EP0833104B1 - Burner for operating a combustion chamber - Google Patents
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- EP0833104B1 EP0833104B1 EP97810621A EP97810621A EP0833104B1 EP 0833104 B1 EP0833104 B1 EP 0833104B1 EP 97810621 A EP97810621 A EP 97810621A EP 97810621 A EP97810621 A EP 97810621A EP 0833104 B1 EP0833104 B1 EP 0833104B1
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Definitions
- the present invention relates to a burner according to the preamble of claim 1.
- the upstream side consists of a swirl generator
- Transition channels exist, which are sectoral, according to the Number of acting partial bodies of the swirl generator, the end face the mixing section and in the direction of flow twisted.
- the mixing section has a number of filming holes on what an increase in flow velocity ensure along the pipe wall.
- a combustion chamber the transition between the mixing section and the combustion chamber through a cross-sectional jump is formed, in the plane of which is a backflow zone or Backflow bubble forms.
- the swirl strength in the swirl generator is selected so that that the swirl does not burst within the mixing section, but continues downstream, as stated above in the area of the cross-sectional jump.
- the length of the mixing section is dimensioned so that an adequate Mixing quality is guaranteed for all types of fuel.
- the invention seeks to remedy this.
- the invention how it is characterized in the claims, the task lies based on precautions for a burner of the type mentioned propose which a strengthening of flame stability and an adaptation of the flame to the given one Combustion chamber geometry does this without the other advantages To diminish Brenners in any way.
- the burner front is at the end of the mixing section in the plane of the cross-sectional jump on the combustion chamber side formed with a torus or torus-like notch.
- This configuration means that the Mixing section flowing combustion air to the in the torus creating flow, with which the swirl number of the main flow rises sharply.
- Another embodiment of the invention relates to the relocation the head-side fuel nozzle opposite the inflow the combustion air in a conical shape Swirl generator with tangential air inlet slots.
- This misalignment leads to the mouth of the fuel nozzle upstream of the inflow area, so that Fuel spray from the fuel nozzle with a larger one Spray radius can be injected into the main flow.
- This precaution is achieved in that the fuel spray first contact with the combustion air from a film has decayed into drops, and the conical surface of this Fuel sprays in this area increased by a factor has what improves the spread of the fuel spray and does not hinder the inflow of combustion air.
- Another advantage of the invention is that the purge air through the openings in the area of the mouth Fuel nozzle wetting the inner wall of the conical Swirl generator prevented.
- Fig. 1 shows the overall structure of a burner.
- a swirl generator 100 effective, the design of which in the following Fig. 2-5 shown and described in more detail becomes.
- This swirl generator 100 is a conical structure, the tangential multiple of a tangential inflowing combustion air flow 115 is applied becomes.
- the flow that forms here is based on a transition geometry provided downstream of the swirl generator 100 transitioned seamlessly into a transition piece 200, in such a way that no separation areas can occur there.
- the configuration of this transition geometry is under Fig. 6 described in more detail.
- This transition piece is 200 downstream of the transition geometry through a mixing tube 20 extended, both parts of the actual mixing section Form 220.
- the mixing section 220 can consist of a single piece, i.e.
- the conical shape of the partial bodies 101, 102 shown in the flow direction has a specific fixed angle.
- the partial bodies 101, 102 can have an increasing or decreasing cone inclination in the flow direction, similar to a trumpet or. Tulip. The last two forms are not included in the drawing, since they can be easily understood by a person skilled in the art.
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a burner according to the preamble of claim 1.
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. From EP-0 704 657 a burner has become known, the upstream side consists of a swirl generator, the herein formed flow seamlessly transferred into a mixing section becomes. This is done using one at the beginning of the mixing section for this purpose formed transition geometry, which consists of Transition channels exist, which are sectoral, according to the Number of acting partial bodies of the swirl generator, the end face the mixing section and in the direction of flow twisted. Downstream of these transition channels the mixing section has a number of filming holes on what an increase in flow velocity ensure along the pipe wall. Then follows a combustion chamber, the transition between the mixing section and the combustion chamber through a cross-sectional jump is formed, in the plane of which is a backflow zone or Backflow bubble forms.
