EP0899506A2 - Combustion device - Google Patents
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- EP0899506A2 EP0899506A2 EP98810827A EP98810827A EP0899506A2 EP 0899506 A2 EP0899506 A2 EP 0899506A2 EP 98810827 A EP98810827 A EP 98810827A EP 98810827 A EP98810827 A EP 98810827A EP 0899506 A2 EP0899506 A2 EP 0899506A2
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Definitions
- FIG. 5 is used at the same time as FIG. 4. Furthermore, in order not to make this Fig. 4 unnecessarily confusing, are the after the Figure 3 schematically shown guide plates 121a, 121b only hinted at been. The following is the description of FIG. 4 as needed referred to the figures mentioned.
- the two conical partial bodies 101, 102 each have one cylindrical initial part 101a, 102a, which also, analogous to the conical partial bodies 101, 102, run offset from one another, so that the tangential air inlet slots 119, 120 available over the entire length of the swirl generator 100 are.
- a nozzle 103 is preferred in the area of the cylindrical starting part for a liquid fuel 112, the injection 104 approximately with the narrowest cross section of that formed by the tapered partial body 101, 102 Cone cavity 114 coincides.
- the injection capacity and the type this nozzle 103 depends on the given parameters of the respective Brenners.
- the swirl generator 100 can be purely conical, that is, without cylindrical starting parts 101a, 102a.
- FIG. 7 differs from FIG. 6 in that the partial bodies 140 here 141, 142, 143 have a blade profile shape which is used to provide a certain Flow is provided. Otherwise, the mode of operation of the swirl generator stayed the same.
- the admixture of fuel 116 in the combustion air flow 115 happens from inside the blade profiles, i.e. the fuel line 108 is now integrated in the individual blades.
- the transition geometry is body for a swirl generator 100 with four parts, accordingly 6 or 5, built. Accordingly, the transition geometry as a natural extension of the upstream partial bodies, four transition channels 201 on, whereby the conical quarter area of said partial body is extended until the wall of the tube 20 resp. of the mixing tube 220 cuts.
- the same considerations also apply if the swirl generator comes from another Principle, as that described in Fig. 4, is constructed.
- the down area of the individual transition channels 201 running in the direction of flow has a spiral shape in the flow direction, which has a describes crescent-shaped course, corresponding to the fact that present the flow cross section of the transition piece 200 in the flow direction flared.
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einer Brennervorrichtungnach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.The invention is based on a burner device according to the preamble of first claim.
Bei der Konzeption von modernen Verbrennungsanlagen, insbesondere Gasturbinenanlagen, spielen wirtschaftliche und umwelttechnische Gesichtspunkte eine zunehmend bedeutende Rolle. In diesem Zusammenhang ist man bestrebt, die Einzelkomponenten einer Gasturbinenanlage, in denen Energie umgesetzt wird, in ihren Eigenschaften der Energieumzusetzung in Hinlick auf Schonung natürlicher Ressourcen und insbesondere unter Vermeidung hoher Emissionswerte zu optimieren.When designing modern incineration plants, especially gas turbine plants, play an economic and environmental perspective increasingly important role. In this context, one strives to Individual components of a gas turbine plant in which energy is converted in their properties of energy conversion in terms of protecting natural Optimizing resources and in particular while avoiding high emission values.
