DE19531563A1

DE19531563A1 - Brenner

Info

Publication number: DE19531563A1
Application number: DE1995131563
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Doebbeling; Hans Peter Knoepfel; Thomas Dr Sattelmayer; Peter Dr Senior
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-08-28
Filing date: 1995-08-28
Publication date: 1997-03-06
Also published as: EP0760450A2; JPH09112822A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäß Ober begriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Aus EP-0 321 809 ist ein aus mehreren Schalen bestehender ke gelförmiger Brenner, sogenannter Doppelkegelbrenner, zur Er zeugung einer geschlossenen Drallströmung im Kegelkopf be kanntgeworden, welche aufgrund des zunehmenden Dralls entlang der Kegelspitze instabil wird und in eine annulare Drallströ mung mit einer Rückströmzone im Kern übergeht. Gasförmige Brennstoffe werden vorzugsweise entlang der durch die einzel nen benachbarten Schalen gebildeten Kanäle, auch Luftein trittsschlitze genannt, eingedüst, wodurch sich der Brenn stoff homogen mit der dort einströmenden Verbrennungsluft vermischt, bevor die Verbrennung durch Zündung des so gebil deten Gemisches am Staupunkt der Rückströmzone, welche die Funktion eines körperlosen Flammenhalters erfüllt, eingelei tet wird. Flüssige Brennstoffe werden demgegenüber vorzugs weise über eine zentrale Düse am Brennerkopf eingebracht, wo bei die Verdampfung ebendieser Brennstoffe innerhalb des Ke gelhohlraumes des Brenners geschieht. Unter gasturbinentypi schen Bedingungen findet die letztgenannte Zündung indessen schon früh, also in der Nähe der zentralen Düse statt, womit nicht zu umgehen ist, daß die NOx-Emissionen gerade aufgrund dieser mangelnden Vorinischung hohe Werte aufweisen, was bei spielsweise dann das Einspritzen von Wasser notwendig macht. Ein weiteres Problem, das eine Interdependenz mit dem Ort der Zündung aufweist, betrifft die immanente Gefahr eines Flam menrückschlages aufgrund der unstabilen Rückströmzone wegen örtlich nicht optimaler Lage. Darüber hinaus gilt zu beden ken, daß die Verschiebung der Rückströmzone im Bereich der weiteren Düsen entlang der Lufteintrittsschlitze eine Über hitzung des ganzen Brenners nach sich zieht, womit dann auch die Gefahr zunimmt, daß der gasförmige Brennstoff durch diese Düsen früh zündet und soweit eine unkrontollierbare Kettenreaktion auslöst.

Darstellung der Erfindung

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 Vor kehrungen vorzuschlagen, welche nebst einer perfekten Vormi schung der eingesetzten Brennstoffe, mit sich daraus einstel lender Minimierung der Schadstoff-Emissionen, eine örtliche Stabilisierung der Flammenfront gewährleistet.

Grundsätzlich besteht der Brenner aus einer Strecke, die der Drallerzeugung und Brennstoffeindüsung dient, und aus einer nachgeschalteten Mischzone, deren Ende in die eigentliche Brennkammer übergeht. Die Strömung aus der Drallerzeugungs strecke wird nahtlos in die Mischzone übergeleitet. Die Über gangsgeometrie zwischen den beiden Strömungszonen ist da durch gegeben, daß der Brenner im wesentlichen aus zwei zu einander konzentrisch angeordneten Körpern besteht, wobei der Innenteil in einem konisch verlaufenden Auslauf endet. Der Ringspalt zwischen Innenteil und Außenschale ist vorzugs weise mit mehreren entlang des Umfanges verteilten spiralför mig, also schräg verlaufenden Ebenen bestückt, welche als Helixe den Ringspalt überbrücken, und welche als Drallerzeu ger mit einem bestimmten Drallwinkel, der aus dem Verhältnis zwischen Achsrichtung und Strömungsrichtung ermittelt wird, dienen. Der Übergang zwischen diesem annularen Drallerzeuger und der nachgeschalteten Mischzone wird so gestaltet, daß sich eine stetige Beschleunigung der Strömung ergibt, um die Wandgrenzschichten und damit die Rückschlagsgefahr der Flamme zu minimieren.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß der Verlauf des Drallwinkels innerhalb der annularen Strecke und des Betrages der Axialgeschwindigkeit über den Radius des Ringspaltes und über die Querschnittsfläche unab hängig voneinander so angepaßt werden kann, daß einerseits am Brenneraustritt ein Wirbelaufplatzen zur sicheren Flammen stabilisierung erzeugt wird, und andererseits in der Misch zone der Drall sehr niedrig gehalten wird, um Flammenrück schlag sicher zu vermeiden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sich hier eine perfekte Vormischung des eingebrachten Brenn stoffes erzielen läßt, sei es, daß ein gasförmiger Brenn stoff im Bereich des Ringspaltes, oder kurz stromab des Drallerzeugers radial nach innen, oder über den Innenteil und dessen Spitze radial nach außen eingedüst wird, sei es, daß ein flüssiger Brennstoff entweder an der konischen Spitze des Innenteils oder nach dem Drallerzeuger in tangentialer Rich tung in den Ringspalt eingedüst wird.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen An sprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbei spiele der Erfindung näher dargestellt und erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erfor derlichen Merkmale sind weggelassen worden. Die Strömungs richtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Gleiche Ele mente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Be zugszeichen versehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 einen Brenner in seiner Gesamtheit, entsprechend auf geschnitten,