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.The swirl strength in the swirl generator is selected so that that the swirl does not burst within the mixing section, but continues downstream, as stated above in the area of the cross-sectional jump. The length of the mixing section is dimensioned so that an adequate Mixing quality is guaranteed for all types of fuel.
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.Although this burner compared to those from the previous one State of the art a significant improvement in terms of strengthening flame stability, deeper Pollutant emissions, lower pulsations, complete Burnout, large operating area, good cross-ignition between the various burners, compact design, improved Mixture, etc., it shows that a further strengthening flame stability as well as improved Adaptation of the flame to the given combustion chamber geometry for smooth operation at the highest level at the Premix combustion of the newer generation has become necessary is.
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.The invention seeks to remedy this. The invention how it is characterized in the claims, the task lies based on precautions for a burner of the type mentioned propose which a strengthening of flame stability and an adaptation of the flame to the given one Combustion chamber geometry does this without the other advantages To diminish Brenners in any way.
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.For this purpose, the burner front is at the end of the mixing section in the plane of the cross-sectional jump on the combustion chamber side formed with a torus or torus-like notch. This configuration means that the Mixing section flowing combustion air to the in the torus creating flow, with which the swirl number of the main flow rises sharply. Enlarged compared to a current without a torus which are in the area of cross-sectional jump backflow bubble forming enormous. This enlargement is due to radial expansion and axial compactness characterized. This strengthens flame stability and the opportunity through appropriate training of the torus a targeted adaptation of the flame to the to carry out predetermined combustion chamber geometry.
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.Another embodiment of the invention relates to the relocation the head-side fuel nozzle opposite the inflow the combustion air in a conical shape Swirl generator with tangential air inlet slots. This misalignment leads to the mouth of the fuel nozzle upstream of the inflow area, so that Fuel spray from the fuel nozzle with a larger one Spray radius can be injected into the main flow. With This precaution is achieved in that the fuel spray first contact with the combustion air from a film has decayed into drops, and the conical surface of this Fuel sprays in this area increased by a factor has what improves the spread of the fuel spray and does not hinder the inflow of combustion air.
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.Does the fuel nozzle come through its setback in the Area of a solid casing can then be Provide openings around the mouth of the fuel nozzle what purge air in the cross section induced by the fuel nozzle flows in. The flow cross section of these purge air openings as well as the reset of the fuel nozzle chosen so that in gas operation through these openings flowing purge air is not sufficient to the above already to move said backflow bubble further downstream. in the The fuel spray has a practical effect on liquid fuel operation as jet pump, with which the purge air flow through the mentioned openings increased in such a way that a larger axial impulse arises which continues the backflow bubble shifts downstream.
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.Another advantage of the invention is that the purge air through the openings in the area of the mouth Fuel nozzle wetting the inner wall of the conical Swirl generator prevented.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient developments of the inventive Task solutions are in the further claims characterized.
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.In the following, exemplary embodiments are described with reference to the drawings the invention explained in more detail. All for the immediate Understand the invention are non-essential features been left out. The same elements are in the different Figures with the same reference numerals. The The direction of flow of the media is indicated by arrows.
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 Drall-erzeuger,
- 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.
- Fig. 1
- a burner designed as a premix burner with a mixing section downstream of a swirl generator,
- Fig. 2
- a swirl generator consisting of several shells in a perspective view, cut open accordingly,
- Fig. 3
- a cross section through a double-shell swirl generator,
- Fig. 4
- a cross section through a four-shell swirl generator,
- Fig. 5
- 2 shows a view through a swirl generator, the shells of which are profiled in a shovel shape,
- Fig. 6
- an embodiment of the transition geometry between the swirl generator and the mixing section,
- Fig. 7
- 2 shows a schematic representation of the swirl generator according to FIG. 2 with the fuel nozzle set back;
- Fig. 8-11
- Various torus-like designs in the burner front to stabilize the backflow bubble.