Das Herzstück der Energieumwandlung bildet bei Gasturbinenanlagen die Brennervorrichtung, in der Gas- und /oder flüssiger Brennstoff mit vorverdichteter Luft gemischt und zur Zündung gebracht wird. Die Brennervorrichtungen bestehen üblicherweise aus einem Drallerzeuger, durch den die Verbrennungsluft verwirbelt wird, einer Vorrichtung zur Eindüsung von Brennstoff und einer stromabwärts anschliessenden Brennkammer, in der das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Die Verbrennung des in Luft zerstäubten Brennstoffes soll dabei möglichst vollständig erfolgen, so dass der gesamte Brennstoff unter Entwicklung möglichst hoher Temperaturen verbrennt. Zum einen trägt eine möglichst restlose Verbrennung des Brennstoffes zu einer optimalen Energieumsetzung bei, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Gasturbinenanlage wesentlich bestimmt wird, zum anderen können bei möglichst hohen Verbrennungstemperaturen die Emissions-gase NOx sowie CO2-Gase erheblich reduziert werden, wodurch die Umweltbelastung entscheident positiv beeinflusst werden kann.The heart of the energy conversion in gas turbine systems is the burner device, in which gas and / or liquid fuel is mixed with pre-compressed air and ignited. The burner devices usually consist of a swirl generator through which the combustion air is swirled, a device for injecting fuel and a downstream combustion chamber in which the fuel-air mixture is burned. The combustion of the fuel atomized in air should take place as completely as possible, so that the entire fuel burns while developing the highest possible temperatures. On the one hand, the most complete possible combustion of the fuel contributes to optimal energy conversion, which essentially determines the efficiency of the entire gas turbine system, and on the other hand, the emission gases NO x and CO 2 gases can be considerably reduced at the highest possible combustion temperatures, thereby reducing the environmental impact can be positively influenced.
Neben der Optimierung von Brennervorrichtungen, die eine möglichst homogene Brennstoffzerstäubung und somit eine gleichmässige Verbrennung bewirken, kommt es insbesondere beim Betrieb moderner Brennervorrichtungen, wie sie beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 321 809 B1 beschrieben sind, darauf an, dass die komprimierte Luft im den Drallerzeuger umgebenden Plenum der Brennereinrichtung möglichst in einem ungestörten Luftstrom frei von Turbulenzen und in gerichteter Weise zur Verfügung steht. Moderne Brennervorrichtungen, wie sie aus der vorstehend zitierten Druckschrift zu entnehmen sind, weisen beispielsweise einen konischen Drallerzeuger / Brenner auf, der längs zu seiner Konusaussenseite schmale Einlassschlitze vorgesehen hat, durch die der für die Vermischung von Brennstoff und Luft erforderliche Luftstrom einzukoppeln ist.In addition to the optimization of burner devices that are as homogeneous as possible Atomizing fuel and thus causing uniform combustion, it occurs particularly when operating modern burner devices such as these described for example in European Patent EP 0 321 809 B1 are that the compressed air in the swirl generator surrounding Plenum of the burner device as free as possible in an undisturbed air flow Turbulence and is available in a directed manner. Modern burner devices, as can be seen from the publication cited above, have, for example, a conical swirl generator / burner that runs lengthways has provided narrow inlet slots on the outside of its cone, through which the the air flow required for the mixing of fuel and air is.
Anhand der den Stand der Technik darstellenden Figuren 1a und 1b sollen die Probleme aufgezeigt werden, die mit der Strömungsführung innerhalb eines Plenums verbunden sind, in die ein Luftstrom möglichst turbulenzfrei in Einlassöffnungen eines im Plenum vorgesehenen Brenners gerichtet werden soll.On the basis of Figures 1a and 1b representing the prior art Problems are shown with the flow guidance within a plenum are connected, into which an air flow is as turbulence-free as possible in inlet openings of a burner provided in the plenum.