Fig. 2 einen Teil der Mischzone des Brenners stromab des konischen Auslaufes des Innenteils, mit Eindüsung eines flüssigen Brennstoffes,

Fig. 3 dieselbe Mischzone gemäß Fig. 2 mit einer veränder ten Eindüsung eines flüssigen Brennstoffes,

Fig. 4 dieselbe Mischzone gemäß Fig. 2 mit einer Eindüsung eines gasförmigen Brennstoffes von der Außenschale in die Mischzone und

Fig. 5 eine weitere Darstellung des Brenners gemäß Fig. 1 mit einer zentralen Pilotstufe.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt einen Brenner 1, der aus einem Innenteil 2 und einer hierzu konzentrisch verlaufenden Außenschale 3, wobei die beiden genannten Teile zueinander durch einen zylindri schen Ringspalt 4 beabstandet sind. In Strömungsrichtung bil det der Innenteil 2, in Wirkverbindung mit der Außenschale 3, soweit sie den Innenteil 2 abdeckt, die eigentliche Drallerzeugungsstrecke, deren Betrieb durch eine Reihe von in Strömungsrichtung spiralförmig, also schräg verlaufenden Strömungsebenen, also Helixen 5, aufrechterhalten wird. Diese Helixen 5 wickeln sich in Umfangsrichtung des Innenteils 2 ab, und füllen den ganzen Ringspalt 4 in radialer Richtung. Diese Helixen 5 haben demnach die Aufgabe, den kopfseitig des Brenners 1 einströmenden Verbrennungsluftstrom 9 entlang des vorgegebenen Weges bis zur Mischzone 7 zu verdrallen. Der hierzu vorgesehene Drallwinkel, also den Winkel zwischen Achsrichtung und Strömungsrichtung, beträgt vorzugsweise um die 30°. Wichtig ist des weiteren, daß der Übergang zwi schen der Strecke, in welcher die Drallerzeugung entsteht, und der nachgeschalteten Mischzone 7 eine stetige Beschleuni gung der Verbrennungsluft 9 ergibt, dies um die Wandgrenz schichten und damit die Gefahr eines Rückschlages der Flamme zu minimieren. Diesbezüglich endet der Innenteil 2 im Bereich des genannten Überganges, bei ca. 60% der Gesamtlänge der Außenschale, in einer konisch verlaufenden Spitze 6, wobei in diesem Bereich die Strömung aus dem Drallerzeuger, also aus den Helixen 5, nahtlos in die Mischzone 7 übergeleitet wird. Diese Strömungsüberleitung ist an sich verlustfrei, dergestalt, daß zwischen Drallerzeuger und nachgeschalteter Mischzone 7 die unmittelbare Bildung einer Rückströmzone am Ausgang des Drallerzeugers verhindert wird. Die Drallstärke im Drallerzeuger, die unter anderen von der geometrischen Ausbildung der Helixen 5, der konischen Spitze 6 und der die Mischzone 7 umschließenden Wand ausgeht, wird so gewählt, daß das Aufplatzen des Wirbels nicht in der Mischzone 7 er folgt, sondern weiter stromab am Austritt derselben, wobei die Länge der Mischzone 7 so dimensioniert ist, daß sich eine ausreichende Mischungsgüte für alle zum Einsatz gelan genden Brennstoffarten ergibt. In der Mischzone 7 besitzt der Axialgeschwindigkeitsprofil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse und verhindert dadurch Rückzündungen in diesen Bereich, indessen fällt aber diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin ab. Um Rückzündungen auch im letztgenannten Bereich zu ver hindern, wird vorgekehrt, die Geschwindigkeit im Außenbe reich der Mischzone 7 zu erhöhen, indem der Strömungsquer schnitt der Mischzone 7 beispielsweise venturiförmig ausge bildet wird, oder allgemein eine Verengung resp. eine Ein schnürung (Vgl. Fig. 2, Pos. 18) erfährt. Eine andere Mö glichkeit um Rückzündung der Flamme in diesem Bereich zu un terbinden, besteht darin, die Mischzone 7 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl von regelmäßig