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.Fig. 1 shows the overall structure of a burner. Is initially
a
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.In order to better understand the structure of the
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. The first part of the burner according to FIG. 1 forms the
Obtain air / fuel mixture. As mentioned, the
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.The geometric configuration of
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.4 shows that the
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.Fig. 5 differs from Fig. 4 in so far as here
the
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.6 shows the
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. 7 shows a schematic illustration of a
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.Fig. 8 shows how at the end of the mixing
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 50.9 shows a further embodiment of the torus. This
is now of
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. Already from these two examples it can be seen that the
Training of the toruses can be various. Important
is that the
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
70.10 corresponds, as far as the course of the
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.FIG. 11 is another embodiment of FIG. 10, wherein
here a basic possibility is shown, as in
A pilot stage in connection with the formation of the
- 1010th
- BuchenringBeech ring
- 2020th
-
Mischrohr, Teil der Mischstrecke 220Mixing tube, part of the
mixing section 220 - 2121
- Bohrungen, OeffnungenHoles, openings
- 3030th
- BrennkammerCombustion chamber
- 3131
- OeffnungenOpenings
- 4040
- Strömung, Rohrströmung im Mischrohr, HauptströmungFlow, pipe flow in the mixing pipe, main flow
- 5050
- Rückströmzone, RückströmblaseBackflow zone, backflow bubble
- 6060
- BrennerachseBurner axis
- 7070
- Abschlusskante, BrennerfrontEnd edge, burner front
- 7171
- Verlauf des TorusesCourse of the torus
- 7272
- TorusströmungTorus flow
- 7373
- Umgelenkte HaupströmungRedirected main flow
- 7474
- Verlauf des TorusesCourse of the torus
- 7575
- Zurückversetzte AbschlusskanteSet back edge
- 7676
- Sekundärströmung, KühlluftSecondary flow, cooling air
- 7777
- Brennstoffpilotierung, Pilotstufe Fuel piloting, pilot stage
- 100100
- DrallerzeugerSwirl generator
- 100a100a
- DrallerzeugerSwirl generator
- 101, 102101, 102
- TeilkörperPartial body
- 101a, 102b101a, 102b
- Zylindrische AnfangsteileCylindrical starting parts
- 101b, 102b101b, 102b
- LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes
- 103103
- BrennstoffdüseFuel nozzle
- 103a103a
- BrennstoffdüseFuel nozzle
- 104104
- BrennstoffeindüsungFuel injection
- 105105
- Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)Fuel spray (fuel injection profile)
- 108, 109108, 109
- BrennstoffleitungenFuel lines
- 112112
- Flüssiger BrennstoffLiquid fuel
- 113113
- Gasförmiger BrennstoffGaseous fuel
- 114114
- KegelhohlraumCone cavity
- 115115
- Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)Combustion air (combustion air flow)
- 116116
-
Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen 108, 109Fuel injection from
108, 109lines - 117117
- BrennstoffdüsenFuel nozzles
- 119, 120119, 120
- Tangentiale LufteintrittsschlitzeTangential air inlet slots
- 121a, 121b121a, 121b
- LeitblecheBaffles
- 123123
- Drehpunkt der LeitblechePivot point of the guide plates
- 124124
- OeffnungenOpenings
- 125125
- KegelinnenspitzeInner cone tip
- 126126
-
Versetzung der Brennstoffdüse 103a gegenüber 125Displacement of
fuel nozzle 103a from 125 - 130, 131, 132, 133130, 131, 132, 133
- TeilkörperPartial body
- 131a, 131a, 132a, 133a131a, 131a, 132a, 133a
- LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes
- 140, 141, 142, 143140, 141, 142, 143
- Schaufelprofilförmige TeilkörperVane-shaped partial body
- 140a, 141a, 142a, 143a140a, 141a, 142a, 143a
- LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes
- 200200
-
Uebergangsstück, Teil der Mischstrecke 220Transition piece, part of the
mixing section 220 - 201201
- UebergangskanäleTransition channels
- 220220
- MischstreckeMixing section
Claims (18)
- Burner for operating a combustion chamber, essentially comprising a swirl generator for a combustion-air flow and means for injecting a fuel into the combustion-air flow, a mixing section (220) being arranged downstream of the swirl generator, which mixing section (220) has a number of transition passages (201) inside a first part of the section in the direction of flow for passing a flow formed in the swirl generator into a mixing tube (20) arranged downstream of these transition passages and merging into a burner front, characterized in that the burner front (70) is formed with at least one torus-like notch (71, 74) on the combustion-chamber side.