In Fig. 1a ist ein Gehäuse G dargestellt, in das über Einlassöffnungen 4, 5
Gasströme 1, 2 eingeblasen werden. In einem Staupunkt A der beiden Gasströme
1, 2, im folgenden Teilstrahlen genannt, verschwindet die Geschwindigkeit im statistischen
Mittel. Ausserdem erreichen die Grenzstromlinien der beiden Teilstrahlen
1, 2, die durch den Staupunkt A verlaufen, an dieser Stelle den gleichen statischen
Druck. Aus diesen Gründen muss auch der Gesamtdruck auf beiden
Grenzstromlinien gleich sein. In der Regel erfahren die beiden Teilstrahlen 1, 2
auf ihrem Weg vom Verdichterdiffusor, durchs Kühlsystem der Brennkammer bis
zur Lufthaube / Plenum der Brennkammer unterschiedliche Reibungsverluste, weil
die Eintrittsgeschwindigkeiten in das Plenum 6 der Brennkammer nicht genau
gleich sind. Aus diesem Grund weisen die Teilstrahlen 1, 2 unterschiedliche Totaldrücke
auf. Durch den Totaldruckunterschied der beiden Teilstrahlen 1, 2 verschiebt
sich der Staupunkt A der zwei Teilstrahlen zwingend (wie in Fig. 1b dargestellt)
in unmittelbare Nähe der Einlassöffnung des Teilstrahles mit dem kleineren
Totaldruck.A housing G is shown in FIG. 1 a, into which the inlet openings 4, 5
Aufgrund der vorstehend geschilderten, strömungsimanenten Eigenschaften von
mehreren, in das Innere eines Gehäuses eingebrachten Gasströmungen zu deren
gegenseitigen Vermischung bzw. Vereinigung, wird die in Figur 1b im Idealfall
dargestellte Luftversorgung eines Brenners 9, der innerhalb eines Plenums 6 angeordnet
ist, stark beeinträchtigt.Due to the flow characteristics of
several gas flows introduced into the interior of a housing to their
mutual mixing or merging, is ideal in Figure 1b
Air supply shown of a
Das Plenum 6 ist umgeben von einer Gehäusewand G und weist an der linken
Seite zwei Einlassöffnungen 4, 5 für zwei Gasströme 1, 2 auf, die entlang der Gehäuseinnenwand
3 in das Innere des Plenums 6 geleitet werden. Die Gasströme
1, 2 treffen in einem, um den Auftreffpunkt A befindlichen Bereich zusammen, von
dem aus ein gemeinsamer, freier Gasstrom 7 in das Innere des Plenums 6 entsteht.
Im Idealfall sollte der gemeinsame, freie Gasstrom 7 in eine spaltförmige
Einlassöffnung 8 des Brenners 9 eintreten und dort mit gasförmigen und/oder
flüssigem Brennstoff vermischt und in einer Brennkammer 15 zur Zündung gebracht
werden. The
Aufgrund der vorstehenden Strömungseffekte bildet sich jedoch der gemeinsame,
freie Gasstrom nicht zu einer ungestörten, einheitlich Strömung aus, sondern unterliegt
einer unsteten relativ zur Einlaßöffnung 8 des Brenners lateralen Bewegung
und weist überdies sehr starke turbulente Strömungsanteile auf. Dies jedoch
führt in der Regel zu starken Beeinträchtigungen der aerodynamischen Eigenschaften
des Brenners 9, die sich nicht zuletzt auf eine schlechte Verbrennung
auswirken, wodurch die Emissionswerte des Brenners erheblich verschlechtert
werden. Ebenso kann es in Verbindung mit Turbulenzeffekten innerhalb des
Brenners, die durch den gemeinsamen eintretenden Gasstrom 7 iniziiert werden,
zu Rückzündeffekten kommen, die zum Erlöschen der Brennflamme oder zu Ueberhitzungen
führen können.Due to the above flow effects, however, the common,
free gas flow does not result in an undisturbed, uniform flow, but is subject to
an inconsistent lateral movement relative to the
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennervorrichtung der eingangs genannten Art diese derart weiterzubilden, dass der Drallerzeuger / Brenner in jedem Betriebszustand homogen angeströmt wird.The invention is based, with a burner device of the beginning mentioned type to further develop such that the swirl generator / burner flow is homogeneous in every operating state.
Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.According to the invention, this is achieved by the features of the first claim.