oder unre gelmäßig verteilten in der Figur nicht ersichtlichen Bohrun gen verschiedenster Querschnitte und Einströmrichtungen zu versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere der Mischstrecke 7 strömt, und entlang deren Wand eine Erhöhung der Geschwindigkeit indiziert. Selbstverständlich kann zur Unterbindung der Gefahr einer Rückzündung der Flamme in die Mischzone 7 eine Kombination obengenannter Maßnahmen vorge sehen werden. Am Ende der Mischzone 7 schließt sich eine Frontwand 8, welche Ausgangsebene einer nicht ersichtlichen Brennkammer ist, wobei zwischen den beiden Durchflußquer schnitten ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst an die ser Stelle bildet sich eine zentrale Rückströmzone, 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 entste hen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone. Stirnseitig kann die Frontwand 8 mit nicht er sichtlichen Öffnungen erweitert sein, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung strömt, und dort unter anderen dazu beiträgt, daß die Ringstabilisation der Rückströmzone damit gestärkt wird. Danebst darf nicht uner wähnt bleiben, daß die Erzeugung einer stabilen Rückström zone auch eine ausreichende hohe Drallzahl, d. h. die kriti sche Drallzahl über den entsprechenden Querschnitt, innerhalb der Mischzone 7 erfordert. Die Außenschale 3 ist an geeigne ter Stelle mit Düsen 10 versehen, durch welche ein Brenn stoff, vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff, in die ent lang der Helixen 5 strömende Verbrennungsluft 9 eingebracht wird. Diese Brennstoffeinbringung bildet im Normalfall die Hauptstufe des Brenners 1. Die hier stattfindende Verdrallung der Verbrennungsluft 9 bildet zugleich eine erste Vermischung des Brennstoffes; die endgültige Gemischbildung findet dann in der Mischzone 7 statt.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Brenners im Bereich der ko nisch verlaufenden Spitze 6 des Innenteils 2. Die Spitze selbst dient als Düse 11 zur Eindüsung eines Brennstoffes 12, der vorzugsweise ein flüssiger Brennstoff ist. Diese Eindü sung wird so gehalten, daß sie zwar kegelig ausfällt, die Wand der Mischzone 7 und einer dort vorgesehenen Einschnürung 18 sollen aber dadurch nicht benetzt werden. Die verdrallte in die Mischzone 7 einströmende Verbrennungsluft ummantelt den eingedüsten Brennstoff 12: In Strömungsrichtung in der Mischzone 7 wird die Konzentration des eingedüsten Brennstof fes 12 fortlaufend zu einer Vermischung im Sinne einer Ver dampfung desselben abgebaut. Ist die Verbrennungsluft zusätz lich vorgeheizt, oder beispielsweise mit einem rückgeführten Rauch- oder Abgas angereichert, so unterstützt diese Vorkeh rung nachhaltig die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes, bevor das Gemisch in die nachgeschaltete Stufe strömt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Eindüsung eines Brennstoffes 14 im Bereich der konisch verlaufenden Spitze 6 des Innenteils 2. Auch bei diesem Brennstoff handelt es sich vorzugsweise um einen flüssigen Brennstoff, der in bekannter Weise entlang der Mischzone 7 verdampft werden soll. Die Eindüsung ge schieht über Düsen 13, welche nach der Drallerzeugung der Verbrennungsluft entlang des Innenteils 2 in tangentialer Richtung gegenüber dem Ringspalt (Vgl. Fig. 1) wirken. Damit wird durch die tangentiale Eindüsung des Brennstoffes 14 in die verdrallte Verbrennungsluft eine Steigerung der Verdamp fung des Brennstoffes innerhalb der Mischzone 7 erreicht.