- Burner according to Claim 1, characterized in that the torus-like notch (71) in the burner front (70) describes a semicircle.
- Burner according to Claim 1, characterized in that the torus-like notch (74) in the burner front (70) describes a quadrant, which then merges into an end edge (75) offset from the burner front (70).
- Burner according to Claim 1, characterized in that the profile of the torus-like notch (71, 74) begins at the transition between the inner wall of the mixing tube (20) and the burner front (70).
- Burner according to Claim 1, characterized in that the torus-like notch (71, 74) is provided at least with one passage, leading into a torus flow (72) formed there, for the inflow of secondary air (76) and/or a fuel (77).
- Burner according to Claim 1, characterized in that the number of transition passages (201) in the mixing section (220) corresponds to the number of partial flows formed by the swirl generator (100, 100a).
- Burner according to Claim 1, characterized in that the mixing tube (20) arranged downstream of the transition passages (201) is provided in the direction of flow and in the peripheral direction with openings (21) for injecting an air flow into the interior of the mixing tube (20).
- Burner according to Claim 7, characterized in that the openings (21) run at an acute angle relative to the burner axis (60) of the mixing tube (20).
- Burner according to Claim 1, characterized in that the cross section of flow of the mixing tube (20) downstream of the transition passages (201) is less than, equal to or greater than the cross section of the flow (40) formed in the swirl generator (100, 100a).
- Burner according to Claim 1, characterized in that a combustion chamber (30) is arranged downstream of the mixing section (220), in that there is a jump in cross section between the mixing section (220) and the combustion chamber (30), which jump in cross section induces the initial cross section of flow of the combustion chamber (30), and in that a backflow zone (50) can take effect in the region of this jump in cross section.
- Burner according to Claim 1, characterized in that there is a diffuser and/or a venturi section upstream of the burner front (70).
- Burner according to Claim 1, characterized in that the swirl generator (100, 100a) comprises at least two hollow, conical sectional bodies (100, 102; 130, 131, 132, 133; 140, 141, 142, 143) which are nested one inside the other in the direction of flow, in that the respective longitudinal symmetry axes (101b, 102b; 130a, 131a, 132a, 133a; 140a, 141a, 142a, 143a) of these sectional bodies run mutually offset in such a way that the adjacent walls of the sectional bodies form ducts (119, 120), tangential in their longitudinal extent, for a combustion-air flow (115), and in that at least one fuel nozzle (103, 103a) is arranged in the interior space (114) formed by the sectional bodies.
- Burner according to Claim 12, characterized in that further fuel nozzles (117) are arranged in the region of the tangential ducts (119, 120) in their longitudinal extent.
- Burner according to Claim 12, characterized in that the sectional bodies (140, 141, 142, 143) have a blade-shaped profile in cross section.
- Burner according to Claim 12, characterized in that the sectional bodies have a fixed cone angle, or increasing conicity, or decreasing conicity in the direction of flow.
- Burner according to Claim 12, characterized in that the sectional bodies are nested spirally one inside the other.
- Burner according to Claim 12, characterized in that the fuel nozzle (103) is shifted back relative to the start of the tangential ducts (119, 120) by a distance (126).
- Burner according to Claim 17, characterized in that the distance (126) has radial or quasi-radial passages (124) for the inflow of secondary air.
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