Kern der Erfindung ist es also, dass stromaufwärts des Drallerzeugers ein Strömungsgleichrichter zur Gleichrichtung der Zuströmung zum Drallerzeuger angeordnet ist.The essence of the invention is therefore that a flow straightener is located upstream of the swirl generator arranged to rectify the inflow to the swirl generator is.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die Zuströmung zum Brenner mit geringen Druckverlusten homogenisiert wird. Dadurch kann der Schadstoffausstoss durch eine homogene Gemischausbildung in der Brennzone minimiert werden. Das Risiko von Flammenrückschlägen wird minimiert und Pulsationen der Flamme vermieden. Dies insbesondere, da der Strömungsgleichrichter auch als dämpfendes Element wirkt, das Druckschwankungen / Pulsationen bei der Verbrennungsluftzufuhr ausgleicht. Ein solcher Strömungsgleichrichter eignet sich auch hervorragend zur Nachrüstung in bereits bestehenden Brennervorrichtungen.The advantages of the invention include the fact that the inflow homogenized to the burner with low pressure drops. Thereby the emission of pollutants through a homogeneous mixture formation in the Burning zone can be minimized. The risk of flashbacks is minimized and flame pulsations avoided. This is especially true because of the flow straightener also acts as a damping element, the pressure fluctuations / Compensates for pulsations in the combustion air supply. Such a flow straightener is also ideal for retrofitting in existing ones Burner devices.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims and the description.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.In the drawing, an embodiment of the invention is shown schematically.
Es zeigen:
- Fig. 1a
- Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Ausbreitungsverhaltens zweier in einem Gehäuse geführten Gasströme,
- Fig. 1b
- Querschnittsdarstellung durch ein Plenum mit idealen Strömungsverhältnissen,
- Fig. 2
- einen Brenner mit einem Strömungsgleichrichter;
- Fig. 3
- einen Brenner mit einem Strömungsgleichrichter und mit anschliessender Brennkammer;
- Fig. 4
- einen Drallerzeuger in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten;
- Fig. 5
- einen Schnitt durch den 2-Schalen-Drallerzeuger, nach Fig. 4;
- Fig. 6
- einen Schnitt durch einen 4-Schalen-Drallerzeuger;
- Fig. 7
- einen Schitt durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind;
- Fig. 8
- eine Darstellung der Form der Uebergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und Mischrohr.
- Fig. 1a
- Principle sketch to illustrate the propagation behavior of two gas flows in a housing,
- Fig. 1b
- Cross-sectional representation through a plenum with ideal flow conditions,
- Fig. 2
- a burner with a flow straightener;
- Fig. 3
- a burner with a flow straightener and with a subsequent combustion chamber;
- Fig. 4
- a swirl generator in a perspective view, cut open accordingly;
- Fig. 5
- a section through the 2-shell swirl generator, according to Fig. 4;
- Fig. 6
- a section through a 4-shell swirl generator;
- Fig. 7
- a step through a swirl generator, the shells of which are profiled in the shape of a scoop;
- Fig. 8
- a representation of the shape of the transition geometry between the swirl generator and the mixing tube.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.Only the elements essential for understanding the invention are shown.
Nach Fig. 2 wird, zur Vermeidung einer unsteten, relativ zur Einlassöffnung 8 des
Brenners lateralen Bewegung der zuströmenden Verbrennungsluft und turbulenter
Strömungsanteile, um den Drallerzeuger / Brenner ein Strömungsgleichrichter 18
angeordnet. Dieser Strömungsgleichrichter 18 besteht im wesentlichen aus einer
Lochblechhaube 12 und eventuell aus Abschlussflanschen, beispielsweise aus
einem oberen Abschlussflansch 11 und einem unteren Abschlussflansch 10. Der
obere Abschlussflansch kann ebenfalls belocht sein. Der Strömungsgleichrichter
18 umschliesst den Drallerzeuger, so dass die in den Drallerzeuger einströmende
Luft durch den Strömungsgleichrichter 18 hindurchströmen muss.
Durch den Strömungsgleichrichter 18 werden Ungleichverteilungen der Anströmung
des Brenners ausgeglichen und der in die Einlassöffnung 8 eintretende
Gasstrom 7 weitgehend homogenisiert. Durch die hier gezeigte Ausgestaltung der
Lochblechhaube 12 und der Abschlussflansche wird zudem ein leichter Einbau in
bestehende Brennerkonfigurationen ermöglicht, da der grösste Aussendurchmesser
des Strömungsgleichrichters 18 dem grössten Aussendurchmesser des Brenners
entspricht.