Fig. 4 zeigt eine weitere Variante einer Eindüsung eines Brennstoffes in den Brenner. Der hier zum Einsatz kommende Brennstoff ist gasförmig und wird zunächst innerhalb des Ringspaltes und/oder kurz stromab der Drallerzeugung (Vgl. Fig. 1) radial nach innen in die Verbrennungsluft eingedüst. Diese Eindüsungsart ist durch die Pfeile 15 versinnbildlicht. In Kombination mit dieser Eindüsung kann eine zusätzliche Brennstoffeinbringung vorgesehen werden, welche im Bereich der konisch verlaufenden Spitze 6 des Innenteils 2 radial nach außen wirkt, wie der Pfeil 16 andeutet.

Fig. 5 zeigt im wesentlichen den gleichen Brenner 1, wie er in Fig. 1 bereits zur Beschreibung gekommen ist. Im Zentrum, d. h. im Inneren des Innenteils 2, ist eine Pilotstufe 17 mit einem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff angebracht. Diese Pilotstufe wirkt dann von der konisch verlaufenden Spitze 6 aus, dergestalt, daß der Brenner auch bei kleiner Brenner last, beispielsweise bei ca. 10%, ohne Eindüsung eines weite ren Brennstoffes, beispielsweise wie dies gemäß Fig. 1 vor gesehen ist, betrieben werden kann. Zusätzlich kann diese Pi lotstufe 17 im Mischbetrieb, außerhalb des selbststabilen Bereiches der durch den Ringspalt 4 indizierten Hauptstufe, als Stabilisierungshilfe verwendet werden. Die kalorisch be lasteten Partien der Pilotstufe 17 werden dabei konvektiv oder durch Prall- resp. Effusionskühlung durch einen Teil der Verbrennungsluft 9 gekühlt.

Bezugszeichenliste

1 Brenner
2 Innenteil
3 Außenschale
4 Ringspalt
5 Schräge Strömungsebenen, Helixen
6 Konisch verlaufende Spitze des Innenteils 2
7 Mischzone
8 Frontwand
9 Verbrennungsluft, Verbrennungsluftstrom
10 Brennstoffdüsen
11 Brennstoffdüsen
12 Brennstoffeindüsung
13 Brennstoffdüsen
14 Brennstoffeindüsung
15 Radial nach innen gerichtete Brennstoffdüsen
16 Radial nach außen gerichtete Brennstoffdüsen
17 Pilotstufe
18 Einschnürung

Claims

1. Brenner für einen Wärmeerzeuger, im wesentlichen bestehend aus Mitteln zur Erzeugung einer verdrallten Verbrennungsluft und aus Mitteln zur Eindüsung eines Brennstoffes in die Ver brennungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der verdrallten Verbrennungsluft (9) im von einem Innenteil (2) und einer Außenschale (3) gebildeten Ringspalt (4) angeordnet sind, daß diese Mittel aus mindestens einer in Strömungsrichtung des Ringspaltes (4) und darin um den Um fang des Innenteils (2) schräg verlaufenden Ebene (5) be steht, und daß abströmungsseitig der schräg verlaufenden Ebene (5) eine Mischzone (7) angeordnet ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der In nenteil (2) im Bereich des Anfangs der Mischzone (7) in einer konisch verlaufenden Spitze (6) endet.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ko nisch verlaufende Spitze (6) des Innenteils (2) eine Pilot stufe (17) des Brenners (1) bildet.

4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ko nisch verlaufende Spitze (6) des Innenteils (2) eine Brenn stoffdüse (11) bildet.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischzone (7) in Strömungsrichtung eine venturiförmige Aus bildung aufweist.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischzone (7) in Strömungsrichtung eine intermediäre Ein schnürung aufweist, welche gegenüber dem übrigen Durchfluß der Mischzone (7) den kleinsten Querschnitt bildet.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Außenschale (3) im Bereich der schräg verlaufenden Ebene (5) Brennstoffdüsen (10) angeordnet sind.

8. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Be reich des Überganges zwischen Innenteil (2) und Mischzone (7) radial oder tangential wirkende Brennstoffdüsen (13, 14, 16) vorhanden sind.