ein Brennraum (22) angeordnet ist, dass zwischen Innenraum und Brennraum über eine Frontwand (17) ein Querschnittssprung (21) vorhanden ist, und dass im Bereich der Ebene dieses Querschnittssprunges (21) eine Rückströmzone (18) wirkbar ist.
  8. Vormischbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontwand (17) mit einer Anzahl Oeffnungen zur Zuführung eines Luftstromes (19) in den Brennraum (22) versehen ist.
  9. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkörper (13) mit mindestens einer Brennstoffleitung (14) versehen ist, durch welche ein Brennstoff (16) und/oder eine Stützluft (26) in den Innenraum (20) zuführbar ist.
  10. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkörper (13) im Bereich seiner Spitze mit mindestens einem Drallerzeuger bestückt ist.
  11. Vormischbrenner nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze (11a, 12a) in Längsrichtung des Vormischbrenners (1) einen abnehmenden Durchflussquerschnitt aufweisen.
  12. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelförmig verlaufende Innenkörper (13) die Form eines Diffusors einnimmt.
  13. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennnzeichnet, dass der kegelförmig verlaufende Innenkörper (13) die Form eines Konfusors einnimmt.
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