Der Strömungsgleichrichter 18 weist eine Oeffnungsfläche 17 auf, die in ihrem
Verhältnis zu einer Eintrittsfläche 19 des Brenners die Charakteristik des Strömungsgleichrichters
18 bestimmt. Die Eintrittsfläche 19 wird durch die Fläche der
Einlasssöffnungen des Brenners bestimmt. Die Oeffnungsfläche 17 des Strömungsgleichrichters
wird grösser gewählt als die Eintrittsfläche 19 des Brenner.
Dadurch werden Druckverluste am Strömungsgleichrichter möglichst klein gehalten.
Die Oeffnungsfläche 17 des Strömungsgleichrichters darf aber nicht beliebig
grösser gewählt als die Eintrittsfläche 19 des Brenners, da sonst der Strömungsgleichrichters
die Gaströme nicht mehr homogenisiert. Bei einem Verhältnis von
Oeffnungsfläche 17 zu Eintrittsfläche 19 von grösser gleich drei (Oeffnungsfläche/
Eintrittsfläche ≥ 3) liegen die Verluste unterhalb 15%. Bei einem Verhältnis von
Oeffnungsfläche 17 zu Eintrittsfläche 19 von grösser sechs (Oeffnungsfläche/
Eintrittsfläche > 6) liegen die Verluste unterhalb 5%. Ein besonders bevorzugter
Bereich von Oeffnungsfläche 17 zu Eintrittsfläche 19 liegt deshalb im Bereich von
drei bis sechs, da hier die Verluste relativ gering sind und trotzdem eine ausgezeichnete
Homogenisierung der Anströmung des Brenners erreicht wird. Der
Strömungsgleichrichter 18 dient zusätzlich als dämpfendes Element, welches
Pulsationen / Druckschwankungen aus der Luftzuführung zum Brenner, beispielsweise
vom Verdichter, ausgleicht.According to FIG. 2, a
The
Fig. 3 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners mit einem Strömungsgleichrichter
18. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100 wirksam, dessen Ausgestaltung in den
nachfolgenden Fig. 4-7 noch näher gezeigt und beschrieben wird. Es handelt sich
bei diesem Drallerzeuger 100 um ein kegelförmiges Gebilde, das tangential
mehrfach von einem tangential einströmenden und durch den Strömungsgleichrichter
18 gleichgerichteten 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. 8 näher beschrieben. Dieses
Uebergangsstück 200 ist abströmungsseitig der Uebergangsgeometrie durch
ein Rohr 20 verlängert, wobei beide Teile das eigentliche Mischrohr 220 des
Brenners bilden. Selbstverständlich kann das Mischrohr 220 aus einem einzigen
Stück bestehen, d.h. dann, dass das Uebergangsstück 200 und Rohr 20 zu einem
einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmolzen sind, wobei die Charakteristiken
eines jeden Teils erhalten bleiben. Abströmungsseitig des Rohres 20 befindet
sich die eigentliche Brennkammer 30, welche hier lediglich durch das Flammrohr
versinnbildlicht ist. Das Mischrohr 220 erfüllt die Bedingung, dass stromab
des Drallerzeugers 100 eine definierte Mischstrecke bereitgestellt wird, in welcher
eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese
Mischstrecke, also das Mischrohr 220, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie
Strömungsführung, so dass sich auch in Wirkverbindung mit der Uebergangsgeometrie
zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des
Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluss ausgeübt
werden kann. Dieses Mischrohres 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft,
welche darin besteht, dass im Mischrohr 220 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
220 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl regelmässig oder
unregelmässig verteilten Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen
versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres
220 strömt, und entlang der Wand eine Erhöhung der Geschwindigkeit indiziert.
Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, dass der
Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220 abströmungsseitig der Uebergangskanäle
201, welche die bereits genannten Uebergangsgeometrie bilden, eine Verengung
erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des
Mischrohres 220 angehoben wird. In der Figur entspricht der Auslauf der Uebergangskanäle
201 dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220. Die
genannten Uebergangskanäle 201 überbrücken 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 220 einen nicht tolerierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen
Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende des Mischrohres ein in der Figur nicht
gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 220 schliesst sich
eine Brennkammer 30 an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten
ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone
50, welche die Eigenschaften eines 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.Fig. 3 shows the overall structure of a burner with a
Um den Aufbau des Drallerzeugers 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil,
wenn gleichzeitig zu Fig. 4 mindestens Fig. 5 herangezogen wird. Des weiteren,
um diese Fig. 4 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. 4 nach Bedarf
auf die genannten Figuren hingewiesen.In order to better understand the structure of the
Der erste Teil des Brenners nach Fig. 3 bildet den nach Fig. 4 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 schaffl bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher
Anordnung, jeweils einen tangentialen Kanal, d.h. einen Lufteintrittsschlitz 119,
120 (Fig. 5), 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. 3 forms the swirl generator shown in FIG. 4
100. This consists of two hollow conical
Aus Fig. 5 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
Teil körpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Drallerzeuger 100 auch ohne
Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vogesehen
werden.5 now shows the geometric configuration of the
Fig. 6 zeigt gegenüber Fig. 5, 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.6 shows, compared to FIG. 5, that the
Fig. 7 unterscheidet sich gegenüber Fig. 6 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 Teil körpern mit der
Buchstabe a gekennzeichnet.FIG. 7 differs from FIG. 6 in that the
Fig. 8 zeigt das Uebergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Uebergangsgeometrie
ist für einen Drallerzeuger 100 mit vier Teil körpern, entsprechend
der Fig. 6 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 Rohres 20 resp. des Mischrohres 220 schneidet.
Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen
Prinzip, als den unter Fig. 4 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.8 shows the
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Geometrie des Strömungsgleichrichters kann anders gewählt werden als dargestellt. So kann die Geometrie der Lochblechhaube und der Flansche sowie die Eintrittsöffnungen der Lochblechhaube verschiedenartig ausgebildet sein. Of course, the invention is not limited to that shown and described Embodiment limited. The geometry of the flow straightener can be chosen differently than shown. So the geometry of the perforated sheet hood and the flanges and the inlet openings of the perforated sheet hood be designed differently.
- 11
- GasstromGas flow
- 22nd
- GasstromGas flow
- 33rd
- GehäuseinnenwandHousing inner wall
- 44th
- Einspritzdüse, EinlassöffnungInjector, inlet opening
- 55
- Einsspritzdüse, EinlassöffnungInjection nozzle, inlet opening
- 66
- Plenumplenum
- 77
- Gemeinsamer bzw. freier GasstromCommon or free gas flow
- 88th
- EinlassöffnungInlet opening
- 99
- Drallerzeuger / BrennerSwirl generator / burner
- 1010th
- Unterer AbschlussflanschLower end flange
- 1111
- Oberer AbschlussflanschUpper end flange
- 1212th
- LochblechhaubePerforated sheet hood
- 1515
- BrennkammerCombustion chamber
- 1717th
- OeffnungsflächeOpening area
- 1818th
- StrömungsgleichrichterFlow straightener
- 1919th
- Einrittsfläche BrennerEntry surface burner
- 2020th
- Rohrpipe
- 2121
- Bohrungen, OeffnungenHoles, openings
- 3030th
- BrennkammerCombustion chamber
- 3131
- OeffnungenOpenings
- 4040
- Strömung, Rohrströmung im MischrohrFlow, pipe flow in the mixing pipe
- 5050
- RückströmzoneBackflow zone
- 100100
- DrallerzeugerSwirl generator
- 101101
- TeilkörperPartial body
- 102102
- TeilkörperPartial body
- 101a101a
- Zylindrische Anfangsteile Cylindrical starting parts
- 102b102b
- Zylindrische AnfangsteileCylindrical starting parts
- 101b101b
- LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes
- 102b102b
- LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes
- 103103
- BrennstoffdüseFuel nozzle
- 104104
- BrennstoffeindüsungFuel injection
- 105105
- Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)Fuel spray (fuel injection profile)
- 108108
- BrennstoffleitungenFuel lines
- 109109
- 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
- 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
- UebergangsstückTransition piece
- 201201
- UebergangskanäleTransition channels
- 220220
- MischrohrMixing tube
- AA
- StaupunktStagnation point
- GG
- Gehäuse, PlenumgehäuseHousing, plenum housing
Claims (8)
dadurch gekennzeichnet,
dass stromaufwärts des Drallerzeugers (9, 100) ein Strömungsgleichrichter (18) zur Gleichrichtung der Zuströmung zum Drallerzeuger (9, 100) angeordnet ist.Burner device comprising a swirl generator (9, 100) for a combustion air stream (1, 2, 115) and a combustion chamber (15) arranged downstream of the swirl generator (9, 100),
characterized,
that a flow straightener (18) is arranged upstream of the swirl generator (9, 100) to rectify the inflow to the swirl generator (9, 100).
dadurch gekennzeichnet,
dass die Oeffnungsfläche (17) des Strömungsgleichrichters (18) grösser als die Eintrittsfläche (19) des Drallerzeugers (9, 100) ist.Burner device according to claim 1,
characterized,
that the opening area (17) of the flow straightener (18) is larger than the entry area (19) of the swirl generator (9, 100).
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis von Oeffnungsfläche (17) zu Eintrittsfläche (19) grösser gleich drei (Oeffnungsfläche/ Eintrittsfläche ≥ 3) ist.Burner device according to claim 2,
characterized,
that the ratio of opening area (17) to entry area (19) is greater than or equal to three (opening area / entry area ≥ 3).
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis von Oeffnungsfläche (17) zu Eintrittsfläche (19) im Bereich von drei bis sechs liegt (6 ≥ Oeffnungsfläche/ Eintrittsfläche ≥ 3).Burner device according to claim 1,
characterized,
that the ratio of opening area (17) to entrance area (19) is in the range from three to six (6 ≥ opening area / entrance area ≥ 3).
dadurch gekennzeichnet,
dass der Strömungsgleichrichter (18) aus einer Lochblechhaube (12) besteht.Burner device according to Claims 1 to 4,
characterized,
that the flow straightener (18) consists of a perforated sheet hood (12).
dadurch gekennzeichnet,
dass an der Lochblechhaube (12) Abschlussflansche (10, 11) angeordnet sind.Burner device according to claim 5,
characterized,
that end flanges (10, 11) are arranged on the perforated sheet metal hood (12).
dadurch gekennzeichnet,
dass der Drallerzeuger (9) 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 Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) angeordnet ist.Burner device according to one of Claims 1 to 6,
characterized,
that the swirl generator (9) consists of at least two hollow, conical partial bodies (101, 102; 130, 131, 132, 133; 140, 141, 142, 143) nested one inside the other in the flow direction, that the respective longitudinal symmetry axes (101b, 102b; 130a , 131a, 132a, 133a; 140a, 141a, 142a, 143a) of these partial bodies are offset with respect to one another, in such a way that the adjacent walls of the partial bodies in their longitudinal extension form tangential channels (119, 120) for a combustion air flow (115), and in that at least one fuel nozzle (103) is arranged from the conical cavity (114).
dadurch gekennzeichnet,
dass stromab des Drallerzeugers (100) eine Mischstrecke (220) angeordnet ist, dass die Mischstrecke (220) stromab des Drallerzeugers (100) innerhalb eines ersten Streckenteils (200) in Strömungsrichtung verlaufende Uebergangskanäle (201) zur Ueberführung einer im Drallerzeuger (100) gebildeten Strömung (40) in den stromab der Einströmungskanäle (201) nachgeschalteten Durchflussquerschnitt (20) der Mischstrecke (220) aufweist.Burner device according to one of Claims 1 to 7,
characterized,
that a mixing section (220) is arranged downstream of the swirl generator (100), that the mixing section (220) downstream of the swirl generator (100) within a first section part (200) is a transition channel (201) running in the direction of flow for transferring a swirl generator (100) Flow (40) in the downstream flow cross-section (20) of the mixing section (220) downstream of the inflow channels (201).
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